Titanové lepení - Titanium adhesive bonding - Wikipedia

Titanové lepení je inženýrský proces používaný v leteckém a kosmickém průmyslu, výrobě zdravotnických prostředků a jinde. Titanová slitina se často používá v lékařských a vojenských aplikacích kvůli své pevnosti, hmotnosti a odolnosti proti korozi. V implantovatelných zdravotnických prostředcích se používá titan biokompatibilita a jeho pasivní, stabilní oxidová vrstva.[1] Alergie na titan jsou také vzácné a v takových případech jsou zmírnění Parylen používá se povlak.[2] V leteckém a kosmickém průmyslu je titan často spojován, aby se ušetřily náklady, doba dotyku a potřeba mechanických spojovacích prostředků. Trupy ruských ponorek byly v minulosti zcela vyrobeny z titanu, protože nemagnetická povaha materiálu byla v té době obrannou technologií nezjištěna.[3] Lepení lepidla na titan vyžaduje předběžnou přípravu povrchu a pro všechny aplikace neexistuje jediné řešení. Například leptací a chemické metody nejsou biokompatibilní a nelze je použít při kontaktu zařízení s krví a tkáněmi. Techniky mechanické drsnosti povrchu, jako je broušení a laserové hrubování, mohou povrch křehnout a vytvářet oblasti mikrotvrdosti, které by nebyly vhodné pro cyklické zatížení nalezené ve vojenských aplikacích. Oxidace vzduchu při vysokých teplotách vytvoří vrstvu krystalického oxidu při nižších investičních nákladech, ale zvýšené teploty mohou deformovat přesné součásti.[4] Typ lepidla, termosetu nebo termoplastu a způsoby vytvrzování jsou také faktory při spojování titanu kvůli interakci lepidla s ošetřenou vrstvou oxidu. Povrchové úpravy lze také kombinovat. Například po procesu otryskávání může následovat chemické leptání a aplikace primeru.

Brusiva

Oxid hlinitý nebo Alumina a Karbid křemíku se nejčastěji používají k přípravě titanu pro epoxidové lepení. Alumina má na tvrdosti 9 Mohsova stupnice zatímco karbid křemíku má tvrdost těsně pod tvrdostí diamantu.[5] Používají se velikosti částic oxidu hlinitého v rozmezí 10 až 150 mikronů v závislosti na geometrii obrobku a schopnostech tryskání.[5] Částice karbidu křemíku jsou typicky v rozmezí 20 až 50 mikronů, přičemž texturování probíhá rychleji než oxid hlinitý.[5] Když karbid křemíku zasáhne titanový povrch, uvidí obsluha jiskry, jak je to běžné u golfových řidičů s titanovým povrchem, když narazí na povrch země. Pokud jsou v titanovém krytu umístěny citlivé elektronické sestavy, je třeba postupovat opatrně. Elektrostatický výboj lze zmírnit bodovými ionizátory nebo uzemňovacími prvky v nástrojích. Média se skleněnými kuličkami se používají méně často. Přicházejí jako sférické částice v rozmezí 35-100 mikronů.[5] Jsou to 6 na Mohsově stupnici a jsou často používány s vodou k vytvoření hydrofonové kaše.[5] Při aplikaci na komerčně čistý titan materiál, který namáhají sestavu, obvykle po svařování, a vytvoří saténovou povrchovou úpravu ideální pro laserové značení štítků. Povrch je také vhodný jako příprava pro sestavy před parním nanášením Parylenového povlaku.[5]

Tryskání karbidem křemíku na komerčně čistém titanovém vzorku - 500násobné zvětšení.

Drsnosti povrchu je dosaženo použitím tryskací trysky poháněné stlačeným vzduchem. Ohnisko a rychlost média vytvořeného tryskou se mohou měnit v závislosti na požadavcích na drsnost a opakovatelnosti. Drsnost povrchu měřena pomocí Ra, Sa a Sdr se používá k charakterizaci aplikace média a pevnosti lepení. Typické hodnoty Ra pro komerčně čistý titan jsou mezi 0,2 a 0,75 mikrometry.[6] Drsnost povrchu lze přizpůsobit epoxidové viskozitě a konverzi vytvrzení. Zdrsněný povrch se opláchne procesní vodou nebo alkalickým čisticím prostředkem a často se utěsní základním nátěrem Silane A-187 nebo alkoxid.[7] Nanášení základního nátěru lze dosáhnout manuálními prostředky, například štětcem. Lze jej také nastříkat na zdrsněný povrch nebo celou sestavu namočit do základního roztoku a vytvrdit. Na komerčně čistých titanových površích, které byly zdrsněny karbidem křemíku, silánový základ ztmavne povrch, což umožní ověření aplikace.

