표면반응층의 성질
티타늄은 특히 고온 가공, 열처리 또는 주조 중에 공기에 노출될 때 높은 온도에서 반응성이 높습니다. 약 590~620도(1100~1150도 F) 이상으로 가열되면 티타늄은 산소 및 질소와 반응하여 깨지기 쉽고 산소가 풍부한- 표면층을 형성합니다.알파 케이스(또는 반응층). 이 층은 일반적으로 두께가 50~300μm이고 산소 및 질소와 같은 격자간 요소로 오염되어 연성 및 피로 저항이 크게 감소합니다. 제거되지 않은 알파 케이스는 피로 수명을 최대 50%까지 줄일 수 있으므로 구조적 및 피로에 민감한{5}}중요 구성요소에 있어 중요한 문제입니다.
기본 제거 방법
후속 가공, 용접 또는 서비스 전에 표면 반응층을 완전히 제거해야 합니다. 처리 방법은 기계적 방법, 화학적 방법, 전기화학적 방법의 세 가지 범주로 분류됩니다.
1. 기계적 방법
샌드블라스팅(그릿 블라스팅):백색 커런덤은 일반적으로 티타늄 표면을 샌드블라스팅하는 데 사용됩니다. 과도한 열 발생을 방지하려면 폭파 압력을 -일반적으로 0.45MPa 미만-으로 주의 깊게 제어해야 합니다. 주입 압력이 너무 높으면 연마 입자가 티타늄 표면에 충격을 가해 강렬한 스파크가 발생하고 표면과 반응하여 2차 오염이 발생할 수 있는 국부적인 온도 상승이 발생합니다. 일반적으로 15~30초의 샌드블라스팅 시간은 끈적끈적한 모래, 표면 소결층 및 부분 산화층을 제거하는 데 충분합니다. 그러나 샌드블래스팅만으로는 반응층을 완전히 제거할 수 없습니다. 이는 화학적 산세척 전-전처리 단계 역할을 합니다.
가공 및 연삭:정밀 연삭 또는 선삭은 일반적으로 알파 케이스 층을 제거하고 그 아래에 있는 모재의 깊이를 제어하여 취성 영역을 제거하는 데 사용됩니다. 사양에는 종종 영향을 받은 층을 완전히 제거하기 위한 최소 제거 깊이가 명시되어 있습니다. 그러나 분쇄는 신중하게 제어해야 합니다.-과도한 압력은 새로운 알파 케이스 층을 생성할 수 있는 열을 발생시킵니다. 연삭 공정은 상대적으로 느리고 좁은 스트립의 재료를 제거하므로 종종 전체 표면에 여러 번 통과해야 합니다.
2. 화학적 방법
산세척(산 에칭):산세척은 표면을 다른 원소로 오염시키지 않고 표면반응층을 완전히 제거하는 가장 빠르고 효과적인 방법이다. 두 가지 산성 시스템이 일반적으로 사용됩니다.
HF-HNO₃ 시스템:이것이 선호되는 산세 용액입니다. HF 농도는 일반적으로 3~5%이고 HNO₃ 농도는 15~30%입니다. HNO₃는 산화제 역할을 하여 티타늄의 과도한 용해 및 수소흡수를 방지하는 동시에 밝은 표면마감을 제공합니다. 이 시스템은 HF-HCl 용액에 비해 수소 흡수 능력이 낮아 재료에 더 안전합니다.
HF-HCl 시스템:산세척에는 효과적이지만 이 시스템은 수소 흡수 용량이 더 크기 때문에 티타늄 합금의 심각한 문제인 수소 취화-를 초래할 수 있습니다. 따라서 중요한 응용 프로그램에서는 덜 일반적으로 사용됩니다.
산 비율은 매우 중요합니다. 용액은 일반적으로 합금 유형에 따라 수소 픽업을 최소화하기 위해 HNO₃ 대 HF(원산)의 부피 비율을 5:1~10:1로 유지합니다. 샌드 블라스팅 후 산 세척을 통해 티타늄 판과 막대의 남은 표면 반응층을 완전히 제거할 수 있습니다.
화학적 밀링:화학적 밀링은 균일한 스톡 제거, 단조품의 알파{0}}케이스 제거 및 기계 가공이 불가능한 표면 개선에 사용됩니다. 이 공정에는 식각 속도, 시간, 온도 및 농도가 엄격하게 제어되는 제어된 화학적 식각액에 부품을 담그는 과정이 포함됩니다. 에칭 후 부품은 중화 및 헹굼 과정을 거쳐 과도한-에칭이나 구멍이 생기는 것을 방지합니다. 이 방법은 기하학적 구조가 복잡한 항공우주 부품에 특히 유용합니다.
