Av Darrin Radatz, Ani Zhecheva och Sid Clouser

Hög hållfasthet och låg vikt, tillsammans med förmågan att enkelt bilda en seg ytoxidfilm, gör titan och dess legeringar användbara i många applikationer inom flyg-, industri- och medicinska områden.

En begränsning för titanlegeringar är den relativt dåliga motståndskraften mot limnötning, vilket resulterar i gnidning och kallsvetsning, dåligt slitagebeteende och en hög friktionskoefficient. Man kan övervinna denna begränsning genom att tillhandahålla en ytbeläggning. Beläggningar appliceras också för värmereflektion, emissivitet, korrosionsbeständighet i heta sura miljöer, konduktivitet, smörjbarhet, hårdlödning och storleksändring.

Ytförberedelse

Titan är mycket reaktivt och bildar snabbt en oxidfilm när metallytan exponeras för luft eller någon miljö som innehåller tillgängligt syre. Detta oxidskikt bör avlägsnas före elektroplätering eller annan ytbehandling, men dess seghet gör borttagningen problematisk.

Ytgrovning kan förbättra beläggningens vidhäftning och kan åstadkommas genom nötning, sandblästring och etsning. Ytförberedelse är nyckeln för att uppnå robust vidhäftning av vilken beläggning som helst till titan, eftersom nickelborste pläterad över oxidfilmen resulterar i dålig vidhäftning i lokala områden.

SIFCO Applied Surface Concepts har utfört flera experiment på titan för ytbehandling och selektiv plätering. Vår FoU-avdelning erhöll titanplåtar 1,1 mm tjocka och rör 0,83 mm tjocka i tre substratmaterial: Ti-6Al-4V, Ti-6Al-6V-2Sn och kommersiellt ren grad 2 titan, och bearbetade ytorna mekaniskt med hjälp av flera tekniker inklusive torr- eller våtnötning, stålborstning och blästring.

Mekaniska metoder

FoU använde mekaniska metoder för att förbättra vidhäftningen genom att öka substratytan och exponera en fräsch, ren titanyta. Mekanisk bearbetning av ytan genom nötning med slipmedel, stålborstar eller genom blästring med kiselkarbid eller våt eller torr aluminiumoxid ökade ytan och förbättrade avlagringsvidhäftningen. Men vidhäftningen var fortfarande inte tillräckligt hög för att rutinmässigt överleva ett 180° böjtest.

Acid Etch

De åtog sig sedan att identifiera en elektrokemisk behandlingsmetod med förmågan att öka substratytan på ett kontrollerat sätt och ge en oxidfri yta som möjliggjorde god avlagringsvidhäftning. Den resulterande elektrokemiska behandlingen inkluderar både en elektrolyt och en anod/katodisk ets/aktiveringsmetod för att främja mikroetsning av titanytan för att öka ytarean och minska ytoxiden. Denna elektrokemiska behandling resulterade i utmärkt vidhäftning. Pläteringsproceduren som anges i tabell 1 användes för att göra en kvalitetsavsättning.

Flera faktorer bidrar till den utmärkta vidhäftningen: mekanisk sammanlåsning, ökad yta och avsaknad av en oxidfilm. Dessa tre attribut genererades under borstpläteringsprocessen. Borstplätering är särskilt lämpad för att generera dessa egenskaper på grund av den lilla volymen elektrolyt, nära kontakt mellan anoden och katoden, och den snabbhet med vilken elektrolyter kan växlas från aktivering till slagplätering.

Viktiga överväganden för proceduren är:

  • Håll titan under potentiell kontroll hela tiden
  • Håll det pläterade området till 100 % täckt av den inslagna anoden
  • Använd snabbväxling från anodisk till katodisk
  • Tillåt ingen sköljning mellan stegen
  • Återanvänd inte lösningen.

Andra utvärderingar

Ytan på stubbar av titanlegering förbehandlades genom bearbetning eller SiC-blästring, sedan nötning, etsning och aktivering med hjälp av processen i Tabell 1. En 50 μm tjock nickelavlagring pläterades från två sura elektrolyter. Felläget i alla prover var vidhäftande, vid gränssnittet nickelbeläggning – titan.

Väteförsprödning testades enligt General Motors Engineering Standard GM3661P, och alla prover var tillfredsställande för väteförsprödning – det vill säga inga fel eller sprickor observerades på någon av kupongerna.

Denna teknologi fungerade också bra med Ti-6Al-6V-2Sn-legering, och avsättningsvidhäftningen var tillfredsställande. Proceduren ger dock ingen avsättning med tillräcklig vidhäftning på grad 2 titan. Insättningar på årskurs 2 klarade i allmänhet tejptest men underkände böjtest.

Framtida forskningsarbete kommer att fortsätta att utveckla principer för god vidhäftning av pläterade avlagringar till titanlegeringar, och identifiera en process för att avsätta beläggningar med förbättrad vidhäftning på Grad 2 titanium. Deponering av andra material med bättre slitstyrka än titan kommer också att undersökas.