Klejenie tytanu
Klejenie tytanu to proces inżynieryjny stosowany w przemyśle lotniczym, produkcji urządzeń medycznych i nie tylko. Stop tytanu jest często używany w zastosowaniach medycznych i wojskowych ze względu na jego wytrzymałość, wagę i odporność na korozję. We wszczepialnych urządzeniach medycznych tytan jest stosowany ze względu na swoją biokompatybilność i pasywną, stabilną warstwę tlenkową. Również alergie na tytan są rzadkie iw takich przypadkach środki łagodzące, takie jak Parylen stosowane są powłoki. W przemyśle lotniczym tytan jest często łączony, aby zaoszczędzić koszty, skrócić czas kontaktu i zmniejszyć potrzebę stosowania mechanicznych łączników. W przeszłości kadłuby rosyjskich okrętów podwodnych były w całości wykonane z tytanu, ponieważ niemagnetyczny charakter materiału pozostawał niewykryty przez ówczesną technologię obronną. Łączenie kleju z tytanem wymaga wcześniejszego przygotowania powierzchni i nie ma jednego rozwiązania dla wszystkich zastosowań. Na przykład wytrawianie i metody chemiczne nie są biokompatybilne i nie można ich stosować, gdy urządzenie wejdzie w kontakt z krwią i tkanką. Techniki mechanicznego wyrównywania chropowatości powierzchni, takie jak szlifowanie i szorstkowanie laserowe, mogą powodować kruchość powierzchni i tworzenie obszarów mikrotwardości, które nie byłyby odpowiednie do obciążeń cyklicznych występujących w zastosowaniach wojskowych. Utlenianie powietrzem w wysokich temperaturach spowoduje wytworzenie krystalicznej warstwy tlenku przy niższych kosztach inwestycji, ale podwyższone temperatury mogą zdeformować precyzyjne części. Rodzaj kleju, termoutwardzalny lub termoplastyczny oraz metody utwardzania są również czynnikami wpływającymi na wiązanie tytanu ze względu na interakcję kleju z obrabianą warstwą tlenku. Obróbki powierzchni można również łączyć. Na przykład po procesie obróbki strumieniowo-ściernej może nastąpić chemiczne wytrawianie i nałożenie podkładu.
Materiały ścierne
Tlenek glinu lub tlenek glinu i węglik krzemu są najczęściej używane do przygotowania tytanu do wiązania epoksydowego. Tlenek glinu ma twardość 9 w skali Mohsa , podczas gdy węglik krzemu ma twardość nieco poniżej twardości diamentu. W zależności od geometrii przedmiotu obrabianego i możliwości obróbki strumieniowo-ściernej stosowane są cząstki tlenku glinu o wielkości od 10 do 150 mikronów. Cząsteczki węglika krzemu mają zwykle wielkość w zakresie od 20 do 50 mikronów, a teksturowanie zachodzi szybciej niż tlenek glinu. Kiedy węglik krzemu uderza w tytanową powierzchnię, operator widzi iskry, tak jak w przypadku golfistów z tytanową powierzchnią, gdy uderzają w powierzchnię podłoża. Należy zachować ostrożność, jeśli w tytanowej obudowie znajdują się wrażliwe zespoły elektroniczne. Wyładowania elektrostatyczne można złagodzić za pomocą jonizatorów punktowych lub elementów uziemiających w narzędziach. Rzadziej używane są kulki szklane. Występują w postaci kulistych cząstek w zakresie 35-100 mikronów. Mają 6 w skali Mohsa i są często używane z wodą do tworzenia zawiesiny hydrohonowej. Po zastosowaniu do czystości handlowej tytanowy odciążą montaż, zwykle po spawaniu, i stworzą satynowe wykończenie, idealne do znakowania laserowego etykiet. Powierzchnia nadaje się również jako przygotowanie do montażu przed naparowaniem powłoki parylenowej.
