Katsaus titaaniseosten kulutuskestävään pintakäsittelyyn, pinnoitustekniikoihin ja komposiittivahvistusmenetelmiin

titaaniSillä on joukko erinomaisia ominaisuuksia, kuten keveys, korkea lujuus-painosuhde ja hyvä korroosionkestävyys, minkä vuoksi sitä käytetään laajalti ilmailu- ja avaruusteollisuudessa, laivanrakennuksessa, koneenrakennuksessa, kemianteollisuudessa ja monilla muilla aloilla. Sen pintakovuus on kuitenkin suhteellisen alhainen, kulutuskestävyysHeikko korroosionkestävyys ei täytä odotuksia, minkä vuoksi titaaniseokset eivät monissa tilanteissa vastaa käytännön sovellusten vaatimuksia, mikä haittaa huomattavasti niiden laajempaa käyttöä. Tällä hetkellä titaaniseosten kulutuskestävyyttä parantavat pintakäsittelytekniikat kattavat pääasiassa ioninpistämisen, kemiallisen pinnoituksen, laserpinnoituksen, plasmasuihkutuspinnoituksen, kaasufaasipinnoituksen sekä mikrokaarihapetuksen. Jokaisella yksittäisellä pintakäsittelytekniikalla on omat rajoituksensa. Viime vuosina on alettu käyttää yhdistettyjä käsittelymenetelmiä titaaniseosten pinnan muokkaamiseen, mikä on parantanut niiden ominaisuuksia asteittain ja ratkaissut titaaniseosten pinnan lujittamiseen liittyvän ongelman. Siksi tässä artikkelissa käsitellään nykyisiä useita titaaniseosten yksittäisiä ja yhdistettyjä pintakäsittelymenetelmiä.

1. Titaaniseosten kulutuskestävän pinnan modifiointi ja pinnoitustekniikka

1.1 Ionien injektointi

Ionien injektointitekniikka otettiin käyttöön 1960-luvulla. Tyhjiössä ja alhaisessa lämpötilassa tämä tekniikka ampuu korkeaenergisiä varautuneita ioneja suurella nopeudella metallin pintakerrokseen, mikä aiheuttaa ionien ja emäaineen välillä sarjan monimutkaisia reaktioita. Näin muodostuu uusi pintamuunnettu metalliseoskerros, jolla on vahva tarttuvuus emäaineeseen, ja kulutuskestävyys paranee huomattavasti. Menetelmä säilyttää metallimateriaalin ominaisuudet ja materiaalin makromittasuhteet muuttumattomina, on ympäristöystävällinen ja saastuttamaton sekä parantaa merkittävästi materiaalin pinnan korroosio- ja hapettumiskestävyyttä. Nämä ovat tämän prosessin merkittävimpiä etuja. Ionilähteenä voivat olla B-, C- ja N-tyyppiset ei-metalliset ionit, mutta myös Zr-, Mo- ja Re-tyyppiset metalli-ionit. Epämetallisten ionien injektoinnin osalta, kun B-, C- tai O-ioneja injektoidaan titaaniseoksen pinnalle, muodostuu vastaavia kovia yhdisteitä (TiB, TiC, TiO), mikä parantaa materiaalin pintakovuutta ja kulutuskestävyyttä. Luo Yong ja muut tutkijat injektoivat N³⁻-ioneja matriisin pinnalle materiaalin mekaanisten ominaisuuksien parantamiseksi. Syntynyt TiN-ohutkalvo paransi titaaniseoksen pinnan mikrokovuutta merkittävästi: keskimääräinen kovuus nousi lähes 251 TP3T, ja kulutuskestävyys oli 2,5-kertainen titaaniseoksen matriisiin verrattuna.

1.2 Kemiallinen pinnoitus

Elektroditon pinnoitus, jota kutsutaan myös autokatalyyttiseksi pinnoitukseksi, on kemiallinen pinnoitusmenetelmä, jossa hyödynnetään pinnoitusliuoksessa olevia pelkistimiä, ja metallin itsestään ilmenevää autokatalyyttistä vaikutusta hyödyntämällä, jossa ilman ulkoista virtaa vapaat metallionit pelkistyvät metalliksi ja kerrostuvat tasaisesti pinnoitettavan osan pinnalle. Nykyään titaaniseosten kulutuskestävyyden parantamisessa kemiallinen pinnoitus on kehittynyt alkuperäisestä yksittäisestä nikkelin (Ni) kemiallisesta pinnoituksesta monipuoliseksi pintakäsittelymenetelmäksi, joka kattaa useita metalleja, seoksia ja yhdistelmäpinnoituksia, kuten kuparin (Cu), hopean (Ag), kullan (Au) ja tinan (Sn) kemiallisen pinnoituksen. Yhdistelmäkemiallisessa pinnoituksessa alkuperäiseen pinnoitusliuokseen lisätään Al₂O₃:n, Cr₂O₃ ja SiC, jotka ulkoisen voiman vaikutuksesta saostuvat yhdessä metallin kanssa, jolloin saadaan aikaan pinnoite, jonka mekaaniset ominaisuudet ovat paremmat kuin ilman hiukkaslisäystä.

