Kärnteknologin för ytmodifiering av titanlegeringar: Vakuumbeläggning av titanlegeringar

Vakuumbeläggning av titanlegeringär en kärnteknologi för ytmodifiering av titanlegeringar. Dess huvudsakliga syfte är att kompensera för de lokala bristerna hos titanlegeringar (såsom slitstyrka, korrosionsbeständighet, hög-temperaturoxidationsbeständighet och friktionsreduktion) samtidigt som de behåller sina inneboende fördelar med hög hållfasthet och låg vikt. Det används i stor utsträckning inom-avancerade områden som flyg-, medicin-, precisionsmaskiner och fordonsindustrier.

Nyckelförutsättningar för vakuumbeläggning av titanlegering (först, förtydliga kompatibilitet)

• 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 grader). Vakuumbeläggning kräver att passiveringsfilmen övervinns för att säkerställa stark vidhäftning mellan filmen och substratet.
• Krav på kärnbeläggning: ① Vidhäftning Större än eller lika med 50N (skraptest/dragprov); ② Tät och porfri-film; ③ Kompatibel med segheten hos titanlegeringssubstratet, förhindrar spröd sprickbildning; ④ Påverkar inte de mekaniska egenskaperna hos själva substratet.
• Kärnfördelar: Beläggning i vakuummiljö (vakuumgrad 10⁻³~10⁻⁶Pa) säkerställer ingen oxidation eller förorening, vilket resulterar i god filmlikformighet och kontrollerbar tjocklek (0,5-50μm). Den är lämplig för komplext formade arbetsstycken av titanlegering (som titanstavar, blad av titanlegering och medicinska implantat).

Process: Magnetronförstoftningsbeläggning (den mest vanliga metoden, lämplig för applikationer med medelhög och låg temperatur, hög-precision)

1. Kärnprincip
I en hög-vakuumkammare begränsas elektroner av ett magnetfält för att bombardera målmaterialet (metall/keramiskt mål), vilket gör att målatomerna/-jonerna lossnar och avsätts på titanlegeringssubstratets yta och bildar ett tätt filmskikt. Denna process faller under kategorin fysisk ångdeposition (PVD).

2. Dedikerad kärnprocess för titanlegeringar (nyckeln ligger i substratförbehandlingen, som bestämmer bindningsstyrkan)
Underlagsförbehandling- (Kärnsteg, står för 70 % av beläggningskvaliteten)
Grov rengöring: Ultraljudsrengöring (aceton + alkohol) för att avlägsna olja och damm, följt av torkning;
Avlägsnande av passiveringsfilm: Argonjonetsning (vakuumgrad 10⁻³Pa, argontryck 0,5-1Pa, förspänning -100~-300V, tid 15-30min) för att bryta ner TiO₂-filmen, exponera en ny titanyta och samtidigt göra ytskiktet ojämnt (10-1m) för att göra ytskiktet ojämnt. mekanisk förregling;
Förvärmning: Förvärmning av titanlegeringssubstratet till 150-300 grader för att minska temperaturskillnaden mellan filmen och substratet och förhindra filmsprickor.
Beläggningsprocess (två steg: först ett basskikt, sedan deponering)
Basskikt: Först avsätts ett övergångsskikt (Ti-skikt eller Cr-skikt, tjocklek 0,1-0,5 μm) för att eliminera gallermissanpassningen mellan titanlegeringen och den funktionella filmen och förbättra bindningsstyrkan. Parametrar: målström 2-5A, förspänning -50~-100V, tid 5-10min;
Funktionell skiktavsättning: Välj målmaterial enligt krav, kontrollera filmtjockleken. Kärnparametrar: vakuumgrad 10⁻⁴~10⁻⁵Pa, argonflödeshastighet 20-50sccm, målström 3-8A, förspänning -30~-80V, avsättningstemperatur Mindre än eller lika med 400 grader (för att undvika glödgning och uppmjukning av titanlegeringen).
Efter-behandling: Naturlig kylning till rumstemperatur efter borttagning från ugnen. Höga-delar kan genomgå låg-temperaturglödgning (150-200 grader × 1h) för att eliminera inre spänningar i filmen.

Typiska tillämpningsscenarier för vakuumbeläggning av titanlegering (motsvarande processval)

1. Flygfält: blad av titanlegering, kopplingar → jonnitrering + TiAlN multi-bågbeläggning; Precisionsaxlar av titanlegering → Magnetronförstoftande TiCN-beläggning;
2. Medicinskt område: Titanlegeringsleder, benskruvar → Magnetronsputtering DLC-beläggning (biokompatibel); Titanlegeringsimplantat → Vakuumbågejonplätering (icke-toxisk);
3. Precisionsmaskinområde: Titanlegeringsverktyg, formar → TiN/TiCN magnetronförstoftning; Titanlegeringar → DLC-beläggning;
4. Marinteknikområde: fästelement av titanlegering, rör → CrN-magnetronförstoftning (korrosionsbeständighet mot saltspray);
5. Dekorativt område: Titanlegeringssmycken → Vakuumavdunstningsplätering Au/TiN (ljus färg).