מיקרו-ציפוי חמצון קשת על טיטניום: ביצועי בלאי וקורוזיה
Nov 22, 2024
הבעיה שהציפוי צריך לפתור
סגסוגות טיטניום משלבות חוזק ספציפי גבוה, צפיפות נמוכה ותאימות ביולוגית טובה, וזו הסיבה שהן משמשות בתעופה וחלל, הגנה וחומרה רפואית. החולשה היא פני השטח. לטיטניום לא ממוסג ולטיטניום סגסוגת לשניהם עמידות נמוכה בפני בלאי שוחקים ודבקים, והקשיות היא בינונית בלבד, כך שמגע החלקה עם מתכות אחרות מייצר צריבה, העברת מתכות ובשירות מי ים או כלוריד, קורוזיה גלוונית וחריצים באזור המגע. מכלולי טיטניום מוברגים עם מחברים אל חלד הם המקרה הקלאסי: הסרט הפאסיבי נשבר באופן מכני, הפסיביות מחדש מתחרה בהתקפה מקומית, והמפרק מתכלה מהר יותר מהתכנון הניח.
חמצון מיקרו-קשת, הנקרא גם חמצון אלקטרוליטי בפלזמה, מטפל בכך על ידי גידול סרט תחמוצת במקום הפקדת אחד. מכיוון שהציפוי נוצר מהמצע, ההידבקות היא מתכתית ואין ממשק ציפוי- של המצע לשחרור תחת מחזוריות תרמית.
איך הסרט גדל: ארבעה שלבים
החלק שקוע באלקטרוליט אלקליין ויוצר את האנודה של אספקה פעימה. הצמיחה עוברת דרך ארבעה שלבים ניתנים לזיהוי.
השלב הראשון יושב לפני הניצוץ. האספקה מופעלת, נוצרות בועות חמצן על פני השטח, מעטפת גז נבנית ומופיע סרט פסיבי מבודד בעובי של כמה עשרות ננומטרים. צפיפות הזרם עולה במהירות לשיא ואז יורדת.
השלב השני מעורר ניצוץ. כשהמתח ממשיך לטפס הסרט הפסיבי מתפרק, צפיפות הזרם מפסיקה לרדת ומתחילה לעלות שוב, והשדה החזק בין האלקטרודות מיינן את מעטפת הגז. מספר רב של ניצוצות קטנים נעים על פני השטח, תמיד מוצאים את האזורים הדקים יותר של הסרט ומתפרקים שם, כך שמקום ההתמוטטות ממשיך לעבור מיקום.
השלב השלישי הוא מיקרו-קשת אמיתית. מיקרו-הפרשות מפוזרות מופיעות, נעות במהירות, עולות בעוצמתן ואז יורדות בצפיפות המספרים כשהסרט מתעבה. צפיפות הזרם מתיישבת, ועמידות הסרט ועובי הסרט גדלים בהתמדה.
השלב הרביעי הוא קשתות מקומית. כתמי קשת הופכים פחות אך גדולים יותר ואנרגטיים יותר. ברגע שהקשתות הללו שולטים, צמיחת הציפוי מואטת והסיכון לנזק תרמי מקומי עולה, כך שרוב לוחות הזמנים של הייצור עוצרים את התהליך לפני או בדיוק עם תחילת השלב הזה.
אלקטרוליטים ופרמטרים של תהליך
אלקטרוליטים לייצור הם אלקליים ומבוססים בדרך כלל על מערכות סיליקט, פוספט או אלומינאט, בנפרד או בשילוב, עם תוספות השולטות מוליכות ו-pH. אמבטיות המבוססות על-סיליקט מעדיפות סרטים עבים וצפופים; אמבטיות פוספט מייצרות ציפויים עדינים יותר הסובלים סובלנות מימדית הדוקה יותר; אמבטיות אלומינייט דוחפות את הקשיות גבוה יותר. האלקטרוליט קובע גם את הרכב שלב הציפוי, מה שחשוב מכיוון שחלק הרוטיל שולט בביצועי הבלאי בעוד שחלק האנאטאז קשור לפעילות ביולוגית.
נעשה שימוש באמבט הנושא פוספט או סידן- כאשר החלק המוגמר צריך להיות ביואקטיבי. ציפויים הגדלים באלקטרוליטים של סידן וזרחן תומכים בצמיחת עצם ומשמשים על חומרה אורטופדית, גישה המשתקפת גם במפרטי השתלים השולטים בכימיה בתפזורת, כגון ASTM F67 ו-ISO 5832-2 עבור טיטניום לא מגוג.
| פָּרָמֶטֶר | טווח אופייני | השפעה על הסרט |
|---|---|---|
| מֶתַח | 200–600 וולט, דופק | מתח גבוה יותר מעבה את הסרט ומחסם את הפריקה |
| צפיפות זרם | מוגדר לפי אזור האנודה | שולט בקצב הצמיחה ובמשטר הקשת |
| טמפרטורת אלקטרוליט | מתחת ל-30 מעלות עם קירור | מונע שריפה מקומית והזדקנות אמבטיה |
| זמן טיפול | 5-60 דקות | עובי הסרט מטפס בערך עם השורש הריבועי של הזמן |
| עובי הסרט, טיטניום | 5–40 µm | שינוי ממדי מתחלק בין גידול וצריכת מצע |
| קשיות פני השטח | 500–1,500 HV, מיקרו אינדנטציה | תלוי בתוכן רוטיל ובנקבוביות |
שתי נקודות מעשיות קובעות את התזמון. ראשית, הציפוי גדל הן כלפי חוץ והן כלפי פנים, כך שחלק שצוין למימד מוגמר חייב לעבור עיבוד תחתון מראש; בערך מחצית מעובי הסרט נצרך מצע. שנית, קצוות חדים מרכזים זרם ומייצרים צמיחת יתר מקומית, כך שרדיוסי קצוות נדיבים הם דרישת עיצוב ולא נוחות עיבוד.
