Kerneteknologien til overflademodifikation af titanlegeringer: Vakuumbelægning af titanlegeringer

Vakuumbelægning af titanlegeringer en kerneteknologi til overflademodifikation af titanlegeringer. Dens hovedformål er at kompensere for de lokale mangler ved titanlegeringer (såsom slidstyrke, korrosionsbestandighed, høj-temperatur-oxidationsmodstand og friktionsreduktion) og samtidig bevare deres iboende fordele med høj styrke og lav vægt. Det bruges i vid udstrækning inden for-avancerede områder såsom rumfart, medicin, præcisionsmaskiner og bilindustrien.

Nøgleforudsætninger for titaniumlegering vakuumbelægning (først, afklar 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). Vakuumbelægning kræver, at passiveringsfilmen overvindes for at sikre stærk vedhæftning mellem filmen og underlaget.
• Krav til kernebelægning: ① Vedhæftning større end eller lig med 50N (ridsetest/trækprøve); ② Tæt og pore-fri film; ③ Kompatibel med sejheden af ​​titanlegeringssubstratet, hvilket forhindrer sprøde revner; ④ Påvirker ikke selve underlagets mekaniske egenskaber.
• Kernefordele: Belægning i et vakuummiljø (vakuumgrad 10⁻³~10⁻⁶Pa) sikrer ingen oxidation eller urenhedsforurening, hvilket resulterer i god filmens ensartethed og kontrollerbar tykkelse (0,5-50μm). Det er velegnet til kompleksformede emner af titanlegering (såsom titaniumstænger, titanlegeringsblade og medicinske implantater).

Proces: Magnetron-forstøvningsbelægning (den mest almindelige metode, velegnet til medium og lav temperatur, høj-præcisionsanvendelse)

1. Kerneprincip
I et høj-vakuumkammer er elektroner indespærret af et magnetfelt for at bombardere målmaterialet (metal/keramisk mål), hvilket får målatomerne/ionerne til at løsne sig og aflejres på titanlegeringssubstratets overflade og danner et tæt filmlag. Denne proces falder ind under kategorien fysisk dampaflejring (PVD).

2. Dedikeret kerneproces for titaniumlegeringer (Nøglen ligger i substratforbehandlingen, som bestemmer bindingsstyrken)
Forbehandling af underlaget- (kernetrin, tegner sig for 70 % af belægningskvaliteten)
Grov rengøring: Ultralydsrensning (acetone + alkohol) for at fjerne olie og støv, efterfulgt af tørring;
Fjernelse af passiveringsfilm: Argonionætsning (vakuumgrad 10⁻³Pa, argontryk 0,5-1Pa, forspænding -100~-300V, tid 15-30min) for at nedbryde TiO₂-filmen, eksponere en frisk titaniumoverflade og samtidig gøre overfladelaget ru. mekanisk sammenlåsning;
Forvarmning: Forvarmning af titanlegeringssubstratet til 150-300 grader for at reducere temperaturforskellen mellem filmen og substratet og forhindre, at filmen revner.
Belægningsproces (to trin: først et basislag, derefter aflejring)
Basislag: Først aflejres et overgangslag (Ti-lag eller Cr-lag, tykkelse 0,1-0,5 μm) for at eliminere gittermisforholdet mellem titanlegeringen og den funktionelle film og forbedre bindingsstyrken. Parametre: målstrøm 2-5A, forspænding -50~-100V, tid 5-10min;
Funktionel lagaflejring: Vælg målmateriale efter krav, kontroller filmtykkelse. Kerneparametre: vakuumgrad 10⁻⁴~10⁻⁵Pa, argonstrømningshastighed 20-50sccm, målstrøm 3-8A, forspænding -30~-80V, aflejringstemperatur Mindre end eller lig med 400 grader (for at undgå udglødning og blødgøring af titaniumlegeringen).
Efter-behandling: Naturlig afkøling til stuetemperatur efter fjernelse fra ovnen. Høje-dele kan gennemgå lav-temperaturudglødning (150-200 grader × 1 time) for at eliminere indre spændinger i filmen.

Typiske anvendelsesscenarier for titaniumlegering vakuumcoating (tilsvarende procesvalg)

1. Luft- og rumfartsområde: blade af titaniumlegering, konnektorer → Ionnitrering + TiAlN multi-buebelægning; Titanium legering præcision aksler → Magnetron sputtering TiCN belægning;
2. Medicinsk område: Titaniumlegeringsled, knogleskruer → Magnetronsputtering DLC-belægning (biokompatibel); Titaniumlegeringsimplantater → Vakuumbue-ionplettering (ikke-toksisk);
3. Præcisionsmaskineri område: Titanium legering værktøjer, forme → TiN/TiCN magnetron sputtering; Titanium legering skydere → DLC belægning;
4. Marineteknikområde: Fastgørelseselementer af titaniumlegering, rør → CrN magnetronforstøvning (korrosionsbestandighed mod saltspray);
5. Dekorativt felt: Titaniumlegeringssmykker → Vakuumfordampningsbelægning Au/TiN (lys farve).