Titaanseosten pintakäsittelyn kattava opas: 4 päämenetelmää + 5 pinnoitteen vahvistusratkaisua – ratkaisu teollisuuden ongelmiin yhdellä artikkelilla

Titaani jatitaaniSe on erittäin luja, erittäin kevyt ja korroosionkestävä, ja sitä käytetään laajalti muun muassa elektroniikka- ja ilmailu- ja avaruusteollisuudessa. Niillä on kuitenkin joitakin haittoja, kuten huono kulutuskestävyys, herkkyys tarttuvalla kulumiselle, yksitoikkoinen pintaväri, taipumus juuttua kiinni, heikko hitsattavuus jne. Nämä puutteet rajoittavat niiden ominaisuuksien täysimääräistä hyödyntämistä. Näiden haittojen voittamiseksi titaania ja titaaniseoksia onpintakäsittelytulee ratkaisevaksi tekijäksi.

Titaani on reaktiivinen metalli, mutta sillä on erittäin vahva affiniteetti ilman happeen ja typpeen, minkä vuoksi sen pinnalle muodostuu erittäin helposti tiheä passivointikalvo. Tämän vuoksi titaani ja sen seokset osoittavat yleensä vakaita ominaisuuksia. Tämä passivointikalvo aiheuttaa kuitenkin ongelmia tietyissä käyttötilanteissa. Esimerkiksi silloin, kun titaanin pintaa on tarpeengalvaniseKun pintaa pyritään parantamaan, passivointikalvon läsnäolo haittaa galvanointiprosessin etenemistä, eikä metallipinnoitetta, jolla olisi erinomainen tarttuvuus, voida saada aikaan. Vaikka passivointikalvo poistettaisiin, titaani muodostaa nopeasti uuden kalvon happipitoisissa väliaineissa, kuten vesiliuoksissa ja ilmassa. Siksi pintakäsittely on erityisen tärkeää, jotta titaanin ja titaaniseosten käyttöalaa voidaan laajentaa ja niiden kokonaisominaisuuksia parantaa.

I. Yleisiä pintakäsittelymenetelmiä

galvanise

Galvanointi on prosessi, jossa elektrolyysin avulla muodostetaan substraatin pinnalle haluttuja ominaisuuksia omaava metallikalvo. Tämä prosessi suojaa hapettumiselta ja korroosiolta, parantaa sähkönjohtavuutta ja kulutuskestävyyttä sekä parantaa valmistettujen osien ulkonäköä.

Titaanin ja titaaniseosten alalla voidaan galvanoinnin avulla levittää erilaisia toiminnallisia pinnoitteita erilaisten tarpeiden täyttämiseksi. Esimerkiksi, kun seoksen pinnalle galvanoidaan sopivan paksuinen nanotason puhdasta nikkeliä, pinnan kovuus ja kulutuskestävyys paranevat huomattavasti. Titaanisiipien ja kompressorin levyjen osalta hopea- tai kuparipinnoitus voi selvästi lieventää niiden pintakuntoa korkeissa lämpötiloissa ja kuormitustilanteissa sekä estää tarttumista, jumittumista ja mikrovärähtelykorroosiota.

Kuten edellä mainittiin, titaanin pinnalla oleva passivointikalvo aiheuttaa kuitenkin suuria vaikeuksia galvanoinnille. Tämän ongelman ratkaisemiseksi voidaan käyttää useita menetelmiä. Yksi niistä on lisätä metallianodien aktivointiainetta nikkelisulfaattielektrolyyttiin ja suorittaa ensin TC11-elektrodille elektrokemiallinen aktivointi anodipulssivirran avulla, jolloin se aktivoituu ja liukenee, minkä jälkeen se muuttuu katodiksi elektrolyyttisen pinnoituksen suorittamista varten, tällä tavoin titaaniseoksen pinnalle saadaan kerrostettua vahvasti kiinnittyvä nikkelipinnoite.

