Основна технологія модифікації поверхні титанових сплавів: вакуумне покриття титанових сплавів

Вакуумне покриття титанового сплавує основною технологією модифікації поверхні титанових сплавів. Його основна мета — компенсувати локальні недоліки титанових сплавів (такі як зносостійкість, стійкість до корозії, стійкість до високо-температурного окислення та зменшення тертя), зберігаючи при цьому властиві переваги високої міцності та малої ваги. Він широко використовується в -галузях високого класу, таких як аерокосмічна промисловість, медицина, точне машинобудування та автомобільна промисловість.

Основні передумови для вакуумного покриття титанового сплаву (по-перше, уточніть сумісність)

• 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 градусів). Вакуумне покриття вимагає подолання пасиваційної плівки для забезпечення міцного зчеплення між плівкою та підкладкою.
• Вимоги до основного покриття: ① Адгезія більше або дорівнює 50 Н (випробування на подряпини/випробування на розтяг); ② Щільна плівка без пор-; ③ Сумісний із міцністю підкладки з титанового сплаву, запобігаючи крихкому розтріскуванню; ④ Не впливає на механічні властивості самої основи.
• Основні переваги: ​​покриття у вакуумному середовищі (ступінь вакууму 10⁻³~10⁻⁶Па) забезпечує відсутність окислення або забруднення домішками, що забезпечує хорошу однорідність плівки та контрольовану товщину (0,5-50 мкм). Він підходить для заготовок із титанового сплаву складної форми (таких як титанові стрижні, леза з титанового сплаву та медичні імплантати).

Процес: покриття магнетронним розпиленням (найпоширеніший метод, придатний для середніх і низьких температур, високої-точності)

1. Основний принцип
У високо{0}}вакуумній камері електрони утримуються магнітним полем, щоб бомбардувати цільовий матеріал (металеву/керамічну мішень), змушуючи цільові атоми/іони від’єднуватися й осідати на поверхні підкладки з титанового сплаву, утворюючи щільний шар плівки. Цей процес відноситься до категорії фізичного осадження з парової фази (PVD).

2. Спеціальний процес обробки титанових сплавів (ключ полягає в попередній -обробці підкладки, яка визначає міцність з’єднання)
Попередня-обробка основи (основний етап, на який припадає 70% якості покриття)
Грубе очищення: ультразвукове очищення (ацетон + спирт) для видалення жиру та пилу з подальшим висушуванням;
Видалення пасиваційної плівки: травлення іонами аргону (ступінь вакууму 10⁻³Па, тиск аргону 0,5-1Па, напруга зміщення -100~-300В, час 15-30 хв) для руйнування плівки TiO₂, оголення свіжої поверхні титану та одночасного шорсткості поверхневого шару (шорсткість Ra 0,1-0,3 мкм) для посилення механічного зчеплення;
Попереднє нагрівання: Попереднє нагрівання підкладки з титанового сплаву до 150-300 градусів, щоб зменшити напругу різниці температур між плівкою та підкладкою та запобігти розтріскуванню плівки.
Процес нанесення покриття (Два етапи: спочатку базовий шар, потім нанесення)
Базовий шар: спочатку наноситься перехідний шар (шар Ti або шар Cr, товщина 0,1-0,5 мкм), щоб усунути невідповідність ґрат між титановим сплавом і функціональною плівкою та покращити міцність з’єднання. Параметри: цільовий струм 2-5А, напруга зміщення -50~-100В, час 5-10хв;
Нанесення функціонального шару: виберіть цільовий матеріал відповідно до вимог, контролюйте товщину плівки. Основні параметри: ступінь вакууму 10⁻⁴~10⁻⁵Па, швидкість потоку аргону 20-50 sccm, цільовий струм 3-8A, напруга зміщення -30~-80В, температура осадження менше або дорівнює 400 градусам (щоб уникнути відпалу та розм'якшення титанового сплаву).
До-обробка: природне охолодження до кімнатної температури після вилучення з печі. Високоякісні-деталі можуть пройти низько{3}}температурний відпал (150-200 градусів × 1 год), щоб усунути внутрішню напругу в плівці.

Типові сценарії застосування вакуумного покриття титанового сплаву (вибір відповідного процесу)

1. Аерокосмічна галузь: леза з титанового сплаву, з’єднувачі → Іонне азотування + мульти-дугове покриття TiAlN; Прецизійні вали з титанового сплаву → покриття TiCN за допомогою магнетронного розпилення;
2. Сфера медицини: суглоби з титанового сплаву, кісткові гвинти → DLC-покриття магнетронним напиленням (біосумісне); Імплантати з титанового сплаву → вакуумно-дугове іонне покриття (не-токсичне);
3. Поле прецизійного машинобудування: інструменти з титанового сплаву, прес-форми → магнетронне напилення TiN/TiCN; Повзунки з титанового сплаву → DLC покриття;
4. Галузь морської техніки: кріплення з титанового сплаву, труби → магнетронне напилення CrN (стійкість до корозії в сольових туманах);
5. Декоративне поле: ювелірні вироби з титанового сплаву → вакуумне випаровування Au/TiN (яскраве забарвлення).