Титановое клеевое соединение - Titanium adhesive bonding - Wikipedia

Титановое клеевое соединение это инженерный процесс, используемый в аэрокосмической промышленности, производстве медицинских устройств и в других местах. Титановый сплав часто используется в медицине и военном деле из-за его прочности, веса и устойчивости к коррозии. В имплантируемых медицинских устройствах титан используется из-за его биосовместимость и его пассивный, стабильный оксидный слой.[1] Кроме того, аллергия на титан встречается редко, и в таких случаях ее смягчают. Парилен покрытия.[2] В аэрокосмической промышленности титан часто связывают для экономии средств, сокращения времени прикосновения и необходимости механических креплений. В прошлом корпуса российских подводных лодок были полностью изготовлены из титана, потому что немагнитная природа материала в то время не использовалась оборонными технологиями.[3] Приклеивание клея к титану требует предварительной подготовки поверхности, и не существует единого решения для всех областей применения. Например, травление и химические методы не являются биосовместимыми и не могут применяться, когда устройство будет контактировать с кровью и тканями. Методы механической обработки поверхности, такие как шлифование и лазерное придание шероховатости, могут сделать поверхность хрупкой и создать области микротвердости, которые не подходят для циклического нагружения, применяемого в военных целях. Окисление на воздухе при высоких температурах приведет к образованию слоя кристаллического оксида с меньшими инвестиционными затратами, но повышенные температуры могут деформировать прецизионные детали.[4] Тип клея, термореактивный или термопластичный, а также способы отверждения также являются факторами при связывании титана из-за взаимодействия клея с обработанным оксидным слоем. Обработку поверхности также можно комбинировать. Например, после абразивоструйной обработки может быть выполнено химическое травление и нанесение грунтовки.

Абразивы

Оксид алюминия или глинозем и Карбид кремния чаще всего используются для подготовки титана к эпоксидной связи. Глинозем имеет твердость 9 по шкале Шкала Мооса в то время как карбид кремния имеет твердость чуть ниже алмаза.[5] Размер частиц оксида алюминия составляет от 10 до 150 микрон, в зависимости от геометрии заготовки и возможностей взрывных работ.[5] Частицы карбида кремния обычно имеют размер от 20 до 50 микрон, причем текстурирование происходит быстрее, чем у оксида алюминия.[5] Когда карбид кремния попадает на титановую поверхность, оператор видит искры, как это часто бывает с гольф-драйверами с титановым покрытием, когда они ударяются о поверхность земли. Необходимо соблюдать осторожность, если чувствительные электронные узлы размещены внутри титанового корпуса. Электростатический разряд можно уменьшить с помощью точечных ионизаторов или заземления в инструментах. Реже используются стеклянные шарики. Они представляют собой сферические частицы размером от 35 до 100 микрон.[5] Они имеют 6 баллов по шкале Мооса и часто используются с водой для создания гидрофонной суспензии.[5] Применительно к коммерчески чистым титан Материал, из которого они состоят, снимает нагрузку с сборки, как правило, после сварки, и создает матовую поверхность, идеально подходящую для лазерной маркировки этикеток. Поверхность также подходит в качестве подготовки для сборки перед напылением париленового покрытия.[5]

Пескоструйная обработка карбида кремния на образце технически чистого титана - 500-кратное увеличение.

Шероховатость поверхности достигается за счет использования струйного сопла, приводимого в движение сжатым воздухом. Фокус и скорость среды, создаваемой соплом, можно варьировать в зависимости от требований к шероховатости и повторяемости. Шероховатость поверхности измеряется с помощью Ра, Са и Сдр Используется для характеристики применения носителя и прочности адгезионного соединения. Типичные значения Ra для технически чистого титана составляют от 0,2 до 0,75 мкм.[6] Шероховатость поверхности может быть адаптирована к вязкости эпоксидной смолы и степени ее отверждения. Шероховатую поверхность промывают технологической водой или щелочным очистителем и часто закрывают грунтовкой, например Силан А-187 или алкоксид.[7] Праймер можно наносить вручную, например кистью. Его также можно распылить на шероховатую поверхность или весь узел можно окунуть в раствор грунтовки и отвердить. На коммерчески чистых титановых поверхностях, которые имеют шероховатость с помощью карбида кремния, силановая грунтовка затемняет поверхность, что позволяет проверить нанесение.