Implantovatelné zdravotnické prostředky se často vyrábějí v čistý pokoj životní prostředí. Typický hodnocení čistých prostor jsou v rozsahu ISO-7 a ISO-8 nebo mezi třídou 10k a 100k. V takových čistých prostorách nelze používat brusiva a jejich použití. Pokud průchozí okna nejsou k dispozici, je dobrou volbou laserové hrubování.

Laserové hrubování

Laserové měření drsného kontaktního úhlu 1. stupně Ti.

Laserové zdrsnění titanových povrchů pro epoxidové lepení je dobrou volbou, pokud jsou v oblasti výroby omezeny abraziva a chemické látky. Tento proces je také opakovatelnější a konzistentnější než často ruční tryskání. Dalšími výhodami oproti brusivům jsou doba dotyku a údržba. Nevýhodou laserového hrubování jsou náklady na vybavení a nástroje. Laser také zahřeje materiál v závislosti na jeho výstupním výkonu a počtu průchodů. Odstraní materiál z povrchu a vytvoří oblasti ztvrdlého materiálu, které se přemístí do povrchu. Neodymem dotovaný hliníkový granát z ytria (Nd: YAG ), CO2, zelené, femtosekundové lasery lze použít v závislosti na požadavcích na obrobek a adhezi. Markery YAG nebo vláknového laseru, které žíhají titanový povrch, jsou levným řešením, zatímco femtosekundový laser je na špičkové stupnici nákladů. Drsnost povrchu laserem zdrsněných povrchů se nejlépe měří pomocí trojrozměrného skenovacího laserového mikroskopu nebo bezdotykově profilometr. XPS a SEM analýza legovaného titanu, jako je stupeň 5, ukáže segregaci hliníku a vanadu. Laserové zdrsnění se často provádí za okolních podmínek s ochranným plynem argonu nebo bez něj. Okolní prvky, které při vazbě nehrají žádnou roli, jako je uhlík a dusík, lze z povrchové analýzy ignorovat. Laserové hrubování titanu třídy 5 ukáže, že vanad se oddělí od hlavní části slitiny a objeví se na povrchu se zvýšenou hladinou kyslíku. Zkoušky lapovým smykem ukázaly, že tato segregace nemá vliv na adhezi povrchu. Ukázalo se, že zvýšení výkonu laseru zvyšuje oxidaci titanu stupně 5, který byl korelován se zvýšením pevnosti vazby.[8] Ukázalo se také, že produkce oxidu hlinitého na povrchu zlepšuje lepení. Důlky vytvořené více laserovými pulzy zvyšují povrchovou plochu pro adhezi, ale střed topografie bude mít sníženou tvorbu oxidu kvůli plazmě indukované laserem.[9] V závislosti na druhu titanu a použitém lepidle lze laserové parametry výkonu, frekvence a vzoru přizpůsobit požadavkům na zatížení a výše uvedeným příznivým podmínkám pro povrchové prvky. Při použití vyšších výkonů laseru a vícenásobných průchodů může dojít k nechtěnému oxidu kovu. Ty lze odstranit laserovým paprskem s nižším výkonem nebo titanovým kartáčem, aby se zdrsnily. Velikost zrn ovlivní drsnost povrchu, tvrdost a smáčivost povrchu. U titanu 2. stupně tato struktura povrchu zlepšila menší struktura zrna.[10] Stejně jako u brusiv se k utěsnění laserem zdrsněného povrchu používá aplikace silanového primeru.

Komerčně čistý titan zdrsněný pomocí a vláknový laser Rozteč 0,001 palce, rychlost 100 palců za sekundu - 500násobné zvětšení.