Toiseksi titaaniseosnäytteet rasvattiin, minkä jälkeen ne upotettiin fluorivetyhapon ja dimetyylikarbamidin seokseen 10 minuutin ajaksi. Kun reaktio oli edennyt riittävästi, muodostui harmaamusta kalvo, Tämän jälkeen suoritetaan kuparin galvanointi suoraan tämän kalvon päälle. Tarttuvuuskoe osoitti, että saadun pinnoitteen tarttuvuus on hyvä, eikä pinnoituksen jälkeistä lämpökäsittelyä tarvita.

mikrokaarihapetus

Mikrokaarihapetus on tekniikka, jossa erityisen elektrolyytin ja tiettyjen sähkökemiallisten parametrien yhdistelmän avulla saavutetaan tietty vaikutus alumiinin pinnalla sekä titaanin, magnesiumin ja zirkoniumin kaltaisilla metallien ja niiden seosten pinnalla. Menetelmä perustuu mikrokaari-kipinän purkautumisen tuottamaan hetkelliseen korkeaan lämpötilaan ja paineeseen, mikä puolestaan mahdollistaa in situ -ilmiön syntymisen suoraan metallin pintakerroksessa ja johtaa edellä mainitun keraamisen ulkonäön omaavan ohutkalvon muodostumiseen.

Kyseinen pinnoite koostuu pääasiassa metallioksidista, ja se on sitoutunut metallimatriisiin metallurgisesti; tämän sidoksen lujuus on erittäin korkea, jopa satoja megapaskaleja. Lisäksi pinnoitteella on hyvä lämpöstabiilisuus, eikä se irtoa äkillisten lämpötilanmuutosten vuoksi. Sen sähköeristyskyky on erinomainen, paksuus voi olla jopa useita satoja mikrometrejä, ja se on kovaa, minkä ansiosta se parantaa huomattavasti titaanin korroosionkestävyyttä, kulutuskestävyyttä ja lämpöshokinkestävyyttä.

Lisäksi sopivan mikrokaarihapetuskäsittelyn avulla voidaan saada aikaan titaanin ja sen seosten pinnalle keraaminen kalvo, jolla on suhteellisen korkea biologinen aktiivisuus. Muuttamalla prosessiparametreja, ottamalla käyttöön ulkoisen kentän apukeinoja ja lisäämällä elektrolyyttiin tiettyjä kolloidisia hiukkasia voidaan säätää mikrokaarihapetuskalvon mikrorakennetta ja ominaisuuksia, jolloin kalvon toiminnallinen suunnittelu voidaan toteuttaa.

Esimerkiksi elektrolyyttiin lisätään kaliumpermanganaattia, minkä jälkeen suoritetaan mikrokäyräoksidointi. Tällä tavalla voidaan valmistaa erittäin korroosionkestävä ja antibakteerinen pinnoite, jota voidaan kutsua mangaanilla seostetuksi TiO₂-pinnoitteeksi. Tällä tekniikalla on erittäin laajat sovellutusmahdollisuudet muun muassa ilmailu- ja avaruusteollisuudessa, biolääketieteessä, sisustuksessa ja merenkulussa, mikä laajentaa merkittävästi titaanipohjaisten metallien käyttöalueita.

Elektroforeettinen pinnoite

Ensinnäkin, elektrolyyttipinnoituksesta: kyseessä on prosessi, jossa työkappale ja vastaava elektrodi sijoitetaan elektrolyyttiliuokseen, minkä jälkeen niihin kohdistetaan ulkoinen sähkökenttä, joka saa hiukkaset liikkumaan suunnatusti, minkä jälkeen hiukkaset saostuvat ja kerrostuvat tasaisesti työkappaleen pinnalle muodostaen liukenemattoman maalikalvon. Menetelmällä on useita etuja, kuten myrkyttömyys, vesiliukoisuus ja helppo automatisointi. Se kehittyy nopeasti metallipintojen käsittelyn alalla, ja sen sovellusalue on laaja, kattaen muun muassa polkupyörät, autot, biolääketieteen, silmälasit, korut ja rakennusmateriaalit.

Elektrolyyttinen pinnoitus jaetaan kahteen tyyppiin: katodielektrolyyttinen pinnoitus, jossa työkappale toimii katodina ja pinnoitteena käytetään kationista tyyppiä, sekä anodielektrolyyttinen pinnoitus, jossa työkappale toimii anodina ja pinnoitteena käytetään anionista tyyppiä. Anodista elektrolyyttistä pinnoitusta käytetään suhteellisen harvoin, koska sen pinnoitteen tunkeutuvuus on alhainen ja korroosionkestävyydessä on vaihtelua. Nykyaikaisessa elektrolyyttisessä pinnoituksessa käytetään pääasiassa katodista elektrolyyttistä pinnoitusta, jolla on hyvät korroosionesto-ominaisuudet ja korkea tunkeutuvuus.

