เทคโนโลยีหลักสำหรับการปรับเปลี่ยนพื้นผิวของโลหะผสมไทเทเนียม: การเคลือบสูญญากาศของโลหะผสมไทเทเนียม

เคลือบสูญญากาศโลหะผสมไทเทเนียมเป็นเทคโนโลยีหลักสำหรับการปรับเปลี่ยนพื้นผิวของโลหะผสมไทเทเนียม วัตถุประสงค์หลักคือการชดเชยข้อบกพร่องในท้องถิ่นของโลหะผสมไทเทเนียม (เช่น ความต้านทานการสึกหรอ ความต้านทานการกัดกร่อน -ความต้านทานต่อออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง และการลดแรงเสียดทาน) ในขณะที่ยังคงรักษาข้อได้เปรียบโดยธรรมชาติของความแข็งแรงสูงและน้ำหนักเบา มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาระดับสูง- เช่น การบินและอวกาศ การแพทย์ เครื่องจักรที่มีความแม่นยำ และอุตสาหกรรมยานยนต์

ข้อกำหนดเบื้องต้นที่สำคัญสำหรับการเคลือบสูญญากาศโลหะผสมไทเทเนียม (ขั้นแรก ชี้แจงความเข้ากันได้)

• 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 องศา) การเคลือบสูญญากาศจำเป็นต้องเอาชนะฟิล์มฟิล์มเพื่อให้แน่ใจว่ามีการยึดเกาะอย่างแน่นหนาระหว่างฟิล์มกับพื้นผิว
• ข้อกำหนดการเคลือบแกน: 1 การยึดเกาะมากกว่าหรือเท่ากับ 50N (การทดสอบรอยขีดข่วน/การทดสอบแรงดึง); 2 เนื้อฟิล์มที่หนาแน่นและรูขุมขน-ไม่มี; 3 เข้ากันได้กับความเหนียวของพื้นผิวโลหะผสมไทเทเนียม ป้องกันการแตกร้าวเปราะ ④ ไม่ส่งผลกระทบต่อคุณสมบัติทางกลของตัววัสดุเอง
• ข้อได้เปรียบหลัก: การเคลือบผิวในสภาพแวดล้อมสุญญากาศ (ระดับสุญญากาศ 10⁻³~10⁻⁶Pa) ช่วยให้มั่นใจได้ว่าไม่มีการปนเปื้อนจากออกซิเดชั่นหรือสิ่งเจือปน ส่งผลให้ฟิล์มมีความสม่ำเสมอที่ดีและสามารถควบคุมความหนาได้ (0.5-50μm) เหมาะสำหรับชิ้นงานโลหะผสมไทเทเนียมที่มีรูปร่างซับซ้อน (เช่น แท่งไทเทเนียม ใบมีดโลหะผสมไทเทเนียม และการปลูกถ่ายทางการแพทย์)

กระบวนการ: การเคลือบแมกนีตรอนสปัตเตอร์ (วิธีการที่นิยมใช้กันมากที่สุด เหมาะสำหรับอุณหภูมิปานกลางและต่ำ การใช้งานที่มีความแม่นยำสูง-)

1. หลักการสำคัญ
ในห้องสุญญากาศสูง- อิเล็กตรอนจะถูกจำกัดด้วยสนามแม่เหล็กเพื่อโจมตีวัสดุเป้าหมาย (เป้าหมายโลหะ/เซรามิก) ทำให้อะตอม/ไอออนของเป้าหมายหลุดออกและสะสมอยู่บนพื้นผิวซับสเตรตโลหะผสมไทเทเนียม ทำให้เกิดชั้นฟิล์มหนาแน่น กระบวนการนี้จัดอยู่ในหมวดหมู่ของการสะสมไอทางกายภาพ (PVD)

