Von Darrin Radatz, Ani Zhecheva und Sid Clouser

Hohe Festigkeit und geringes Gewicht, gepaart mit der Fähigkeit, leicht einen zähen Oberflächenoxidfilm zu bilden, machen Titan und seine Legierungen für viele Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, in der Industrie und in der Medizin nützlich.

Eine Einschränkung von Titanlegierungen ist die relativ schlechte Beständigkeit gegen adhäsiven Verschleiß, was zu Festfressen und Kaltverschweißung, schlechtem Fretting-Verhalten und einem hohen Reibungskoeffizienten führt. Man kann diese Einschränkung überwinden, indem man eine Oberflächenbeschichtung vorsieht. Beschichtungen werden auch für Wärmereflexion, Emissionsvermögen, Korrosionsbeständigkeit in heißen sauren Umgebungen, Leitfähigkeit, Schmierfähigkeit, Löten und Größenänderung aufgetragen.

Oberflächenvorbereitung

Titan ist sehr reaktiv und bildet schnell einen Oxidfilm, wenn die Metalloberfläche Luft oder einer Umgebung ausgesetzt wird, die verfügbaren Sauerstoff enthält. Diese Oxidschicht sollte vor dem Galvanisieren oder einer anderen Oberflächenbehandlung entfernt werden, aber ihre Zähigkeit macht die Entfernung problematisch.

Das Aufrauhen der Oberfläche kann die Beschichtungshaftung verbessern und kann durch Schleifen, Sandstrahlen und Ätzen erreicht werden. Die Oberflächenvorbereitung ist der Schlüssel zum Erzielen einer robusten Haftung jeder Beschichtung auf Titan, da eine Nickelbürstenbeschichtung über dem Oxidfilm zu einer schlechten Haftung in lokalisierten Bereichen führt.

SIFCO Applied Surface Concepts hat mehrere Experimente mit Titan zur Oberflächenvorbereitung und selektiven Beschichtung durchgeführt. Unsere Forschungs- und Entwicklungsabteilung erhielt Titanbleche mit einer Dicke von 1,1 mm und Rohre mit einer Dicke von 0,83 mm in drei Substratmaterialien: Ti-6Al-4V, Ti-6Al-6V-2Sn und kommerziell reines Titan der Güteklasse 2 und bearbeitete die Oberflächen mechanisch mit verschiedenen Techniken, einschließlich Trocken- oder Nassschleifen, Drahtbürsten und Strahlen.

Mechanische Verfahren

Die Forschung und Entwicklung verwendete mechanische Methoden, um die Haftung zu verbessern, indem die Substratoberfläche vergrößert und eine frische, saubere Titanoberfläche freigelegt wurde. Mechanische Bearbeitung der Oberfläche durch Schleifen mit Schleifkörpern, Drahtbürsten oder durch Strahlen mit Siliziumkarbid oder nassem oder trockenem Aluminiumoxid, vergrößerte Oberfläche und verbesserte Haftung der Abscheidungen. Die Haftung war jedoch immer noch nicht hoch genug, um routinemäßig einen 180°-Biegetest zu überstehen.

Säureätzung

Sie verpflichteten sich dann, ein elektrochemisches Behandlungsverfahren zu identifizieren, das in der Lage ist, die Substratoberfläche auf kontrollierte Weise zu vergrößern und eine oxidfreie Oberfläche bereitzustellen, die eine gute Haftung der Abscheidung ermöglicht. Die resultierende elektrochemische Behandlung umfasst sowohl einen Elektrolyten als auch eine anodische/kathodische Ätz-/Aktivierungsmethodik, um das Mikroätzen der Titanoberfläche zu fördern, um den Oberflächenbereich zu vergrößern und das Oberflächenoxid zu reduzieren. Diese elektrochemische Behandlung führte zu einer ausgezeichneten Haftung. Das in Tabelle 1 angegebene Plattierungsverfahren wurde verwendet, um eine Qualitätsabscheidung vorzunehmen.

Mehrere Faktoren tragen zur hervorragenden Haftung bei: mechanische Verzahnung, vergrößerte Oberfläche und das Fehlen eines Oxidfilms. Diese drei Attribute wurden während des Bürstenplattierungsprozesses erzeugt. Das Bürstenplattieren eignet sich aufgrund des kleinen Elektrolytvolumens, des engen Kontakts zwischen der Anode und der Kathode und der Schnelligkeit, mit der Elektrolyte von der Aktivierung zur Grundplattierung umgeschaltet werden können, besonders zum Erzeugen dieser Eigenschaften.

Wichtige Überlegungen für das Verfahren sind:

  • Halten Sie das Titan jederzeit unter potentieller Kontrolle
  • Halten Sie den plattierten Bereich zu 100 % von der umwickelten Anode bedeckt
  • Verwenden Sie eine schnelle Umschaltung von anodisch auf kathodisch
  • Zwischen den Schritten nicht spülen
  • Verwenden Sie die Lösung nicht wieder.

Andere Bewertungen

Die Oberfläche der Stubs aus Titanlegierung wurde durch maschinelle Bearbeitung oder SiC-Sandstrahlen vorbehandelt, dann abgeschliffen, geätzt und aktiviert, wobei das Verfahren in Tabelle 1 verwendet wurde. Eine 50 &mgr;m dicke Nickelabscheidung wurde aus zwei Säureelektrolyten plattiert. Die Versagensart war bei allen Proben adhäsiv an der Grenzfläche Nickelbeschichtung – Titan.

Die Wasserstoffversprödung wurde gemäß General Motors Engineering Standard GM3661P getestet, und alle Proben waren hinsichtlich der Wasserstoffversprödung zufriedenstellend – das heißt, an keinem der Probestücke wurde ein Versagen oder eine Rissbildung beobachtet.

Diese Technologie funktionierte auch gut mit der Ti-6Al-6V-2Sn-Legierung, und die Haftung der Abscheidung war zufriedenstellend. Das Verfahren liefert jedoch keine Abscheidungen mit ausreichender Haftung auf Titan Grad 2. Abscheidungenen auf Grad 2 bestanden im Allgemeinen Bandtests, aber versagten bei Biegetests.

Zukünftige Forschungsarbeiten werden weiterhin Prinzipien für eine gute Haftung von plattierten Abscheidungen auf Titanlegierungen entwickeln und ein Verfahren zur Abscheidung von Beschichtungen mit verbesserter Haftung auf Titan der Güteklasse 2 identifizieren. Die Abscheidung anderer Materialien mit besserer Verschleißfestigkeit als Titan wird ebenfalls untersucht.