Esimerkiksi jotkut tutkijat ovat käyttäneet katodielektrolyyttistä pinnoitusmenetelmää ja onnistuneet levittämään polyuretaanipinnoitteen TA4-titaaniseoksen pinnalle; verrattuna titaaniseoksen pohjamateriaaliin kyseinen titaaniseos – polyuretaanipinnoitteen biologinen yhteensopivuus on parantunut huomattavasti, ja samalla titaanimateriaalin omat erinomaiset mekaaniset ominaisuudet ovat säilyneet.

anodinen hapetus

Anodisointi, jota kutsutaan myös sähkökemialliseksi hapettumiseksi tai elektrolyyttiseksi hapettumiseksi, on prosessi, jossa valmistettu kappale asetetaan tiettyyn elektrolyyttiliuokseen toimimaan anodina, jälkeenpäin grafiittia tai inerttiä metallia käytetään katodina, ja ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta sen pinnalle kerrostuu lopulta ohut oksidikalvo.

Titaanin tai sen seosten pinnalla esiintyy pääasiassa tiheää anodisoitua pinnoitetta, sekä huokoista anodisoitua TiO₂-nanoputkia. Eri tyyppisillä anodisoiduilla pinnoitteilla on eroja kovuudessa, värissä, pinnoitteen paksuudessa, optoelektronisissa ominaisuuksissa sekä biologisessa yhteensopivuudessa.

Useimmissa elektrolyytteissä – joihin kuuluvat esimerkiksi happamat elektrolyytit ja niiden suolaliuokset – titaanimateriaalin pinnalle muodostuu anodisoitumistuote, joka on tiheä ohutkalvo. jonka paksuus on yleensä kymmeniä tai satoja nanometrejä. Se on erittäin sileä ja tiivis sekä biologisesti hyvin yhteensopiva, ja sitä käytetään laajalti korroosiosuojauksessa sekä biolääketieteen alalla.

Anodin hapettumisprosessin aikana sen pinnalle muodostuva anodinen oksidi kasvaa sekä kalvon ja elektrolyytin rajapinnalla että titaanimateriaalin ja kalvon rajapinnalla. Ensimmäisen osuus kokonaispaksuudesta on noin 62 prosenttia, ja se syntyy, kun O²⁻- tai OH⁻-anionit siirtyvät oksidikalvon läpi sisäänpäin. Jälkimmäinen puolestaan määräytyy titaanin metallikationien ulospäin suuntautuvan siirtymisen perusteella. Samalla kun anodikalvo muodostuu, siihen liittyy usein myös oksidien liukenemista kalvon ja elektrolyytin rajapinnalla. Koska emäksisissä, erityisesti voimakkaasti emäksisissä liuoksissa, titaanin tai titaaniseosten anodikalvojen liukenemisreaktio on melko voimakas, tämä vaikeuttaa anodisointiprosessin tehokasta hallintaa, minkä vuoksi on vaikea saada aikaan titaanidioksidikalvoa, jolla olisi ihanteellinen pintarakenne ja rakenne.

Huokoisen anodisoidun TiO₂-nanoputken valmistus tapahtuu yleensä fluori-ioneja sisältävässä elektrolyytissä optimoitujen anodisointiparametrien avulla. Anodisoitujen TiO₂-nanoputkien matriisi on yksiulotteinen nanorakenne, jonka järjestys on erittäin säännöllinen ja pinta-ala suuri. Tämä laajentaa huomattavasti titaanianodisoitujen oksidien sovellusalueita, ja niitä onkin jo laajalti hyödynnetty useilla aloilla, kuten fotokatalyysissä, katalyyttikalvoissa, aurinkopaneeleissa ja antureissa.

Esimerkiksi anodisoimalla valmistetut TiO₂-nanoputket ovat erittäin herkkiä vedylle, ja niitä voidaan käyttää vedynherkkien anturien materiaalina. Niiden etuja ovat lyhyt vasteaika ja vakaa suorituskyky. TiO₂-nanoputkien käyttö litiumioniakkuissa ei ainoastaan estä tehokkaasti elektrolyytin aiheuttamaa elektrodien korroosiota ja pidentää siten akun käyttöikää, vaan myös parantaa varauksen siirtotehokkuutta ja nostaa akun lataus- ja purkausominaisuuksia.

