فناوری اصلی برای اصلاح سطح آلیاژهای تیتانیوم: پوشش خلاء آلیاژهای تیتانیوم

پوشش خلاء آلیاژ تیتانیومیک فناوری اصلی برای اصلاح سطح آلیاژهای تیتانیوم است. هدف اصلی آن جبران کاستی‌های محلی آلیاژهای تیتانیوم (مانند مقاومت در برابر سایش، مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر اکسیداسیون در دمای بالا و کاهش اصطکاک) و در عین حال حفظ مزایای ذاتی آن‌ها یعنی استحکام بالا و وزن سبک است. این به طور گسترده در زمینه های پیشرفته مانند هوافضا، پزشکی، ماشین آلات دقیق، و صنایع خودروسازی استفاده می شود.

پیش نیازهای کلیدی برای پوشش خلاء آلیاژ تیتانیوم (اول، سازگاری را روشن کنید)

• Characteristics of titanium alloy substrate: The surface easily forms a natural, dense TiO₂ passivation film (thickness 5-10nm), which provides good corrosion resistance. However, it has low hardness (pure titanium HV150-200, TC4 titanium alloy HV300-350), poor wear resistance, and is prone to oxidation and peeling at high temperatures (>400 درجه). پوشش خلاء نیاز به غلبه بر فیلم غیرفعال برای اطمینان از چسبندگی قوی بین فیلم و بستر دارد.
• الزامات پوشش هسته: ① چسبندگی بیشتر یا مساوی 50 نیوتن (آزمایش خراش / تست کشش). ② متراکم و منافذ-فیلم آزاد. ③ سازگار با چقرمگی بستر آلیاژ تیتانیوم، از ترک خوردگی شکننده جلوگیری می کند. ④ خواص مکانیکی خود بستر را تحت تأثیر قرار نمی دهد.
• مزایای اصلی: پوشش در محیط خلاء (درجه خلاء 10-3~10-6Pa) بدون اکسیداسیون یا آلودگی ناخالصی را تضمین می کند و در نتیجه یکنواختی فیلم خوب و ضخامت قابل کنترل (0.5{4}}50μm) را به همراه دارد. برای قطعات کار با آلیاژ تیتانیوم پیچیده (مانند میله های تیتانیوم، تیغه های آلیاژ تیتانیوم و ایمپلنت های پزشکی) مناسب است.

فرآیند: پوشش کندوپاش مگنترون (متداول ترین روش، مناسب برای دمای متوسط ​​و پایین، کاربردهای{0}}با دقت بالا)

1. اصل اصلی
در یک محفظه خلاء بالا، الکترون‌ها توسط یک میدان مغناطیسی برای بمباران مواد هدف (هدف فلزی/سرامیکی) محصور می‌شوند و باعث می‌شوند اتم‌ها/یون‌های هدف جدا شده و روی سطح زیرلایه آلیاژ تیتانیوم رسوب کنند و یک لایه لایه متراکم تشکیل دهند. این فرآیند در طبقه بندی رسوب بخار فیزیکی (PVD) قرار می گیرد.

2. فرآیند اختصاصی هسته برای آلیاژهای تیتانیوم (کلید در عملیات پیش{1}} بستر است که استحکام باند را تعیین می‌کند)
پیش{0}}تصفیه بستر (مرحله اصلی، 70 درصد کیفیت پوشش را تشکیل می‌دهد)
تمیز کردن خشن: تمیز کردن اولتراسونیک (استون + الکل) برای حذف روغن و گرد و غبار و به دنبال آن خشک کردن.
حذف فیلم غیرفعال: حکاکی یون آرگون (درجه خلاء 10-3 Pa، فشار آرگون 0.5-1Pa، ولتاژ بایاس -100~-300V، زمان 15-30 دقیقه) برای شکستن لایه TiO2، نمایاندن سطح تیتانیوم تازه، و افزایش زبری سطح 0.3 μm به طور همزمان (1μm) تا زبری سطح 0.0. در هم تنیدگی مکانیکی؛
پیش گرم کردن: زیرلایه آلیاژ تیتانیوم را تا 150-300 درجه پیش گرم کنید تا تنش اختلاف دما بین فیلم و بستر کاهش یابد و از ترک خوردن فیلم جلوگیری شود.
فرآیند پوشش (دو مرحله: ابتدا یک لایه پایه، سپس رسوب)
لایه پایه: ابتدا یک لایه انتقالی (لایه Ti یا لایه کروم، ضخامت 0.1-0.5μm) برای از بین بردن عدم تطابق شبکه بین آلیاژ تیتانیوم و فیلم عملکردی و بهبود استحکام پیوند رسوب می‌شود. پارامترها: جریان هدف 2-5A، ولتاژ بایاس -50~-100V، زمان 5-10min.
رسوب لایه عملکردی: مواد مورد نظر را با توجه به الزامات، ضخامت فیلم کنترل کنید. پارامترهای اصلی: درجه خلاء 10-4~10-5Pa، سرعت جریان آرگون 20-50sccm، جریان هدف 3-8A، ولتاژ بایاس -30~-80V، دمای رسوب کمتر یا مساوی 400 درجه (برای جلوگیری از بازپخت و نرم شدن تمام تیتانیوم).
پس از{0}}تصفیه: خنک سازی طبیعی تا دمای اتاق پس از خارج کردن از کوره. قسمت‌های بالا-می‌توانند تحت بازپخت-در دمای پایین (150-200 درجه × 1 ساعت) قرار گیرند تا استرس داخلی در فیلم حذف شود.

سناریوهای کاربردی معمول پوشش خلاء آلیاژ تیتانیوم (انتخاب فرآیند مربوطه)

1. زمینه هوافضا: تیغه‌های آلیاژ تیتانیوم، اتصالات → نیترید یونی + پوشش چند قوسی TiAlN. شفت های دقیق آلیاژ تیتانیوم → پوشش TiCN کندوپاش مگنترون.
2. زمینه پزشکی: اتصالات آلیاژ تیتانیوم، پیچ های استخوانی → پوشش DLC کندوپاش مگنترون (زیست سازگار)؛ ایمپلنت های آلیاژ تیتانیوم ← آبکاری یونی قوس خلاء (غیر-سمی)؛
3. زمینه ماشین آلات دقیق: ابزار آلیاژ تیتانیوم، قالب → کندوپاش مگنترون TiN/TiCN. لغزنده آلیاژ تیتانیوم → پوشش DLC.
4. زمینه مهندسی دریایی: اتصال دهنده های آلیاژ تیتانیوم، لوله ها → کندوپاش مگنترون CrN (مقاومت در برابر خوردگی اسپری نمک).
5. زمینه تزئینی: جواهرات آلیاژ تیتانیوم → آبکاری تبخیر خلاء Au/TiN (رنگ‌آمیزی روشن).