Oberflächenbehandlungstechnologie von Titanschmiedeteilen

TitanschmiedeteileSie werden in rauen Umgebungen in den Bereichen Luft- und Raumfahrtmotoren, Chemie und Medizin eingesetzt und erfordern eine extrem hohe Oberflächenqualität. Oberflächenfehler von Rohlingen können zu Ausfällen führen. Durch wissenschaftliche Oberflächenbehandlung kann die Oberfläche gestärkt und modifiziert, die Qualität verbessert und die Lebensdauer verlängert sowie die Sicherheit unter extremen Arbeitsbedingungen gewährleistet werden.

 

 

Es bezieht sich auf die Veränderung der chemischen Zusammensetzung, der Organisationsstruktur oder der morphologischen Eigenschaften der Materialoberfläche durch physikalische, chemische, elektrochemische oder andere Methoden. Es können funktionelle Ziele wie eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit, eine verbesserte Verschleißfestigkeit und eine optimierte Biokompatibilität erreicht werden.

 

 

 

(I) Chemische Passivierung: Niedrige Kosten

Bei der chemischen Passivierung werden Titanschmiedestücke in eine chemische Lösung getaucht, um einen dichten TiO₂-Passivierungsfilm zu bilden, der Korrosion isoliert. Der industrielle Standardprozess verwendet 20–30 %ige Salpetersäure zum 30-minütigen Eintauchen, wodurch ein 5–15 nm dicker Film entsteht. Es bietet die Vorteile Einfachheit, niedrige Kosten und hohe Effizienz bei minimalen Auswirkungen auf die Abmessungen. Es eignet sich für den Chargenschutz von Titanschmiedeteilen unter herkömmlichen Arbeitsbedingungen und wird häufig in chemischen Flanschen und gewöhnlichen Energiekomponenten eingesetzt.

 

Der Film ist jedoch relativ dünn, hält starker Korrosion und hoher Beanspruchung nicht stand und ist für extreme Arbeitsbedingungen nicht geeignet.

 

(II) Eloxieren: Präzisionsszenarien

Das Eloxieren ist ein elektrochemischer Prozess. Titanschmiedestücke werden mit einem Schwefelsäureelektrolyten unter einer Spannung von 20–60 V behandelt, um einen 10–30 μm dicken Oxidfilm zu bilden. Seine Korrosionsbeständigkeit ist um mehr als 50 % höher als die einer chemischen Passivierung. Die Folienfarbe ist einstellbar, kombiniert funktionelle und dekorative Eigenschaften und ihre poröse Struktur kann die Biokompatibilität optimieren. Es eignet sich für medizinische orthopädische Implantate und elektronische Präzisionsteile aus Titan.

 

Der Nachteil besteht darin, dass die Folie spröde ist, starken Stößen nicht standhalten kann und bei Arbeitsbedingungen mit hohem {0}Verschleiß und hoher{1}}Ermüdung mit Vorsicht verwendet werden sollte.

 

(III) Mikrolichtbogenoxidation: Extreme Arbeitsbedingungen

Microarc Oxidation (MAO) is a high-end electrochemical technology. High-voltage (300-600V) induced microarc discharge generates a 50-100μm TiO₂/Al₂O₃ composite ceramic film on the surface of titanium forgings. The film-substrate bonding is tight, featuring excellent corrosion resistance, high-temperature resistance (>500 Grad), hohe Härte und Verschleißfestigkeit. Es ist die zentrale Schutzlösung für Titankomponenten unter extremen Arbeitsbedingungen und eignet sich für Schlüsselkomponenten von Luft- und Raumfahrtmotoren sowie der Schiffstechnik.

 

Die Nachteile sind eine erhöhte Oberflächenrauheit und hohe Kosten, wodurch die Anwendung nur auf High-End-Szenarien beschränkt ist.