Kuva: Internet

Ensinnäkin Madar ym. tekivät kokeilun, jossa he yrittivät käyttää kemiallista pinnoitustekniikkaa Ni–P – polytetrafluorieteeni (PTFE) -komposiittipinnoitteen valmistamista titaaniseoksen pinnalle. He tutkivat useita tekijöitä, kuten pinnoitusliuoksen pitoisuutta, lämpötilaa ja pinta-aktiivisten aineiden pitoisuutta, sekä näiden tekijöiden vaikutusta pinnoitteen muodostumiseen. Samalla he tutkivat näytteiden kitka- ja kulumisominaisuuksia. Lopulliset tulokset osoittivat, että Ni–P:n ja PTFE:n yhteispinnoitus alentaa merkittävästi pinnoitteen kitkakerrointa, vähentää kulumista ja parantaa voiteluominaisuuksia.

Pinnoitusmenetelmistä kemiallinen pinnoitus eroaa galvaanisesta pinnoituksesta siinä, yhtenäisempi ja tiheämpi, eivät vaadi ulkoista virtalähdettä, ovat prosessiltaan yksinkertaisia, ja niillä voidaan kerrostuttaa pinnoitteita muovin kaltaisille ei-johtaville materiaaleille. Lisäksi kemiallinen pinnoitus aiheuttaa vähemmän saastetta ja on kustannuksiltaan edullisempaa. Nykyään kemiallinen pinnoitus on laajalti käytössä ilmailu- ja avaruusteollisuudessa, autoteollisuudessa, konepajateollisuudessa sekä erilaisissa kemianteollisuuden aloilla, koska sillä voidaan valmistaa pinnoitteita, joilla on hyvä korroosion- ja kulutuskestävyys.

1.3 Laserpinnoitus

On olemassa eräs pintakäsittelytekniikka, jota kutsutaan laserpinnoitustekniikaksi. Tämä tekniikka yhdistää lasertekniikan ja metallien lämpökäsittelytekniikan. Tekniikassa pohjamateriaalin pinnalle levitetään tai kiinnitetään etukäteen jauhemaista materiaalia tai jauhe ja lasersäde syötetään samanaikaisesti, Sen jälkeen materiaalin pintaa säteilytetään korkean energiatiheyden laserilla, jolloin jauhemateriaali sulaa ja muodostaa lopulta pohjametallin pinnalle hyvän metallurgisen sidospinnan. Koska laserpinnoituksen aikana pohjamateriaalia sulaa vain hyvin vähän, menetelmällä ei ole käytännössä lainkaan vaikutusta pohjamateriaalin ominaisuuksiin. Tähän mennessä laserpinnoituksella titaaniseosten kulutuskestävyyttä parantavia materiaaleja on ollut vain vähän. Yleisimmin käytettyjä ovat kovat keraamit (kuten SiC, TiC, Al₂O₃, TiN ja TiB₂ jne.), nikkelipohjaisia itsesulavia seoksia sekä keraamisten ja metalliseosten yhdistelmiä. Näistä yksittäisten kovakeraamisten materiaalien laserpinnoituksella muodostuva pinnoitekerros on liian hauras, eikä se sovi yhteen titaaniseoksen lämpölaajenemiskertoimen kanssa, mikä aiheuttaa erittäin suuria jäännösjännityksiä, jotka voivat helposti johtaa pinnoitteen halkeilemiseen tai jopa pinnoitekerroksen irtoamiseen. Tästä syystä keraamisten ja metalliseosten yhdistelmiä käytetään usein titaaniseosten kulutuskestävyyden parantamiseen, ja metalliseosten osalta käytetään useimmiten itsesulavia metalliseoksia.

