Vďaka nízkej hustote, vysokej špecifickej pevnosti, vynikajúcej biokompatibilite a odolnosti voči poveternostným vplyvom,zliatiny titánusa stali základnými konštrukčnými materiálmi v oblastiach, ako je letectvo, vojenské vybavenie, lekárske zariadenia a špičková{0}}civilná výroba. Zliatiny titánu však majú prirodzené nevýhody, vrátane relatívne nízkej povrchovej tvrdosti, nedostatočnej odolnosti proti opotrebovaniu a náchylnosti na galvanickú koróziu, čo výrazne obmedzuje ich použitie pri veľkom zaťažení, trení, korózii morskou vodou a zložitých prevádzkových podmienkach, čím sa obmedzuje ich široké priemyselné využitie.
Na vyriešenie týchto nedostatkov v povrchových vlastnostiach titánových zliatin priemysel široko využíva procesy povrchovej úpravy na zlepšenie ich celkového výkonu. Medzi nimi mikro-oxidácia elektrickým oblúkom (MAO)-nová plazmová-technológia elektrochemickej povrchovej úpravy- môže in situ vytvoriť hustý keramický oxidový film na povrchu substrátu z titánovej zliatiny, čím sa výrazne zlepší odolnosť materiálu proti opotrebeniu, odolnosť proti korózii, tepelná izolácia a elektrické izolačné vlastnosti. V súčasnosti je to hlavný technologický prístup pre špičkové-spevnenie povrchu zliatin titánu. Tento článok systematicky pojednáva o princípoch mikro-oblúkovej oxidačnej technológie, jej procesných výhodách, mechanizmoch kontroly výkonu, nedávneho pokroku vo výskume a jej perspektívach pre priemyselné využitie.
I. Princípy a kľúčové výhody mikro-oblúkovej oxidačnej technológie
Mikro-oxidácia elektrickým oblúkom je vysokoenergetická{1}}technológia povrchovej úpravy vyvinutá z konvenčnej anodizácie. Tento proces rozširuje rozsah elektrochemickej oxidácie do rozsahu vysokonapäťového výboja, čo spôsobuje sériu zložitých fyzikálno-chemických zmien,-ako je iskrový výboj, mikro{5}}rozbitie oblúka a plazmové reakcie-, ktoré sa vyskytujú v kovových obrobkoch ventilov (vrátane titánu, hliníka a horčíka) v elektrolyte. Prostredníctvom spojených efektov elektrochémie, termochémie a plazmochémie rastie na mieste na kovovom povrchu hustý,- keramický oxidový film s vysokou tvrdosťou, ktorý je metalurgicky spojený so substrátom, čím sa dosahuje komplexné posilnenie povrchových vlastností materiálu.
(I) Štvorfázový{0}}mechanizmus tvorby filmu mikro-oxidácie oblúkom Proces tvorby filmu mikro-oblúkovej oxidácie pre zliatiny titánu možno rozdeliť do štyroch po sebe nasledujúcich stupňov, z ktorých každý má odlišné reakčné charakteristiky a jasne definované vrstvy tvorby filmu:
Fáza 1: Pred-iskrová fáza. Na začiatku súčasnej aplikácie sa z povrchu obrobku uvoľní veľké množstvo kyslíka, čím sa vytvorí plynotesná vrstva a na povrchu sa rýchlo vytvorí rovnomerný izolačný pasivačný film. Prúdová hustota rýchlo stúpa na vrchol a potom klesá, čím sa položí základ pre následnú poruchovú reakciu.
Fáza 2: Fáza výboja iskry. Keď napätie stále rastie, slabé oblasti povrchového pasivačného filmu sú ako prvé rozbité vysokým napätím a vytvárajú plazmový výbojový kanál medzi elektródami. Na povrchu obrobku sa objavuje množstvo malých, putujúcich iskier. Body rozpadu sa menia dynamicky a náhodne, čo vedie k počiatočnému rovnomernému rastu filmu.
Fáza 3: Mikro-oblúková reakcia Fáza Ako reakcia pokračuje, rozptýlené iskry sa postupne spájajú do stabilných mikro-oblúkov; intenzita výboja sa zvyšuje, počet oblúkov klesá a ich pohyb sa zrýchľuje. Hrúbka filmu a povrchový odpor sa neustále zvyšujú, prúdová hustota sa postupne stabilizuje a hlavná štruktúra keramického filmu sa rýchlo formuje. Stupeň 4: Stupeň lokalizovaného oblúka. V neskorých štádiách reakcie sa počet povrchových oblúkových škvŕn znižuje, ich pohyb sa spomaľuje, energia výboja sa koncentruje a hustota prúdu ďalej klesá. Povrch obrobku prechádza zložitými procesmi, ako je plazmové bombardovanie, tavenie a difúzia, vysokoteplotné spekanie a fázové prechody tuhnutia, pričom sa nakoniec vytvorí keramický oxidový povlak s výraznou hrúbkou, vysokou hustotou a extrémne silnou priľnavosťou.
