Травление и удаление альфа-слоя
Каждый раз, когда титан нагревают на воздухе — ковка, горячая формовка, отжиг, горячая прокатка — кислород и азот диффундируют в поверхность и образуют альфа-слой: твёрдый, обогащённый кислородом слой, хрупкий и резко снижающий усталостную прочность.
Его не видно. Деталь с альфа-слоем выглядит так же, как без него. Он проявляется позже — трещиной при формовке, трещиной по сварному шву или усталостным разрушением далеко ниже расчётного ресурса.
Ниже — процесс, который его удаляет, и проверки, доказывающие, что он удалён.
Что удаляется и как
| Этап | Назначение |
|---|---|
| Механическая или щелочная подготовка | Разрушить плотную окалину, чтобы кислота работала по металлу, а не по оксиду |
| Травление в азотно-плавиковой смеси | Контролируемое растворение загрязнённого поверхностного слоя |
| Многоступенчатая промывка и нейтрализация | Удалить остатки кислоты с поверхностей и глухих элементов |
| Финишная промывка деионизованной водой и сушка | Исключить пятна и остаточные галогениды |
| Чистая упаковка | Предотвратить повторное загрязнение при перевозке |
Типичный съём — десятки микрометров за проход. Плотную окалину или толстый альфа-слой сначала снимают механически либо щелочью, а не пытаются растворить всё в кислоте: это расходует материал и грозит перетравом.
Как подтверждается удаление
Именно здесь управляемый процесс отличается от косметического.
Металлографический шлиф. Образец-свидетель, прошедший обработку вместе с партией, разрезают, запрессовывают, травят и измеряют под микроскопом. В отчёте указывают место отбора, увеличение, а также максимальную и среднюю глубину остаточного слоя. При малой глубине его дополняют замерами микротвёрдости по сечению.
Если поставщик говорит, что удаление альфа-слоя проверяется «по внешнему виду» или «по цвету», процесс не управляется. Внешний вид — ровно то, чего альфа-слой не меняет.
Проблема водорода
У травления есть второй механизм отказа, обсуждаемый реже и столь же невидимый.
В кислотной ванне ионы водорода могут восстанавливаться до атомарного, а затем молекулярного водорода, который диффундирует в решётку титана. Результат — водородное охрупчивание: растрескивание при последующей гибке, формовке или сварке на детали, прошедшей визуальный и размерный контроль.
Предотвращает это азотная кислота, окисляя водород по мере его образования:
2 HNO₃ + H₂ → 2 H₂O + 2 NO₂Поэтому соотношение азотной и плавиковой кислот важнее общей концентрации. Принятая практика удерживает HNO₃:HF выше примерно 5:1; ниже этого наводороживание резко растёт. Соотношение ванны, температура, время выдержки и периодичность анализа должны быть в технологической карте с записями, а не в устном заверении.
Содержание водорода определяют после травления и указывают как условие приёмки — методом плавления в инертном газе, а не выводят из сертификата исходного материала. Если водород вне спецификации, исправление — вакуумная дегазация с повторным замером, но никак не более длительное травление или зачистка поверхности.
То же относится к цирконию — со своей химией ванны и своими образцами-свидетелями: цирконий не обрабатывают по титановым параметрам.
Контроль загрязнений
Титан легко захватывает железо, а внедрённое железо становится очагом коррозии. Выделенная оснастка и такелаж, нежелезные поверхности контакта, разделение партий, финишная деионизованная промывка и упаковка без хлоридов входят в процесс, а не являются дополнительными опциями.
Когда это нужно
- После ковки, горячей формовки или горячей прокатки
- После термообработки на воздухе или в незащитной атмосфере
- Перед сваркой, где загрязнённая поверхность даст трещину по шву
- Перед формовкой, нагружающей поверхность растяжением
- На авиационных и медицинских деталях, где альфа-слой — требование спецификации, а не предпочтение
Если далее деталь идёт на сварку и производство или отделку поверхности, сообщите об этом: механическая отделка меняет вид поверхности, но не то, что находится под ней.
Что приложить к запросу
Марку и форму продукции, предысторию нагрева (что нагревало деталь и в какой атмосфере), применимую спецификацию или норму приёмки, максимально допустимую остаточную глубину альфа-слоя и предел по водороду. Если последние два не заданы чертежом, опишите применение — мы предложим значения до расчёта стоимости.