Weng ym. käsittelivät TC4-titaaniseoksen pintaa laserpinnoitusmenetelmällä käyttäen eri pitoisuuksia SiC:tä. Koko pinnoitusprosessin aikana SiC reagoi substraatin kanssa muodostaen TiC:tä, ja tämän TiC-reaktiotuotteen muodostuminen paransi merkittävästi titaaniseoksen kovuutta ja kulutuskestävyyttä. Kokeiden tulokset osoittivat, että titaaniseoksen SiC-laserpinnoituksen jälkeen pinnoitteen kovuus oli 1200 HV, mikä on yli kolme kertaa perusmetallin kovuus, ja pinnoitteen kulutuskestävyys parani 18,4–57,4-kertaiseksi; Lisäksi SiC-pitoisuuden kasvaessa (pitoisuus alle 20%, massaprosentteina laskettuna) pinnoitteen kovuus nousi asteittain 1300–1600 HV:iin, ja sen kulutuskestävyys parani entisestään.

1.4 Lämpösuihkutus

Tiettyä lämmönlähdettä käytetään ruiskutettavan materiaalin lämmittämiseen, ja kun ruiskutettava materiaali saavuttaa juoksevan tilan, se kiihdytetään liekin virtauksen avulla, ja saapuu sitten roiskumalla aiemmin käsitellyn alustan pinnalle, jossa se kerrostuu muodostaen tiettyjä ominaisuuksia omaavan pinnoitteen. Tätä menetelmää kutsutaan lämpösuihkutukseksi. Titaaniseosten kulutuskestävyyden parantamisessa käytettävät ruiskutusmateriaalit sisältävät yleensä ei-metallisia materiaaleja, kuten nikkelipäällystettyä grafiittia, alkuaineita kuten alumiinia (Al) ja nikkeliä (Ni) sekä seosmateriaaleja kuten TiN:ää. Kuumaruiskutuksen jälkeen pinnoite on tasainen alusmateriaalin rajapinnalla ja kiinnittyy siihen suhteellisen hyvin, ja välittömästi sen jälkeen tapahtuvassa korkean lämpötilan hapetusprosessissa ruiskutusmateriaalit ja substraatti diffundoituvat toisiinsa, jolloin muodostuu metallurgisesti sidottu diffuusiokerros, joka parantaa kulutuskestävyyttä huomattavasti. Huang ym. ovat aiemmin esittäneet, että titaaniseoksen pinnalle suoritettu alumiinipinnoitus kuumasuihkutuksella voi muodostaa suojaavan kerroksen substraatin pinnalle. Tämä kerros on kuitenkin kylmässä kovettunut ja hauras, ja lämpölaajenemiskertoimien eroista johtuen se on altis irtoamiselle.

1.5 Fysikaalinen kaasufaasipinnoitus

Kyseessä on tekniikka, jossa tyhjiöolosuhteissa hyödynnetään fysikaalisia menetelmiä, jossa materiaalilähde, eli kiinteän tai nestemäisen aineen pinta, höyrystetään kaasumaisiksi atomeiksi ja molekyyleiksi tai osittain ionisoidaan, minkä jälkeen ne kuljetetaan substraatin pinnalle, jossa ne muodostavat kiinteän kalvon. Tätä kutsutaan fysikaaliseksi kaasufaasipinnoitustekniikaksi. Fysikaalinen kaasufaasipinnoitustekniikka kattaa pääasiassa höyrystämisen, sputteroinnin ja ionipinnoituksen, ja sen avulla voidaan valmistaa sekä metallikalvoja että yhdistekalvoja.

Fysikaalisessa kaasufaasipinnoitustekniikassa sputterointi ja ionipinnoitus ovat kaksi yleistä menetelmää; molemmilla on omat etunsa: ionipinnoituksella on hyvät sitkeysominaisuudet, korkea ionienergia ja suuri tarttuvuus, mutta sen avulla valmistetuissa kalvoissa esiintyy helposti sulatippojen kaltaisia virheitä; Puhumattakaan sputteroinnin eduista, joita ovat alhainen käyttölämpötila, kalvon koostumuksen hallittavuus, materiaalin vähäinen muodonmuutos sekä laaja valikoima käytettävissä olevia pinnoituskohteita; kalvon kerrostumisnopeus on kuitenkin suhteellisen hidas; Xi Yuntao ja muut tutkijat valmistivat magneettikontrolloidulla sputteroinnilla ja ionipinnoituksella TiN-kalvon TC4-titaaniseoksen pinnalle ja vertasivat niiden kitka- ja kulumisominaisuuksia. Lisäksi he vertasivat näiden kalvojen kitka- ja kulumisominaisuuksia keskenään. Tulokset osoittivat, että monikaari-ionipinnoituksella saatu TiN-kalvo paransi TC4-titaaniseoksen pinnan kulutuskestävyyttä, samoin kuin magneettisesti ohjattu sputterointi, mutta monikaari-ionipinnoituksella saadun kalvon ominaisuudet olivat parempia.