화학 연마:특정 비율의 HF와 HNO₃의 혼합물은 화학적 연마에 사용될 수 있습니다. HF는 환원제 역할을 하여 티타늄 금속을 용해시켜 표면을 평탄하게 하고, HNO₃(10% 이하 농도)는 산화 역할을 하여 티타늄의 과도한 용해와 수소 흡수를 방지하고 밝은 효과를 줍니다. 이 공정에는 고농도, 저온, 짧은 연마 시간(1~2분)이 필요합니다. 이 방법은 경도나 형태에 관계없이 용액과 접촉하는 모든 표면을 연마하므로 티타늄 의치 프레임워크와 같은 복잡한 구조에 특히 적합합니다.
3. 전기화학적 방법
전해 연마:전기화학적 또는 양극 용해 연마라고도 알려진 이 방법은 티타늄의 전도성이 낮고 산화 경향이 강하기 때문에 티타늄의 문제에 직면해 있습니다. 기존의 수성 산성 전해질(예: HF-H₃PO₄ 또는 HF-H2SO₄)은 전압을 인가하는 즉시 티타늄 양극이 산화되어 양극 용해를 방지하기 때문에 일반적으로 효과가 없습니다. 그러나 저전압에서 무수 염화물 전해질은 작은 시편에 경면 마감을 생성할 수 있는 우수한 연마 효과를 나타냈습니다. 복잡한 구성 요소의 경우 음극 형상 및 추가 음극 구성을 최적화하기 위한 추가 연구가 필요합니다.
특허받은 전기화학적 컨디셔닝:획기적인 전기화학 공정(MetCon에서 개발)은 기존의 연삭, 기계 가공 및 산세척을 낮은-수율-손실의 전기화학 단계로 대체합니다. 이 공정에서는 독점적인 전해질과 색다른 정류 방식을 사용하여 정밀한 제어로 알파 케이스 층을 제거합니다. 가장 깊은 균열 끝 부분까지 모든 물질을 제거하는 기계적 방법과 달리, 전기화학적 공정은 균열 가장자리를 우선적으로 공격하여 훨씬 더 많은 금속을 유지하면서 균열 가장자리를 매끄럽게 하고 페더링 처리합니다. 이 공정은 기존 방법의 3~7%에 비해 컨디셔닝 단계당 0.5~3%의 재료만 제거하여 완제품 수율을 10~20% 이상 향상시킵니다. 이 접근법은 또한 전통적인 산세척과 관련된 유해 폐기물을 제거합니다.
공정 순서 및 품질 관리
표면 반응층을 완전히 제거하기 위한 일반적인 공정 순서는 다음과 같습니다.
초기 기계적 처리:총 표면 오염 및 산화물 스케일을 제거하기 위한 샌드블라스팅 또는 연삭
화학적 석회질 제거:무거운 산화물 층을 위한 용융된 뜨거운 알칼리 염 스케일 제거 또는 연마 처리
산성 산 세척:알파케이스층을 완전히 제거하는 HF-HNO₃ 용액
최종 확인:NASA PRC-5010 및 ASTM B600과 같은 사양에서 요구하는 대로 완전한 알파 케이스 제거를 확인하기 위한 육안 검사 및 미세 경도 테스트
중요한 고려사항
수소 취성:티타늄과 그 합금은 수소 취성에 취약합니다. 열처리, 산세척, 화학적 밀링 중에는 과도한 수소 픽업을 방지하기 위해 주의가 필요합니다. HF-HNO₃ 시스템은 다른 산 시스템에 비해 수소 흡수를 최소화하기 때문에 선호됩니다.
진공 열처리:완성된 부품의 최종 열처리는 알파 케이스 형성을 완전히 방지하기 위해 진공에서 이상적으로 수행되어야 합니다. 진공열처리를 사용하면 사전 가공이나 산세척을 피할 수 있습니다. 그러나 표면 청결이 가장 중요합니다.{2}}진공 대기에서 지문이나 기름 잔여물이 알파 케이스 형성을 유발할 수 있으며, 세척제의 염화물이 티타늄의 응력 부식 균열과 관련되어 있습니다.
금속 조직 탐지:품질 보증을 위해 Kroll의 시약(물에 1~3% 불화수소산 + 2~6% 질산)이 일반적으로 일반적인 미세 구조를 밝히는 데 사용됩니다. 알파 케이스 감지의 경우 Kroll 식각 후에는 알파 케이스를 제외한 전체 샘플을 염색하는 중불화암모늄 용액을 사용하여 부서지기 쉬운 층을 명확하게 표시하여 검사할 수 있습니다.