 

(IV) Kugelstrahlen: Bauteile unter hoher Ermüdungsbeanspruchung

Beim Kugelstrahlen handelt es sich um einen physikalischen Modifikationsprozess. Projektile mit hoher-Geschwindigkeit treffen auf Titanschmiedeteile ein und bilden eine 0,1–0,3 mm dicke Druckspannungsschicht mit einer Abdeckungsrate von mindestens 200 %. Es kann Ermüdungsrisse verhindern, die Ermüdungsbeständigkeit um mehr als 30 % verbessern und die Lebensdauer von Komponenten unter hoher Belastung verlängern, speziell entwickelt für wichtige Teile, die wechselnden Belastungen ausgesetzt sind.

 

Hinweis: Die Oberflächenrauheit nimmt leicht zu und bei ultra-hochpräzisen-Komponenten ist anschließendes Polieren erforderlich.

 

(V) Physical Vapour Deposition (PVD): Präzisionsbeschichtungstechnologie

PVD ist eine Vakuumbeschichtungstechnologie mit ultraharter Beschichtung. Es reduziert Reibung und Verschleiß, ohne die Leistung des Substrats zu beeinträchtigen, und seine Parameter sind anpassbar, um eine individuelle Anpassung zu unterstützen. Es eignet sich für Komponenten mit hohem -Verschleiß wie Zahnräder und Lager aus Titan.

 

Einschränkungen: Die Beschichtung ist dünn und hält Stößen nicht stand, und der Vorbereitungsaufwand ist hoch.

 

(VI) Elektropolieren: Biomedizinischer Bereich

Beim Elektropolieren wird ein Elektrolyt auf Phosphorsäurebasis zur elektrochemischen Nivellierung und Reinigung verwendet, was zu einer Titanoberfläche mit einem Ra von weniger als oder gleich 0,1 μm führt. Es eliminiert Mikrorissdefekte und bietet eine hervorragende Biokompatibilität, wird hauptsächlich für medizinische Implantate verwendet und ist auch auf hochreine Szenarien wie Halbleiter anwendbar.

 

Nachteile: Hoher Energieverbrauch, geringe Effizienz, strenge Parameterkontrolle und Unfähigkeit, eine konventionelle Batch-Verarbeitung durchzuführen.

 

 

Die Auswahl der Oberflächenbehandlungsverfahren für Titanschmiedestücke sollte den Grundsätzen „Anpassung der Arbeitsbedingungen, Leistungspriorität und Kostenkontrolle“ folgen und dabei Materialeigenschaften, Betriebsumgebung, Funktionsanforderungen und Wirtschaftlichkeit umfassend berücksichtigen.

• Für Verdichterschaufeln von Flugtriebwerken, die Temperaturbeständigkeit und Korrosionsermüdungsbeständigkeit erfordern, wird der Verbundprozess „Mikroarc-Oxidation + Kugelstrahlen“ eingesetzt.
• Für Rührschaufeln chemischer Reaktoren, die Beständigkeit gegen starke Korrosion erfordern, wird die kostengünstige -Kostenschutz--Korrosionsschutzkombination „chemische Passivierung + PTFE-Beschichtung“ gewählt.
• Bei medizinischen Kunstgelenken, die sowohl Biokompatibilität als auch Verschleißfestigkeit erfordern, wird „Elektropolieren + Anodisieren“ verwendet, um Sauberkeit und Osseointegration sicherzustellen.
• Für Ventilschäfte von Schiffsventilen, die Beständigkeit gegen Meerwasserkorrosion und -erosion erfordern, ist die gängige Lösung Mikrolichtbogenoxidation + Opferanodenschutz.

 

Auch Materialeigenschaften beeinflussen die Prozessauswahl:

Handelsübliches Reintitan (Gr1/Gr2) eignet sich für herkömmliche korrosive Umgebungen, wobei chemische Passivierung die bevorzugte Option ist.

Gr5 (Ti-6Al-4V) dient bei hohen Temperaturen und erfordert Wärmedämmschichten.

Bei Titanlegierungen vom -Typ müssen Prozesse mit wasserstoffhaltigen Medien vermieden werden, um eine Wasserstoffversprödung zu verhindern.

 

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