Yhteenvetona voidaan todeta, että vaikka yksittäisen titaaniseoksen pinnan kulutuskestävyyden parantamistekniikka pystyy parantamaan titaaniseoksen mikrokovuutta ja kulutuskestävyyttä melko merkittävästi, joitakin puutteita ei voida välttää. Esimerkiksi ionipistotekniikalla muodostuvan pistokerroksen paksuus on liian ohut, vain mikrometrin luokkaa, mikä rajoittaa sen soveltuvuutta. Samalla myös näytteiden koosta on tiettyjä rajoituksia. Kemiallisen pinnoitteen tarttuvuus emäsmateriaaliin on heikko, pinnoite on ohut ja siinä esiintyy helposti vetyhaurautta. Laserpinnoitustekniikan prosessiparametrien hallinta on melko monimutkaista, ja pinnoitekerrokseen syntyy helposti halkeamia ja huokosia. Kuumapuhallustekniikka ei sovellu korkeita lämpötiloja kestämättömien substraattien käsittelyyn, ja sillä saadun pinnoitteen tarttuvuus on heikko, huokoisuus suuri ja tasaisuus huono. Seuraavassa esiteltävät komposiittitekniikat voivat auttaa korjaamaan edellä mainittuja puutteita.

2. Titaaniseosten kulutuskestävän pintakäsittelytekniikka

Tällä hetkellä, jatkuvasti kasvavien teollisten tarpeiden vauhdittamana, monikerrospinnoitustekniikka korvaa vähitellen yksikerrospinnoitustekniikan. Mikrokaarihapetus, jota kutsutaan myös mikroplasmaoksidoinniksi, on tekniikka, jolla kevytmetallien (Al, Mg, Ti) ja niiden seosten pinnoille voidaan korkean jännitteen, suuren virran ja hetkellisen korkean lämpötilan avulla tuottaa keraaminen kerros, jolla on hyvät metallurgiset ominaisuudet. Keraamisen kerroksen pääasiallinen koostumus on matriisista paikan päällä kasvatettuja oksideja, ja myös elektrolyytin ainesosia lisätään mikrokaarihapetuskalvoon. Mikrokaarihapetusprosessin sähköiset parametrit, kuten liuoksen koostumus, jännite ja virta, käyttöaste sekä pulssitaajuus, vaikuttavat merkittävästi mikrokaarihapetuskalvon muodostumiseen ja mikrorakenteeseen. Tämän menetelmän prosessi on turvallinen, helppo käyttää ja liuokset ovat ympäristöystävällisiä. Samalla sillä on monia etuja, joita muut käsittelymenetelmät eivät pysty tarjoamaan, kuten tasainen ja tiivis pinnoite sekä vähäiset rajoitukset työkappaleen koon suhteen.

Titaaniseoksen mikrokaarihapetuskalvolla on korkea kovuus, ja sen kiinnittymislujuus alustaan on myös suuri; lisäksi se on korroosio- ja kulutuskestävää. Sen kalvon pinta on kuitenkin melko karkea ja huokoinen, ja kitkakerroin on suhteellisen suuri. Tämä heikentää pinnoitteen kulutuskestävyyttä, lyhentää hapettumispinnoitteen käyttöikää ja haittaa titaaniseoksen käyttöä kulutukselle alttiissa olosuhteissa. Tällä hetkellä Venäjän tiedeakatemian tutkimuslaitokset ovat käynnistäneet lukuisia hankkeita titaaniseoksen mikrokaarihapetuskalvon tällaisten puutteiden korjaamiseksi, kun taas Kiinassa kiinnostus asiaan on vasta alkamassa. Tässä artikkelissa keskitytään esittelemään mikrokaarihapetustekniikkaan perustuvia yhdistelmäkäsittelytekniikoita, joissa yhdistetään sulkemismenetelmä, alumiinipinnoitus, pulssielektronisuihku- ja hydrotermiset menetelmät sekä elektrolyyttinen pinnoitus.