2. กระบวนการหลักเฉพาะสำหรับโลหะผสมไทเทเนียม (สิ่งสำคัญอยู่ที่การเตรียมพื้นผิวล่วงหน้า- ซึ่งจะเป็นตัวกำหนดความแข็งแรงในการยึดเกาะ)
การเตรียมพื้นผิวเบื้องต้น- (ขั้นตอนหลักคิดเป็น 70% ของคุณภาพการเคลือบ)
การทำความสะอาดแบบหยาบ: การทำความสะอาดอัลตราโซนิก (อะซิโตน + แอลกอฮอล์) เพื่อขจัดน้ำมันและฝุ่น ตามด้วยการทำให้แห้ง
การกำจัดฟิล์มทู่: การกัดด้วยไอออนอาร์กอน (ระดับสุญญากาศ 10⁻³Pa, แรงดันอาร์กอน 0.5-1Pa, แรงดันไบแอส -100~-300V, เวลา 15-30 นาที) เพื่อสลายฟิล์ม TiO₂ เผยให้เห็นพื้นผิวไทเทเนียมสด และทำให้ชั้นผิวหยาบขึ้นไปพร้อมๆ กัน (ความหยาบ Ra 0.1-0.3μm) เพื่อเพิ่มการประสานทางกล
การอุ่นเครื่อง: การอุ่นพื้นผิวโลหะผสมไทเทเนียมไว้ที่ 150-300 องศา เพื่อลดความเครียดจากความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างฟิล์มกับพื้นผิว และป้องกันการแตกร้าวของฟิล์ม
กระบวนการเคลือบ (สองขั้นตอน: ขั้นแรกเป็นชั้นฐานแล้วจึงทับถม)
ชั้นฐาน: ขั้นแรก จะมีการวางชั้นทรานซิชัน (ชั้น Ti หรือชั้น Cr ความหนา 0.1-0.5μm) เพื่อขจัดความไม่ตรงกันของโครงตาข่ายระหว่างโลหะผสมไทเทเนียมกับฟิล์มเชิงฟังก์ชัน และปรับปรุงความแข็งแรงในการยึดเกาะ พารามิเตอร์: เป้าหมายปัจจุบัน 2-5A, แรงดันไบแอส -50 ~ -100V, เวลา 5-10 นาที;
การสะสมของชั้นตามหน้าที่: เลือกวัสดุเป้าหมายตามความต้องการ ควบคุมความหนาของฟิล์ม พารามิเตอร์หลัก: องศาสูญญากาศ 10⁻⁴~10⁻⁵Pa, อัตราการไหลของอาร์กอน 20-50sccm, เป้าหมายปัจจุบัน 3-8A, แรงดันไบแอส -30~-80V, อุณหภูมิการสะสมน้อยกว่าหรือเท่ากับ 400 องศา (เพื่อหลีกเลี่ยงการหลอมและการอ่อนตัวของโลหะผสมไทเทเนียม)
การรักษาหลัง-: ทำให้เย็นลงตามธรรมชาติจนถึงอุณหภูมิห้องหลังจากนำออกจากเตา ชิ้นส่วนระดับไฮเอนด์-สามารถผ่านการอบอ่อนด้วยอุณหภูมิต่ำ-ได้ (150-200 องศา × 1 ชั่วโมง) เพื่อขจัดความเครียดภายในในภาพยนตร์

สถานการณ์การใช้งานทั่วไปของการเคลือบสูญญากาศโลหะผสมไทเทเนียม (การเลือกกระบวนการที่สอดคล้องกัน)

1. สาขาการบินและอวกาศ: ใบมีดโลหะผสมไทเทเนียม ตัวเชื่อมต่อ → ไอออนไนไตรด์ + การเคลือบ TiAlN หลาย-ส่วนโค้ง เพลาโลหะผสมไทเทเนียมที่มีความแม่นยำ → แมกนีตรอนสปัตเตอร์เคลือบ TiCN;
2. สาขาการแพทย์: ข้อต่อโลหะผสมไทเทเนียม, สกรูกระดูก → การเคลือบ DLC แบบแมกนีตรอนสปัตเตอร์ (เข้ากันได้ทางชีวภาพ); การฝังโลหะผสมไททาเนียม → การชุบอาร์คไอออนแบบสุญญากาศ (ไม่-เป็นพิษ)
3. สาขาเครื่องจักรที่มีความแม่นยำ: เครื่องมือโลหะผสมไทเทเนียม, แม่พิมพ์ → TiN/TiCN แมกนีตรอนสปัตเตอร์; แถบเลื่อนโลหะผสมไทเทเนียม → การเคลือบ DLC;
4. สาขาวิศวกรรมทางทะเล: ตัวยึดโลหะผสมไทเทเนียม, ท่อ → CrN แมกนีตรอนสปัตเตอร์ (ความต้านทานการกัดกร่อนของสเปรย์เกลือ);
5. บริเวณตกแต่ง: เครื่องประดับโลหะผสมไทเทเนียม → การชุบการระเหยแบบสุญญากาศ Au/TiN (สีสดใส)