II. Menetelmät titaaniseosten pinnoitteiden tarttuvuuden parantamiseksi

Esikäsittelymenetelmä

Hiekkapuhallusmenetelmä: Hiekkapuhalluksella voidaan poistaa metallipinnan passivointikerros ja samalla karhentaa pintaa, mikä parantaa mekaanista tarttuvuutta ja siten parantaa pinnoitteen tarttuvuutta.

Kokeiden perusteella voidaan todeta, että hiekkapuhallusmenetelmä on tehokas myös titaanin galvanoinnissa. Esimerkiksi kun hiekkapuhallettuja ja hiekkapuhallettamattomia puhdasta titaania sisältäviä koekappaleita galvanoidaan ja niiden tarttuvuusvertailu suoritetaan, havaitaan, että hiekkapuhallettujen koekappaleiden tarttuvuus on huomattavasti parempi. Hiekkapuhallus kuitenkin lisää työkappaleen jännitystä, joten menetelmä ei sovellu joihinkin työkappaleisiin, joilta vaaditaan suurta tarkkuutta.

Siirtokalvomenetelmä:

Hydrauskalvo; Zhang Jingshuang ja muut Harbinin teknillisen yliopiston tutkijat, suorittivat teollisen puhtaan titaanin pinnalle galvanointikäsittelyn käyttäen HCl:n (500 ml/l) ja TiCl₃:n (10–20 ml/l) seosta, johon lisättiin joitakin lisäaineita aktivointikoostumuksen muodostamiseksi, ja saivat lopulta aikaan pinnoitteen, jolla oli hyvä tarttuvuus.

Analyysin perusteella on havaittu, että tämän aktivointiliuoksen avulla käsitellyn titaanin pinnalle muodostuu harmaamusta kalvo, jonka pääasiallinen ainesosa on TiH₂. Tämä kalvo muodostaa tiettyjä metallisidoksia sekä titaanimateriaalin että pinnoitteen välille, mikä takaa vaaditun tarttuvuuden.

Zhao Guiyan aktivoi titaaniseoksen käyttämällä NaCr₂O₄:n (250 ml/l) ja HF:n (20 ml/l) seosta, hänkin sai aikaan hyvin tarttuvan pinnoitteen. Tällaisella aktivointiliuoksella käsitellyn titaaniseoksen pinnalle muodostui fluoridikalvo, jolla oli erinomainen tarttuvuus sekä titaaniseoksen matriisiin että sen päälle levitettyyn pinnoitteeseen, ja joka toimi samalla tavalla kuin hydridikalvo. kyseessä on fluoridikalvo.

Siirtymämetallikerrosmenetelmä:

Sinkityskäsittely: Nanjingin radio-tehtaan nro 8:n Cai Jiqing käytti kaksivaiheista sinkityskäsittelyä, jolla titaanipinnalle muodostettiin sinkkikerros, minkä jälkeen suoritettiin kemiallinen nikkelipinnoitus ja kultaelektrolyyttipinnoitus. Tällä menetelmällä saadussa pinnoitteessa ei havaittu kuoriutumista tai kuplimista, kun sitä kuumennettiin 1 tunnin ajan 180 °C:n lämpötilassa ja sen jälkeen karkaistiin vedessä. Shanghain mittaritehtaan Wu Shenmin käytti HF–ZnF₂–etyleeniglykoli-järjestelmää, jossa titaaniseoksen pinnalle kerrostettiin ensin ohut sinkkikerros, jonka päälle suoritettiin pinnoitus. Tälläkin menetelmällä saatiin aikaan pinnoite, jonka tarttuvuus oli varsin hyvä.

Nikkelin upotusmenetelmä: Xi'anin radiotekniikan tutkimuslaitoksen Zhang Biqing sääteli pH-arvon 3,5–4,5:een HF:llä NiCl₂・6H₂O:ta (300 g/l) ja HBO₃:ta (30 g/l) sisältävän seosliuoksen päällä, ja suoritti titaaniseokselle kemiallisen nikkelipinnoituksen, kun liuos oli lämmitetty 70 °C:een. Titaanin ja nikkelin välisen substituutioreaktion tuloksena syntyvä pinnoite tarttuu hyvin substraattiin, ja kun tämän pinnoitteen päälle suoritetaan vielä galvanointi, pinnoitteen tarttuvuus substraattiin on yhtä hyvä.