2.1 Mikrokäyräoksidointi + huokosten sulkeminen

Koska titaaniseoksen mikrokaarihapetuskalvon pinta on huokoinen ja rakoinen, jotkut tutkijat ovat yrittäneet fyysisten, kemiallisten tai sähkökemiallisten menetelmien avulla täyttää mikrokaarihapetuskalvon huokoset voiteluaineilla, jotta saavutettaisiin itsevoiteleva vaikutus. Näistä polytefloni eli PTFE:llä on erinomainen lämpöstabiilisuus ja se on kemiallisesti erittäin stabiili monenlaisissa ympäristöissä, minkä vuoksi se on ihanteellinen materiaali itsestään voitelevien pintojen toteuttamiseen.

Zhao Hui ja muut täyttivät PTFE-hiukkaset titaaniseoksen mikrokaarihapetuskalvon huokosiin ja suorittivat kovettamiskäsittelyn, jolloin valmistettiin PTFE-komposiittinen itsevoitelukalvo. Huokosten sulkemisen jälkeen skannauselektronimikroskoopilla (SEM) tehdyt havainnot osoittivat, että komposiittikalvon huokoset olivat vähentyneet merkittävästi, ja pinnan rakenne muuttui tasaisemmaksi. Heti tämän jälkeen suoritetuissa kitka- ja kulumiskokeissa mikrokaarihapetuskalvon kitkakerroin oli noin 0,4, kun taas huokosten sulkemiskäsittelyn läpikäyneen komposiittikalvon kitkakerroin oli vain 0,15. Du Nan ym. lisäsivät mikrokaarihapetuksen elektrolyyttiin pieniä määriä Cr₂O₃-hiukkasia, ja huokosten sulkemismenetelmän avulla myös titaaniseoksen mikrokaarihapetuksen komposiittikalvon kulutuskestävyys parani. Tällä hetkellä sulkemismenetelmässä käytettävät sulkemisaineet ovat pääosin eristäviä orgaanisia yhdisteitä, minkä vuoksi niiden soveltaminen johtaviin materiaaleihin on melko rajoitettua. Samalla sulkemismenetelmällä monimutkaisten ja suurikokoisten osien käsittely vie paljon aikaa, ja pinnoitteen tasainen levittäminen koko pinnalle on vaikeaa.

2.2 Mikrokaarihapetus + hydroterminen menetelmä

Hydrotermisessä menetelmässä suljetussa astiassa, joka sisältää reaktioväliainetta, astiaa lämmitetään jatkuvasti lämmönlähteellä, jolloin astian sisälle saavutetaan korkea lämpötila ja paine. Korkean lämpötilan ja paineen vaikutuksesta vaikeasti liukenevat tai liukenemattomat aineet liukenevat ja kiteytyvät uudelleen. Jne. tutkivat TC4-titaaniseoksen mikrokaarihapetuksen ja hydrotermisen tekniikan yhdistelmällä modifioidun kalvon kulutuskestävyyttä. Mikrokaarihapetuksella käsiteltyyn kalvoon verrattuna yhdistelmäkalvo sisältää hydroksifosforiittia sisältävän TiO₂-kerroksen. Kun kitkaa testattiin 1 N:n kuormituksella ja 6,5 cm/s:n nopeudella, komposiittikäsittely alensi kalvon kitkakerrointa 0,6:sta 0,4:ään ja kulumisnopeutta 0,25:stä 0,18:aan, mikä paransi merkittävästi kalvon kulutuskestävyyttä. Komposiittikalvon kulutuskestävyys kuitenkin heikkenee suurilla kuormituksilla, joten sitä ei voida käyttää suurten kuormitusten olosuhteissa.

2.3 Mikrokarkaisu + pulssielektronisuihku

Pulssielektronisuihku eli HCPEB-pintakäsittelytekniikka perustuu suurinopeuksisiin elektroneihin, jotka siirtävät energiaa materiaalin pinnalle erittäin lyhyessä ajassa, mikä puolestaan aiheuttaa joukon ilmiöitä, Nämä ilmiöt kattavat sulamisen, tiivistymisen, höyrystymisen, lujittumisen sekä diffuusion ja muita prosesseja, joiden avulla saavutetaan fysikaalisia, kemiallisia ja mekaanisia ominaisuuksia, joita on vaikea saavuttaa muilla lämpökäsittelymenetelmillä. Komposiittisen modifiointikerroksen valmistus tapahtuu HCPEB-menetelmällä titaaniseoksen mikrokaarihapetuskalvon päällä, mikä kuuluu pinnoitteen uudelleen sulatuksen piiriin, eli ensin valmistetaan mikrokaarihapetuspinnoite, jonka jälkeen hapetuskalvoon kohdistetaan HCPEB-käsittely ja suoritetaan elektronisuihkun uudelleen sulatus. Näiden toimenpiteiden avulla voidaan parantaa kalvon tasaisuutta ja tiiviyttä, hienontaa sen rakeisuutta, vahvistaa kalvon ja alustan välistä tarttuvuuslujuutta sekä antaa kalvolle kulutuskestävyyttä ja korroosionkestävyyttä.