Имплантируемые медицинские устройства часто производятся в чистая комната среда. Типичный рейтинги чистых помещений находятся в диапазоне ISO-7 и ISO-8 или между классом 10k и 100k. Абразивные материалы и их применение нельзя размещать в таких чистых помещениях. Если сквозные окна недоступны, то хорошим вариантом будет придание шероховатости лазером.

Лазерное придание шероховатости

Измерение угла контакта с шлифовкой с помощью Ti-лазера Grade 1.

Лазерное придание шероховатости титановым поверхностям для эпоксидного склеивания - хороший вариант, когда абразивные и химические вещества ограничены в производственной зоне. Этот процесс также более повторяемый и последовательный, чем часто выполняемая вручную абразивно-струйная очистка. Другими преимуществами перед абразивами являются время контакта и обслуживание. Недостатком лазерной шероховатости является стоимость оборудования и инструментов. Кроме того, лазер будет нагревать материал в зависимости от выходной мощности и количества проходов. Он удалит материал с поверхности и создаст области затвердевшего материала, которые перемещаются внутри поверхности. Иттрий-алюминиевый гранат, легированный неодимом (Nd: YAG ), CO2, зеленые фемтосекундные лазеры могут использоваться в зависимости от обрабатываемой детали и требований к адгезии. Маркеры на основе YAG или волоконного лазера, которые отжигают поверхность титана, являются недорогим решением, в то время как фемтосекундный лазер находится на верхнем конце шкалы затрат. Шероховатость поверхностей с лазерной шероховатостью лучше всего измерять с помощью трехмерного сканирующего лазерного микроскопа или бесконтактным методом. профилометр. XPS и SEM Анализ легированного титана, как и 5-го сорта, покажет сегрегацию алюминия и ванадия. Часто придание шероховатости лазером выполняется в условиях окружающей среды с использованием защитного газа аргоном или без него. Окружающие элементы, которые не играют никакой роли в связывании, такие как углерод и азот, можно игнорировать при анализе поверхности. Лазерное придание шероховатости титану класса 5 покажет, что ванадий выделяется в основной массе сплава и появляется на поверхности с повышенным уровнем кислорода. Испытания на сдвиг внахлестку показали, что эта сегрегация не влияет на поверхностную адгезию. Увеличение мощности лазера показало, что он увеличивает окисление титана класса 5, что коррелирует с увеличением прочности связи.[8] Также было показано, что нанесение оксида алюминия на поверхность улучшает сцепление. Ямки, создаваемые множеством лазерных импульсов, увеличивают площадь поверхности для адгезии, но в центре топографии будет снижено образование оксида из-за лазерно-индуцированной плазмы.[9] В зависимости от марки титана и используемого клея параметры мощности, частоты и рисунка лазера могут быть адаптированы к требованиям нагрузки и вышеупомянутым благоприятным условиям поверхностного элемента. Нежелательный оксид металла может возникать при использовании более высокой мощности лазера и многократных проходов. Их можно удалить с помощью лазерного прохода с меньшей мощностью или титановой щетки после придания шероховатости. Размер зерна влияет на шероховатость, твердость и смачиваемость поверхности. У титана сорта 2 более мелкая зернистая структура улучшила эти характеристики подготовки поверхности.[10] Как и в случае с абразивами, наносится силановая грунтовка для герметизации шероховатой поверхности, обработанной лазером.

Технически чистый титан, шероховатый с использованием волоконный лазер Интервал 0,001 дюйма, скорость 100 дюймов / секунду - 500-кратное увеличение.