Leptací, chemický a eloxovací přípravek

Před těmito ošetřeními rozpouštědlo odmašťovač by měly být použity s otryskáním z oxidu hlinitého k odstranění nežádoucích oxidů na povrchu. Studie z roku 1982 v Naval Air Development Center porovnávala 11 leptavých, chemických a eloxovacích přípravků na titanových vzorcích 5. stupně. Po navázání byly tyto vzorky vystaveny 56 dnům 140 stupňů F a 100% relativní vlhkosti. Růst trhlin byl měřen ve předem vybraných intervalech. Výsledky to ukázaly kyselina chromová eloxování fluoridem, lepidla Turco 5578, Pasa Jell 107C - hydrohone, Pasa Jell 107M - dry hone, Dapcotreat 4023/4000 a alkalický peroxid byly lepší než přípravky na bázi fosforečnanů.[4]

Turco 5578-L je běžně používaný leptací a alkalický čistič titanu. Vyrábí ji společnost Henkel Technologies a dodává se v kapalné formě, takže lze snadno měnit koncentrace. Je to anizotropní leptadlo, kterému se vyhýbá vodíková křehkost.[6] Při použití na titanu stupně 5 vytvoří oxidovou vrstvu o tloušťce 17,5 nm a drsnost povrchu 3,4 um, celkový výškový profil (Rt).[7]

Při zpracování kyselinou chromovou se anodizace obvykle provádí při 5 nebo 10 voltech. Výše uvedená studie z roku 1982 uvádí, že 5 voltů fungovalo lépe než 10 voltů jako funkce průměrného otevření trhlin. V přehledu přípravy na Ti Critchlow a Brewis uvádějí, že 10voltový elox ukázal lepší výsledky odolnosti.[7] 10voltová anodizace může vytvořit sloupcovou a buněčnou vrstvu oxidu o tloušťce mezi 80 a 500 nm.[7] Do vyrobených pórů a vousů lze proniknout výběrem lepidla s nízkou viskozitou, jako je epoxidová pryskyřice 3M 1838 nebo epoxid Epo-Tek 301. Povrchový oxid může být narušen, pokud je před lepením vystaven vysokým teplotám, nad 300 ° C a vlhkosti.[7]

Pasa Jell na mokré a suché broušení jsou chemická leptadla vyráběná společností Semco. Vytvářejí tloušťky oxidu 10-20 nm.[7] Před aplikací se doporučuje odmašťovat povrch titanu a odstranit veškerou korozi pomocí pískování nebo otryskání. Typická doba aplikace je 10–15 minut, po které následuje opláchnutí vodou z vodovodu.[11] Ukázalo se, že aplikace základního nátěru inhibujícího korozi, jako je BR-127, vytváří adhezivní spoje srovnatelné s těmi, které se vyrábějí postupem anodizace kyselinou chromovou.[7]

Reference

  1. ^ Linjiang Chai a kol. Mikrostrukturální charakterizace a variace tvrdosti čistého Ti povrchově upraveného pulzním laserem. Journal of Alloys and Compounds, leden 2018. str. 116-122.
  2. ^ „Nový pohled na parylenové konformní nátěry“.
  3. ^ „Titanové ponorky se vracejí do ruské flotily“.
  4. ^ A b S.R. Brown a G.J. Pilla, titanové povrchové úpravy pro lepení, Naval Air Development Center Warminster, Pa 1982.
  5. ^ A b C d E F „Trysky pro mikroblastování a abrazivní média“ (PDF).
  6. ^ A b S. Zimmermann a kol. Vylepšená adheze na titanových površích pomocí laserem indukované oxidace a zdrsnění povrchu. Materials Science & Engineering, srpen 2012. Str. 755-760.
  7. ^ A b C d E F G G.W. Critchlow a D.M. Brewis. Přezkoumání povrchové předúpravy slitin titanu. Institute of Surface Science & Technology, únor 1995. Strany 161-172.
  8. ^ Palmieri a kol. Příprava povrchu laserovou ablací Ti-6Al-4V pro lepení. NASA Langley Research Center; Hampton, VA, USA, 2012.
  9. ^ J.I. Ahuir-Torres a kol. Vliv laserových parametrů na povrchové textury slitin Ti6Al4V a AA2024-T3, září 2017. Optika a lasery ve strojírenství. Stránky 100-109.
  10. ^ H. Garbacz a kol. Vliv velikosti zrna na povrchové vlastnosti titanu třídy 2 po různých úpravách. Technologie povrchových a nátěrových hmot, květen 2017. Strany 13–24.
  11. ^ „Vylepšení vazby SEMCO Pasa-Jell 107 a 107-M pro slitiny titanu“ (PDF).