Du Chunyan käsitteli titaaniseoksen mikrokaarihapetuskalvoa HCPEB-menetelmällä. SEM-havaintojen perusteella havaittiin, että käsitellyn mikrokaarihapetuskalvon huokoset ja hiukkaset olivat selvästi kadonneet, kovuus saavutti jopa 1695 HV:n ja hiukkaskulumisen merkit olivat lieventyneet. Komposiittikalvon pinnalla ja poikkileikkauksessa esiintyi kuitenkin tiettyjä halkeamia, mikä heikensi kalvon tarttuvuuslujuutta. Samalla HCPEB-menetelmä asettaa melko korkeat vaatimukset mikrokaarihapetuskalvon pinnan karheudelle. Tällä hetkellä HCPEB- ja MAO-menetelmien yhdistämistä koskevia esimerkkejä on vain vähän, ja aiheesta on tehty vain vähän tutkimusta.

2.4 Mikrokaarihapetus + alumiinipinnoitus

Titaaniseokset ja alumiiniseokset kuuluvat molemmat venttiilimetalleihin, ja niillä on alhainen tiheys ja korkea suhteellinen lujuus, ja niitä käytetään monilla samankaltaisilla aloilla, ja niiden käyttöosuus venttiilimetallien joukossa on suuri. Niillä onkin melko paljon samankaltaisia ominaisuuksia, mutta mikrokaarihapetuksen jälkeen niihin muodostuvilla oksidikerroksilla on todellakin huomattavia eroja ominaisuuksiltaan. Titaaniseosten mikrokaarihapetuksen tuloksena muodostuvan kalvon pääasialliset alkuaineet ovat TiO₂ (rutilin ja anatasiin muodot); alumiiniseosten mikrokaarihapetuksen pääasialliset tuotteet ovat puolestaan Al₂O₃ (α-Al₂O₃ ja γ-Al₂O₃ -muodot). Al₂O₃:n kovuusarvo on välillä 1200–1800 HV, mikä on huomattavasti korkeampi kuin TiO₂:n kovuusarvo, joka on välillä 550–1050 HV; Samalla TiO₂:n sitkeys on puutteellista, kun taas γ-Al₂O₃:lla on korkea rakenteellinen lujuus ja sitkeys. Siksi kovuuden ja kulutuskestävyyden osalta titaaniseosten mikrokaarihapetuskalvot eivät pärjää alumiiniseosten mikrokaarihapetuskalvoille.

Jos alumiinipinnoitustekniikka ja mikrokaarihapetustekniikka voitaisiin yhdistää sopivalla tavalla ja valmistaa niistä komposiittipinnoite, joka tuo esiin ja hyödyntää molempien tekniikoiden omat edut, voitaisiin tällä tavoin merkittävästi parantaa titaaniseoksen mikrokaarihapetuksen jälkeisiä ominaisuuksia, kuten kulutuskestävyyttä. Samalla tämä laajentaisi titaaniseoksen tulevia käyttömahdollisuuksia ilmailu- ja avaruusteollisuudessa.

Alumiinipinnoitteella on erinomaiset ominaisuudet, sen valmistusmenetelmät ovat monipuolisia, sen taloudelliset edut ovat huomattavat ja alumiinin (Al) raaka-ainevarannot ovat erittäin runsaat, minkä vuoksi se on aina ollut pinnoitteiden modifiointitekniikan tutkimuksen keskiössä. Tällä hetkellä titaaniseosten mikrokaarihapetuskalvojen pinnoittamiseen käytettävät alumiinipinnoitusmenetelmät ovat monipuolisia. Yleisimpiä mikrokaarihapetukseen yhdistettyjä alumiinipinnoitustekniikoita ovat pääasiassa kuumakastelu, monikaari-ionipinnoitus sekä magneettisesti ohjattu alumiinisputterointi.