Травление, химическая и анодирующая подготовка

До этих обработок растворитель обезжириватель следует использовать с абразивоструйной очисткой глинозема для удаления нежелательных оксидов с поверхности. В исследовании 1982 года, проведенном в Центре разработки морской авиации, сравнивались 11 травильных, химических и анодирующих препаратов на образцах титана 5-го класса. После соединения эти образцы подвергались 56 дням при температуре 140 градусов по Фаренгейту и 100% относительной влажности. Рост трещины измерялся через заранее выбранные интервалы. Результаты показали, что хромовая кислота анодирование фторидом, травители Turco 5578, Pasa Jell 107C - гидрофон, Pasa Jell 107M - сухой хон, Dapcotreat 4023/4000 и щелочная перекись превосходили препараты фторида фосфата.[4]

Turco 5578-L - широко используемый травитель и щелочной очиститель титана. Он производится компанией Henkel Technologies и поставляется в жидкой форме, поэтому его концентрацию можно легко изменить. Это анизотропный травитель, который позволяет избежать хрупкость водорода.[6] При использовании с титаном Grade 5 он образует оксидный слой толщиной 17,5 нм и шероховатость поверхности с общей высотой профиля 3,4 мкм (Rт).[7]

При обработке хромовой кислотой анодирование обычно проводят при 5 или 10 вольт. Вышеупомянутое исследование 1982 года показало, что напряжение 5 вольт работает лучше, чем 10 вольт, как функция среднего раскрытия трещины. В Обзоре подготовки к Ti, Кричлоу и Брюис заявляют, что анодирование на 10 В показало лучшие результаты по долговечности.[7] Анодирование на 10 В позволяет получить столбчатый и ячеистый оксидный слой толщиной от 80 до 500 нм.[7] В образовавшиеся поры и усы можно проникнуть, выбрав клей с низкой вязкостью, например эпоксидную смолу 3M 1838 или эпоксидную смолу Epo-Tek 301. Поверхностный оксид может быть поврежден, если он подвергается воздействию высоких температур, выше 300 ° C, и влажности перед склеиванием.[7]

Влажный и сухой хон Pasa Jell - это химические травители, производимые Semco. Они создают оксид толщиной 10-20 нм.[7] Перед нанесением рекомендуется обезжирить титановую поверхность и удалить любую коррозию путем шлифовки и / или пескоструйной обработки. Обычно время нанесения составляет 10–15 минут, после чего следует ополаскивание водопроводной водой.[11] Применение ингибирующей коррозию грунтовки, такой как BR-127, показало, что позволяет получить клеевые соединения, сравнимые с теми, которые получаются в процессе анодирования хромовой кислотой.[7]

Рекомендации

  1. ^ Linjiang Chai et al. Микроструктурные характеристики и изменение твердости чистого титана, обработанного импульсным лазером. Журнал сплавов и соединений, январь 2018 г. Стр. 116-122.
  2. ^ «Новый взгляд на конформные покрытия из парилена».
  3. ^ «Титановые подводные лодки возвращаются в российский флот».
  4. ^ а б S.R. Браун и Г.Дж. Pilla, Титановая обработка поверхности для адгезионного соединения, Центр развития военно-морской авиации, Варминстер, Пенсильвания, 1982.
  5. ^ а б c d е ж «Сопла для микропескоструйной обработки и абразивные среды» (PDF).
  6. ^ а б S. Zimmermann et al. Улучшенная адгезия к титановым поверхностям за счет лазерного окисления и придания шероховатости поверхности. Материаловедение и инженерия, август 2012 г. Стр. 755-760.
  7. ^ а б c d е ж грамм G.W. Кричлоу и Д. Brewis. Обзор предварительной обработки поверхности титановых сплавов. Институт поверхностных исследований и технологий, февраль 1995 г. Страницы 161-172.
  8. ^ Palmieri et al. Подготовка поверхности Ti-6Al-4V к лазерной абляции для склеивания. Исследовательский центр НАСА в Лэнгли; Хэмптон, Вирджиния, США, 2012 г.
  9. ^ J.I. Ахуир-Торрес и др. Влияние параметров лазера на текстурирование поверхности сплавов Ti6Al4V и AA2024-T3, сентябрь 2017 г. Оптика и лазеры в технике. Страницы 100-109.
  10. ^ H. Garbacz et al. Влияние размера зерна на свойства поверхности титана марки 2 после различных обработок. Технология поверхностей и покрытий, май 2017 г. Стр. 13-24.
  11. ^ «SEMCO Pasa-Jell 107 и 107-M для улучшения сцепления титановых сплавов» (PDF).