Chropowatość powierzchni uzyskuje się dzięki zastosowaniu dyszy czyszczącej napędzanej sprężonym powietrzem. Ostrość i prędkość mediów tworzonych przez dyszę można zmieniać w zależności od wymagań dotyczących chropowatości i powtarzalności. Chropowatość powierzchni mierzona za pomocą Ra, Sa i Sdr jest wykorzystywana do scharakteryzowania aplikacji nośnika i siły wiązania kleju. Typowe wartości Ra dla komercyjnie czystego tytanu wynoszą od 0,2 do 0,75 mikrometra. Chropowatość powierzchni można dostosować do lepkości żywicy epoksydowej i konwersji utwardzania. Chropowata powierzchnia jest spłukiwana wodą procesową lub alkalicznym środkiem czyszczącym i często jest uszczelniana za pomocą podkładu, np Silan A-187 lub alkoholan. Nakładanie podkładu można przeprowadzić ręcznie, np. pędzlem. Można go również natryskiwać na chropowatą powierzchnię lub cały zespół można zanurzyć w roztworze podkładu i utwardzić. Na komercyjnie czystych powierzchniach tytanowych, które zostały zszorstkowane węglikiem krzemu, podkład silanowy przyciemni powierzchnię, umożliwiając weryfikację aplikacji.
Wszczepialne urządzenia medyczne są często produkowane w środowisku pomieszczeń czystych . Typowe oceny pomieszczeń czystych mieszczą się w zakresie ISO-7 i ISO-8 lub między klasami 10k i 100k. Materiały ścierne i ich zastosowanie nie mogą być przechowywane w takich pomieszczeniach czystych. Jeśli okna przelotowe nie są dostępne, dobrym rozwiązaniem jest szorstkowanie laserowe.
Chropowatość laserowa
Laserowe szorstkowanie powierzchni tytanowych do klejenia epoksydowego jest dobrym rozwiązaniem, gdy środki ścierne i chemiczne są ograniczone w obszarze produkcyjnym. Proces jest również bardziej powtarzalny i spójny niż często ręczna obróbka strumieniowo-ścierna. Inne zalety w porównaniu z materiałami ściernymi to czas kontaktu i konserwacja. Wadą chropowatości laserowej jest koszt sprzętu i narzędzi. Ponadto laser podgrzeje materiał w zależności od mocy wyjściowej i liczby przejść. Usunie materiał z powierzchni i utworzy obszary utwardzonego materiału, które zostaną przeniesione na powierzchnię. Granat itrowo-aluminiowy domieszkowany neodymem ( Nd:YAG ), CO 2, zielone lasery femtosekundowe mogą być stosowane w zależności od przedmiotu obrabianego i wymagań dotyczących przyczepności. Znaczniki laserowe YAG lub światłowodowe, które wyżarzają powierzchnię tytanu, są niedrogim rozwiązaniem, podczas gdy laser femtosekundowy znajduje się na górnym końcu skali kosztów. profilometru bezkontaktowego . XPS i SEM analiza stopu tytanu, takiego jak stopień 5, pokaże segregację aluminium i wanadu. Często szorstkowanie laserowe odbywa się w warunkach otoczenia z argonem lub bez gazu osłonowego. Elementy otoczenia, które nie odgrywają żadnej roli w wiązaniu, takie jak węgiel i azot, można pominąć w analizie powierzchni. Chropowatość laserowa tytanu stopnia 5 pokaże, że wanad oddzieli się do masy stopu i pojawi się na powierzchni ze zwiększonym poziomem tlenu. Testy ścinania zakładek wykazały, że ta segregacja nie wpływa na przyczepność powierzchni. Wykazano, że wzrost mocy lasera zwiększa utlenianie tytanu stopnia 5, co zostało skorelowane ze zwiększeniem siły wiązania. Wykazano również, że wytwarzanie tlenku glinu na powierzchni poprawia wiązanie. Wgłębienia utworzone przez wiele impulsów laserowych zwiększają powierzchnię przylegania, ale środek topografii będzie miał zmniejszone tworzenie się tlenków z powodu plazmy indukowanej laserem. W zależności od gatunku tytanu i zastosowanego spoiwa parametry mocy, częstotliwości i wzoru lasera można dostosować do wymagań dotyczących obciążenia i wspomnianych wcześniej korzystnych warunków pierwiastków powierzchniowych. Niepożądany tlenek metalu może wystąpić, gdy stosowane są wyższe moce lasera i wielokrotne przejścia. Można je usunąć za pomocą lasera o niższej mocy lub szczotki tytanowej, po szorstkowaniu. Wielkość ziarna wpływa na chropowatość, twardość i zwilżalność powierzchni. W przypadku tytanu klasy 2 mniejsza struktura ziarna poprawiła właściwości przygotowania powierzchni. Podobnie jak w przypadku materiałów ściernych, do uszczelnienia laserowo chropowatej powierzchni stosuje się podkład silanowy.