2.4.1 Mikrokarkaisu + magneettisesti ohjattu alumiinipinnoitus

Ouyang Xiaoqin ja muut suorittivat aluksi alumiinin sputterointipinnoituksen TC4-titaaniseoksen pinnalle. Sputterointipinnoituksen kesto asetettiin 2,5 tunniksi, ja sen jälkeen pinnoitteelle tehtiin mikrokaarihapetus, mikrokaarihapetuksen kesto oli 30 minuuttia, ja virrantiheys määritettiin 5 A/dm²:ksi. TC4-perusmetallin mikrokaarihapetuskalvon ja sputteroidun alumiinipinnoitteen mikrokaarihapetuskalvon mekaanisia ominaisuuksia verrattiin toisiinsa, ja tulokset osoittivat, että: TC4-titaaniseoksen kovuus on yleensä noin 360 HV. Mikrokaarihapetuksen jälkeen titaaniseoksen kovuus on noussut 1,69-kertaiseksi verrattuna perusmetallin kovuuteen, kuitenkin mikrokaarihapetuskäsittelyllä muodostuneen komposiittipinnoitteen kovuus on noussut yli 1700 HV:iin, ja samalla kitkakerroin on muuttunut: alkuperäinen arvo 0,38 on laskenut 0,25:een. Lisäksi tarttuvuusanalyysi osoittaa, että MSD/MAO-yhdistelmäkäsittelyn läpikäyneen pinnoitteen tarttuvuus on parempi kuin pelkän titaaniseoksen mikrokaarihapetuspinnoksen.

2.4.2 Mikrokarkaisu + kuumakastelu alumiinilla

Kun titaaniseoksen pinnalle suoritetaan kuumakastelu alumiinilla, sulan alumiinin keskellä titaaniseoksen matriisin pinnalla tapahtuu sarja reaktioita, joihin kuuluu nestemäisen alumiinin diffuusio titaaniseoksen matriisiin sekä niiden välinen vuorovaikutus. Korkean lämpötilan diffuusiokäsittelyn jälkeen metallipinnalle muodostuu titaani-alumiiniseoskerros, jolla on suuri kovuus ja korkean lämpötilan kestävyys. Yhdistämällä tämän menetelmän mikrokaarihapetustekniikkaan voidaan titaaniseoksen pinnalle valmistaa monikerroksinen komposiittikalvo, jonka siirtymäalueen ansiosta kalvon tarttuvuus paranee huomattavasti ja pinnoitteen kokonaisominaisuudet vahvistuvat merkittävästi.

Hu ym. suorittivat mikrokaarihapetuskäsittelyn puhtaalle titaanille, jota oli kuumakastettu alumiinilla 2 minuutin ajan. Virrantiheys oli seuraavissa tilanteissa: positiivinen suunta 10 A/dm², negatiivinen suunta 5 A/dm², ja käsittelyajat olivat vastaavasti 10 minuuttia, 20 minuuttia, 30 minuuttia ja 40 minuuttia, Lopulta saatu pinnoite osoitti selkeän kerrostuneen rakenteen, jossa ulkokerros oli huokoinen ja sisäkerros tiivis. Mikrokaarihapetuksen keston pidentyessä hapetekerroksen paksuus kasvoi jatkuvasti, ja pinnoitteen karheus pysyi välillä 1,0–1,2; 30 minuutin kohdalla komposiittipinnoitteen karheus oli noin 1,1, pinnan mikrokovuus 750 HV, kitkakerroin noin 0,2 ja kulumisnopeus 0,39; 40 minuutin kohdalla saavutettiin suurin pinnoitteen kovuus ja paras kulutuskestävyys: keskimääräinen kovuusarvo oli 820 HV, kitkakerroin noin 0,3 ja kulumisnopeus vain 0,29 × 10⁻⁴. Wu Yuan hyödynsi kuumakastelualuminointitekniikkaa muodostaakseen TC4-titaaniseoksen pinnalle titaani-alumiini-metallivälisen yhdistekerroksen, minkä jälkeen suoritettiin mikrokaarihapetus, jolloin saavutettiin matriisi/TiAl₃-seos/keraaminen kalvo -rakenteinen gradienttikomposiitti; Täydet 40 minuuttia kestäneen mikrokaarihapetuskäsittelyn jälkeen pinnan mikrokovuus saavutti arvon 980 HV, mikä on noin nelinkertainen perusmateriaalin kovuuteen verrattuna; Objektiivisissa olosuhteissa, joissa kuormitus oli 50 N ja pyörimisnopeus 60 r/min, komposiittikalvon kulumisaste oli vain neljäsosa matriisin kulumisasteesta, ja keskimääräinen kitkakerroin laski matriisin 0,45:stä arvoon 0,25.