הוכחת הציפוי: בדיקה וקבלה
ציפוי שימושי רק אם ניתן לאשר אותו באותו אופן של המצע. קשיות Microindentation תחת ASTM E384 היא השיטה הסטנדרטית לקשיות הסרט, המדווחת כ-HV עם עומס בדיקה מוצהר מכיוון שהקריאה יורדת כשהעומס עולה על קרמיקה נקבובית. השחיקה מכומדת בדרך כלל על ידי בדיקת פין-על-דיסק לפי ASTM G99, עם משטח נגדי טונגסטן קרביד או אלומינה, המדווחת על שיעור בלאי ספציפי ולא על אובדן נפח גולמי, כך שניתן להשוות את התוצאות בין מעבדות.
עמידות בפני קורוזיה של טיטניום שטופל ב-MAO- מוערכת על ידי תרסיס מלח ניטרלי לפי ASTM B117, שבו חלקים מטופלים מחזיקים באופן שגרתי כמה מאות שעות נגד תוצר קורוזיה לבן באזורי המגע, ועל ידי קיטוב אלקטרוכימי כדי לכמת את הירידה בצפיפות זרם הקורוזיה, שיורדת בדרך כלל באחד עד שניים בסדרי גודל של טיטניום חשוף. כאשר החלק מושתל, בדיקה אלקטרוכימית ASTM F2129 עבור רגישות לקורוזיה של חומרי שתלים היא השיטה הרלוונטית.
איפה הסרט מיושם
מבנים ימיים וימיים הם היישום הגדול ביותר, מכיוון ששכבת קרמיקה קשיחה ואחידה על רכיבי טיטניום משפרת את הביצועים במי ים ומפחיתה לחץ גלווני במקום שבו טיטניום פוגש סגסוגות נחושת או פלדה. רכיבי מגן חום- לרכב נהנים מהשילוב של עמידות בפני שחיקה והתנהגות מחסום תרמי, במיוחד כאשר שכבה תרמית מרוססת תתפרק וסרט קרמי- באתר אינו עושה זאת. מכונות טקסטיל משתמשות במכווני חוט מצופים MAO- שבהם הפעולה השוחקת של נימה הייתה חותכת למתכת חשופה.
חומרה חשמלית ואלקטרומגנטית משתמשת בציפוי עבור מיגון מגנטי ועמידות בפני קרינה- אנרגטית גבוהה. בתנאי שירות מחמירים יותר, הסרט נושא עומס גבוה, לחץ גבוה וטמפרטורה מוגברת בו-זמנית, וזה המקום שבו העמידות של שכבת קרמיקה- באתר דופקת שכבה מושקעת.
שאלות נפוצות
Q:האם חמצון מיקרו-קשת משנה את הממדים של חלק מוגמר?
ת: כן. צמיחת הסרט משלבת צמיחה כלפי חוץ עם צריכה של המצע, כך שחלקים מעובדים מתחת לגודל לפני הטיפול וסרט נומינלי של 20 מיקרומטר משנה את פני השטח החיצוניים בערך במחצית מהכמות.
Q:באילו דרגות טיטניום ניתן לטפל?
ת: כל כיתה הניתנת לאנודיזה באלקטרוליט אלקליין, כולל דרגות לא מגוגות לפי ASTM B265 וסגסוגות אלפא-בטא כגון Ti-6Al-4V. בחירת הציונים משפיעה בעיקר על קצב צמיחת הציפוי והרכב השלב, לא על האם התהליך עובד.
Q:כיצד נמדדת הקשיות של סרט קרמי?
ת: על ידי מיקרו-זחית תחת ASTM E384, כאשר עומס הבדיקה דווח לצד התוצאה. מכיוון שהציפוי נקבובי ודק, הקריאות יורדות ככל שהעומס גדל, ולכן נתון קשיות ללא עומס מוצהר אינו בר השוואה.
Q:האם ניתן ליישם את התהליך על הרכבה מוגמרת?
ת: רק לחלקים הניתנים לבידוד חשמלי ולטבול מלא. מיסוך קשה, תכונות הברגה אוספות זרם וצומחות יתר על המידה, ומשטחי מגע שחייבים להישאר מוליכים יש להגן או לעבד לאחר מכן.
Q:כיצד ניתן להשוות סרט MAO לציפוי אנודייז?
ת: אנודיז רגיל מצמיח סרט בעובי של כמה מיקרומטרים במתח נמוך. חמצון מיקרו-קשת פועל במשטר הפריקה, מייצר תחמוצת הרבה יותר עבה, קשה וגבישית יותר הנושאת עומס בלאי ולא רק עמידה בפני קורוזיה.
Q:האם הסרט שורד רכיבה על אופניים תרמיים?
ת: עדיף על ציפוי מושקע ברוב המקרים, כי הוא גדל מהמצע ואין לו קו קשר. אי התאמה של התפשטות תרמית עדיין קובעת גבול מתח, ויש להתאים את עובי הציפוי לטווח הרכיבה.