Lämpökäsittely menetelmä pinnoituksen jälkeen

Lämpökäsittely on tehokas keino parantaa pinnoitteen tarttuvuutta. Korkeissa lämpötiloissa pinnoitteen ja alustan välillä tapahtuu selvää keskinäistä diffuusiota, jolloin kahden erilaisen metallin atomien välille muodostuu metallisidoksia, mikä parantaa tarttuvuutta. Esimerkiksi Kurosawa Kazuyoshi ja muut suorittivat Cu/Ni-pinnoituksen titaaniseokselle (Tc4) ja suorittivat sen jälkeen 3 tuntia kestävän, 540 °C:n lämpökäsittelyn sekä ilmassa että tyhjiössä. Arvioinnin jälkeen havaittiin, että pinnoitteen tarttuvuus oli parantunut selvästi.

Pekingin ilmailu- ja avaruustieteellisen yliopiston Xia Yixiang ja muut tutkijat tekivät tutkimuksen titaaniseoksen (Tc4) pinnoituksen jälkeisestä lämpökäsittelystä, Tutkimuksessa keskityttiin sen vaikutuksiin nikkelipinnoitteen tai kupari-nikkelipinnoitteen tarttuvuuteen. Tulokset osoittivat, että lämpökäsittelyn jälkeen pinnoitteen ja substraatin välille muodostui diffuusiokerros, jonka pääasiallisina ainesosina olivat liuokset tai metallien väliset yhdisteet. Käyttämällä XRD-analyysiä lämpökäsittelyn jälkeisen pinnoitteen ja substraatin välisen rajapinnan tutkimiseen havaittiin, että diffuusiokerroksessa esiintyy nikkeli-titaani-yhdisteitä, kuten Ni₃Ti, NiTi ja NiTi₂.

Sidoksen lujuuden parantuminen riippuu suurelta osin siitä, muodostuuko pinnoitteen ja substraatin välille metallisidoksia, eikä niinkään diffuusiokerroksen paksuudesta. Jos pinnoitteen ja substraatin välinen rako ei suurene lämpölaajenemisen ja -kutistumisen seurauksena, ja samalla diffuusiokerroksen liuoksessa olevat aineet tai intermetalliyhdisteet pystyvät tuhoamaan pinnoitteen ja substraatin välissä olevan passivointikalvon kaltaisten ei-metallisten kalvojen eheyden, pinnoite ja substraatti voivat diffundoitua toisiinsa suhteellisen helposti ja muodostaa metallisidoksia, mikä parantaa edelleen pinnoitteen tarttuvuutta.

III. Johtopäätökset

Titaanin ja titaaniseosten pintakäsittelymenetelmät ovat monipuolisia ja vaihtelevia, ja jokaisella menetelmällä on omat etunsa ja soveltumisalueensa. Galvanoinnilla voidaan tuottaa titaanille ja titaaniseoksille monenlaisia toiminnallisia pinnoitteita; mikrokaarihapetuksella voidaan tuottaa erittäin lujia keraamisia pinnoitteita, mikä laajentaa niiden käyttöalueita; elektroforettinen pinnoitus on ympäristöystävällistä ja helposti automatisoitavaa; anodisoinnilla voidaan valmistaa erilaisia oksidikerroksia, jotka täyttävät erilaisia toiminnallisia vaatimuksia.

Samalla titaaniseoksen pinnoitteen ja substraatin välisen tarttuvuuden parantamiseksi voidaan käyttää pinnoitusta edeltäviä esikäsittelymenetelmiä, kuten hiekkapuhallusta, siirtokalvomenetelmää tai siirtymämetallikerrosmenetelmää, joilla passivointikerros poistetaan ja muodostetaan tarttuvuutta edistävä siirtokerros; Lisäksi pinnoituksen jälkeisellä lämpökäsittelyllä voidaan edistää pinnoitteen ja substraatin atomien keskinäistä diffuusiota, mikä johtaa metallisidosten muodostumiseen. Käytännössä esikäsittelyn ja jälkikäsittelyn yhdistämisellä voidaan todennäköisesti saavuttaa parempia tuloksia, parantaa entisestään titaanin ja titaaniseosten ominaisuuksia sekä edistää niiden laajempaa käyttöä useammilla aloilla.