(II) Vynikajúce výhody technológie mikro-oblúkovej oxidácie
1. Výnimočne silná priľnavosť: Keramický povlak rastie in situ na substráte, čím sa eliminuje riziko odlupovania alebo delaminácie; jeho priľnavosť ďaleko prevyšuje priľnavosť konvenčných procesov, ako je striekanie a galvanické pokovovanie.
2. Prispôsobiteľné vlastnosti povlaku: Úpravou zloženia elektrolytu, elektrických parametrov a trvania procesu možno presne kontrolovať hrúbku, hustotu, tvrdosť a odolnosť povlaku, aby sa dosiahla prispôsobená funkčnosť.
3. Žiadne poškodenie substrátu: Okamžitá teplota v zóne výboja mikro-oblúka môže dosiahnuť viac ako 2 000 stupňov . Vysoká lokálna teplota plazmy spôsobuje spekanie keramickej fázy, ale celková teplota obrobku zostáva pod 300 stupňov, čo zabraňuje zmäkčeniu substrátu, deformácii a zníženiu výkonu.
4. Silná-schopnosť povrchovej úpravy: Bez obmedzenia štruktúrou obrobku je možné dosiahnuť jednotnú povrchovú úpravu na zložitých, nepravidelne tvarovaných častiach, vnútorných dutinách a rohoch bez mŕtvych zón alebo vynechaní povrchovej úpravy.
5. Jednoduchý a nákladovo{1}}efektívny proces: Nevyžaduje sa vysoké-teplotné ani vákuum; kroky predúpravy sú jednoduché; tok procesu je krátky; spotreba energie je regulovateľná; a efektívnosť nákladov-je vynikajúca.
6. Výrazné zlepšenie celkového výkonu: Spojením húževnatosti kovu s vysokou tvrdosťou a odolnosťou keramiky proti korózii proces výrazne zvyšuje celkový výkon titánovej zliatiny, vrátane odolnosti proti opotrebeniu, odolnosti proti korózii, tepelnej izolácie a elektrickej izolácie.
Využitím jej viacerých výkonnostných výhod-vrátane odolnosti proti opotrebeniu, odolnosti proti korózii, tepelnej izolácie, elektrickej izolácie a biologickej kompatibility{1}} technológia modifikácie MAO zliatiny titánu preukázala široké možnosti použitia v rôznych oblastiach a scenároch. V sektore námorného inžinierstva môžu husté keramické povlaky TiO₂ účinne odolávať korózii z morskej soli a galvanickej korózii, vďaka čomu sú vhodné pre zložité konštrukčné komponenty lodí, potrubné armatúry a presné časti námorného vybavenia, čím sa výrazne zvyšuje odolnosť zariadenia voči starnutiu v morskom prostredí. V sektoroch automobilového priemyslu a priemyselných zariadení ponúkajú nátery MAO vynikajúce vlastnosti tepelnej bariéry a riešia problémy s odlupovaním a teplotným rozdielom odolnosti bežným v tradičných tepelnoizolačných náteroch. Sú vhodné pre vysokoteplotné-súčiastky motora a ťažké-trecie časti, čím zvyšujú odolnosť zariadenia voči vysokým teplotám, opotrebovaniu a umožňujú predĺženú životnosť. V odvetví textilných strojov keramické povlaky s vysokou-tvrdosťou a nízkym{9}}trením výrazne zlepšujú odolnosť vysokorýchlostných komponentov proti opotrebovaniu. Sú vhodné pre časti náchylné na{12}}kritické opotrebenie, ako sú vysokorýchlostné{13} misky na priadzu a zostavy presného vodiaceho drôtu, čím predlžujú životnosť zariadenia. V sektore elektroniky a špičkových zariadení ponúkajú mikro-oblúkové oxidačné povlaky vynikajúce elektromagnetické tienenie, odolnosť voči žiareniu a ochranu pred-vysokým energetickým žiarením. Možno ich použiť na-kvalitné elektronické tieniace panely a ochranné komponenty pre presné prístroje, vďaka čomu sú vhodné pre extrémne prevádzkové podmienky, ako je vysoké napätie, vysoká teplota, vysoká rýchlosť a intenzívne žiarenie. V oblasti medicíny možno na ortopedické implantáty a medicínske nástroje zo zliatiny titánu použiť povlaky s modifikovanou biokompatibilitou{21}, čím sa účinne zvyšuje odolnosť proti korózii a biokompatibilita s vynikajúcou klinickou aplikačnou hodnotou.
E-e-mail:garychen3215@hotmail.com
Adresa: No.35, Baoti Rd, mesto Baoji, provincia Shaanxi, Čína
Kontakt: pán Gary Chen
Telefón: +86-917-8883215
Mobil/WhatsApp: +86 13092900605
