Por Darrin Radatz, Ani Zhecheva y Sid Clouser
La alta resistencia y el bajo peso, junto con la capacidad de formar fácilmente una película de óxido superficial tenaz, hacen que el titanio y sus aleaciones sean útiles en muchas aplicaciones en los campos aeroespacial, industrial y médico.
Una limitación de las aleaciones de titanio es la resistencia relativamente baja al desgaste por adherencia, lo que da como resultado una soldadura por fricción y en frío, un comportamiento de fricción deficiente y un alto coeficiente de fricción. Se puede superar esta limitación proporcionando un revestimiento superficial. Los recubrimientos también se aplican para la reflexión del calor, la emisividad, la resistencia a la corrosión en ambientes ácidos calientes, la conductividad, la lubricidad, la soldadura fuerte y el cambio de tamaño.
Preparación de superficies
El titanio es muy reactivo y forma rápidamente una película de óxido cada vez que la superficie metálica se expone al aire o a cualquier entorno que contenga oxígeno disponible. Esta capa de óxido debe eliminarse antes de la galvanoplastia u otro tratamiento de superficie, pero su tenacidad hace que la eliminación sea problemática.
La rugosidad de la superficie puede mejorar la adhesión del revestimiento y puede lograrse mediante abrasión, granallado y grabado. La preparación de la superficie es clave para lograr una adhesión robusta de cualquier recubrimiento al titanio, ya que el cepillado de níquel sobre la película de óxido da como resultado una adhesión deficiente en áreas localizadas.
SIFCO Applied Surface Concepts ha realizado múltiples experimentos en titanio para la preparación de superficies y el recubrimiento selectivo. Nuestro departamento de I+D obtuvo láminas de titanio de 1,1 mm de espesor y tubos de 0,83 mm de espesor en tres materiales de sustrato: Ti-6Al-4V, Ti-6Al-6V-2Sn y titanio grado 2 comercialmente puro, y terminó mecánicamente las superficies utilizando varias técnicas que incluyen seco o abrasión húmeda, cepillado con alambre y limpieza con chorro abrasivo.
Métodos mecánicos
I+D utilizó métodos mecánicos para mejorar la adhesión aumentando el área de la superficie del sustrato y exponiendo una superficie de titanio fresca y limpia. El trabajo mecánico de la superficie por abrasión con medios abrasivos, cepillos de alambre o por chorro con carburo de silicio, o alúmina seca o húmeda aumentó el área superficial y mejoró la adhesión del depósito. Sin embargo, la adhesión aún no era lo suficientemente alta como para sobrevivir de forma rutinaria a una prueba de flexión de 180°.
Grabado ácido
Luego se comprometieron a identificar un método de tratamiento electroquímico con la capacidad de aumentar el área superficial del sustrato de manera controlada y proporcionar una superficie libre de óxido que permitiera una buena adhesión del depósito. El tratamiento electroquímico resultante incluye un electrolito y una metodología de grabado/activación anódica/catódica para promover el micrograbado de la superficie de titanio para aumentar el área superficial y reducir el óxido superficial. Este tratamiento electroquímico dio como resultado una excelente adhesión. Se usó el procedimiento de recubrimiento dado en la Tabla 1 para hacer un depósito de calidad.
Varios factores contribuyen a la excelente adhesión: el enclavamiento mecánico, el aumento de la superficie y la ausencia de una película de óxido. Estos tres atributos se generaron durante el proceso de cepillado. El metalizado con cepillado es particularmente adecuado para generar estos atributos debido al pequeño volumen de electrolito, el contacto cercano entre el ánodo y el cátodo, y la rapidez con la que los electrolitos pueden pasar de la activación al electrolito.
Las consideraciones importantes para el procedimiento son:
- Mantenga el titanio bajo control potencial en todo momento
- Mantenga el área enchapada 100 % cubierta por el ánodo envuelto
- Utilice el cambio rápido de anódico a catódico
- No permitir enjuague entre pasos
- No reutilice la solución.
Otras evaluaciones
La superficie de los trozos de aleación de titanio se pretrató mediante mecanizado o granallado de SiC, luego se raspó, grabó y activó utilizando el proceso de la Tabla 1. Se recubrió un depósito de níquel de 50 μm de espesor a partir de dos electrolitos ácidos. El modo de falla en todos los especímenes fue adhesivo, en la interfase recubrimiento de níquel-titanio.
La fragilización por hidrógeno se probó de acuerdo con el estándar de ingeniería GM3661P de General Motors, y todas las muestras fueron satisfactorias para la fragilización por hidrógeno, es decir, no se observaron fallas ni grietas en ninguno de los cupones.
Esta tecnología también funcionó bien con la aleación Ti-6Al-6V-2Sn y la adhesión del depósito fue satisfactoria. Sin embargo, el procedimiento no proporciona un depósito con una adherencia adecuada sobre el titanio de grado 2. Los depósitos en Grado 2 generalmente pasaron las pruebas de cinta pero fallaron las pruebas de doblado.
El trabajo de investigación futuro continuará desarrollando principios para una buena adhesión de los depósitos chapados a las aleaciones de titanio e identificará un proceso para depositar recubrimientos con una mejor adhesión en el titanio de grado 2. También se investigará la deposición de otros materiales con mejor resistencia al desgaste que el titanio.