Preparat wytrawiający, chemiczny i anodujący
Przed tymi zabiegami należy użyć odtłuszczacza rozpuszczalnikowego z piaskiem z tlenku glinu, aby usunąć niepożądane tlenki z powierzchni. Badanie przeprowadzone w 1982 roku w Centrum Rozwoju Lotnictwa Marynarki Wojennej porównało 11 preparatów trawiących, chemicznych i anodujących na próbkach tytanu klasy 5. Po związaniu próbki wystawiono na 56 dni w temperaturze 140 stopni F i 100% wilgotności względnej. Wzrost pęknięć mierzono w określonych odstępach czasu. Wyniki wykazały, że kwasem chromowym z fluorkami, wytrawiaczami Turco 5578, Pasa Jell 107C – hydrohonowanie, Pasa Jell 107M – honowanie na sucho, Dapcotreat 4023/4000 i nadtlenek alkaliczny były lepsze od preparatów fluorkowo-fosforanowych.
Turco 5578-L to powszechnie stosowany wytrawiacz i alkaliczny środek czyszczący do tytanu. Jest produkowany przez firmę Henkel Technologies i występuje w postaci płynnej, dzięki czemu stężenie można łatwo modyfikować. Jest anizotropowym wytrawiaczem, który zapobiega kruchości wodorowej . W przypadku zastosowania na tytanie Grade 5 powstanie warstwa tlenku o grubości 17,5 nm i chropowatości powierzchni o profilu całkowitej wysokości 3,4 um (R t ).
W obróbce kwasem chromowym anodowanie jest zwykle wykonywane przy napięciu 5 lub 10 woltów. Badanie z 1982 roku, o którym mowa powyżej, wykazało, że napięcie 5 woltów działało lepiej niż napięcie 10 woltów w funkcji średniego otwierania pęknięć. W przeglądzie przygotowania do Ti, Critchlow i Brewis stwierdzają, że anodowanie 10-woltowe wykazało lepsze wyniki trwałości. 10-woltowe anodowanie może wytworzyć kolumnową i komórkową warstwę tlenku o grubości od 80 do 500 nm. Powstałe pory i wąsy można penetrować, wybierając klej o niskiej lepkości, taki jak żywica epoksydowa 3M 1838 lub żywica epoksydowa Epo-Tek 301. Tlenek powierzchni może ulec uszkodzeniu, jeśli przed klejeniem zostanie poddany działaniu wysokich temperatur, powyżej 300°C i wilgoci.
Pasa Jell honowanie na mokro i na sucho to wytrawiacze chemiczne produkowane przez firmę Semco. Tworzą tlenki o grubości 10-20 nm. Zaleca się odtłuszczenie powierzchni tytanowej i usunięcie korozji poprzez piaskowanie i/lub obróbkę strumieniowo-ścierną przed aplikacją. Typowy czas aplikacji to 10-15 minut, po czym następuje spłukanie wodą z kranu. Wykazano, że zastosowanie podkładu hamującego korozję, takiego jak BR-127, daje spoiny klejowe porównywalne do spoin wytwarzanych w procesie anodowania kwasem chromowym.