Nykyään kuumakastelu-alumiinipinnoitusmenetelmä on jo vakiintunut, mutta siihen liittyy edelleen haittoja, kuten korkeat kustannukset ja ympäristön pilaantuminen. Lisäksi pinnoitusliuoksen huono juoksevuus vaikeuttaa sen täydellistä tunkeutumista monimutkaisen rakenteen omaaviin työkappaleisiin. Alumiinin diffuusiotekniikan jatkuvan kehityksen myötä uudet menetelmät, kuten elektroforeettinen diffuusioruiskutus, tyhjiöliuosseosdiffuusio, lämpösuihkutusdiffuusio ja tyhjiöhöyrystys, ovat vähitellen alkaneet korvata kuumakastelualumiinipinnoituksen ja otettu käyttöön.

2.4.3 Mikrokäyräoksidointi + monikäyräionipinnoitus alumiinilla

Ionipinnoitustekniikoihin kuuluu monikaari-ionipinnoitus, jota käytetään laajalti leikkuutyökaluissa ja jolla on saavutettu hyviä tuloksia. Tällä menetelmällä pinnoitteen muodostuminen on nopeaa, pinnoitteen tiheys on korkea ja pinnoitteen ja alustan välinen tarttuvuus on vahva, mikä parantaa merkittävästi pinnoitteen tarttuvuutta. Yhdistämällä mikrokaarihapetus ja monikaari-ionipinnoitus -tekniikat voidaan parantaa komposiittipinnoitteen kulutuskestävyyttä.

TC4-titaaniseoksen pinnalla Bu Tong ja muut suorittivat ensin monikaari-ionipinnoituksen alumiinilla, minkä jälkeen he toteuttivat mikrokaarihapetuksen ja tutkivat erilaisia alumiinipinnoitusmenetelmiä, tutkiakseen niiden vaikutusta komposiittisen oksidikalvon kulutuskestävyyteen ja korroosionkestävyyteen. Menetelmät keskittyivät pääasiassa käsittelylämpötilaan, eli 25 °C:een ja 250 °C:een, sekä substraatin esijännitteeseen, eli -200 V:iin ja -300 V:iin. Näissä olosuhteissa monikaari-ionipinnoituksen kesto oli 20 minuuttia, kun taas mikrokaarihapetuksen kesto oli ja virrantiheys 6 A/dm². Tutkimuksen tulokset osoittivat, että negatiivisen jännite-eron kasvaessa ja käsittelylämpötilan noustessa molemmat tekijät parantavat pinnoitteen ominaisuuksia. Näin ollen olosuhteissa 250 °C ja -300 V mikrokäyräoksidoinnilla muodostettu oksidikalvo saavutti parhaat kulutuskestävyys- ja korroosionkestävyysominaisuudet: sen kitkakerroin oli 0,801 ja kitkakulumisen tilavuus vain 0,042 m³; pisarakokeessa värimuutosta havaittiin vasta 34,47 minuutin kuluttua. Tällä hetkellä monikaari-ionipinnoitus ja mikrokaarihapetuksen yhdistelmätekniikka ei ole vielä täysin kehittynyt, mutta sillä on tiettyjä teknisiä etuja kulutuskestävyyden parantamisen osalta. Yhdistelmäprosessin jatkuvan optimoinnin myötä titaaniseosten pintojen kulutuskestävyys tulee edelleen parantumaan.

3. Yhteenveto ja tulevaisuuden näkymät

(1) Titaaniseosten kulutuskestävyyttä parantavien pintakäsittelytekniikoiden joukossa mikrokaarihapetustekniikalla on useita etuja, joihin kuuluvat suhteellisen alhainen käsittelylämpötila, laitteiston yksinkertainen rakenne sekä ympäristöystävällinen liuos. saatu pinnoite on tasainen ja tiivis sekä työkappaleen koon ja muodon asettamat rajoitukset ovat vähäiset. Näiden ominaisuuksien ansiosta tekniikalla on merkittäviä teknisiä etuja.

(2) Jos mikrokaarihapetusta yhdistetään muihin tekniikoihin, voidaan parantaa pelkästään mikrokaarihapetuksella valmistetun pinnoitteen ominaisuuksia sekä kulutuskestävyyden että korroosionkestävyyden osalta. Siksi yhdistelmätekniikka edustaa titaaniseosten kulutuskestävyyden parantamisen tulevaisuuden kehityssuuntausta.