Sifat Lapisan Reaksi Permukaan
Titanium sangat reaktif pada suhu tinggi, terutama bila terkena udara selama pemrosesan panas, perlakuan panas, atau pengecoran. Saat dipanaskan di atas sekitar 590–620 derajat (1100–1150 derajat F), titanium bereaksi dengan oksigen dan nitrogen membentuk lapisan permukaan rapuh yang diperkaya oksigen-yang dikenal sebagaikasus alfa(atau lapisan reaksi). Lapisan ini biasanya memiliki ketebalan 50–300 μm dan terkontaminasi dengan elemen interstisial seperti oksigen dan nitrogen, yang secara signifikan mengurangi keuletan dan ketahanan lelah. Casing alfa yang tidak dihilangkan dapat mengurangi umur kelelahan hingga 50% dan oleh karena itu merupakan masalah penting bagi komponen struktural dan-penting kelelahan.
Metode Penghapusan Utama
Lapisan reaksi permukaan harus dihilangkan seluruhnya sebelum pemesinan, pengelasan, atau servis berikutnya. Metode pengolahan terbagi dalam tiga kategori: metode mekanis, metode kimia, dan metode elektrokimia.
1. Metode Mekanis
Sandblasting (Peledakan Pasir):Korundum putih umumnya digunakan untuk permukaan titanium sandblasting. Tekanan peledakan harus dikontrol secara hati-hati-biasanya di bawah 0,45 MPa-untuk menghindari timbulnya panas berlebihan. Ketika tekanan injeksi terlalu tinggi, dampak partikel abrasif pada permukaan titanium menghasilkan percikan api yang kuat, menyebabkan kenaikan suhu lokal yang dapat bereaksi dengan permukaan dan menimbulkan kontaminasi sekunder. Durasi sandblasting 15–30 detik biasanya cukup untuk menghilangkan pasir lengket, lapisan permukaan yang disinter, dan lapisan oksida parsial. Namun, sandblasting saja tidak dapat sepenuhnya menghilangkan lapisan reaksi; ini berfungsi sebagai langkah-perlakuan awal sebelum pengawetan kimia.
Pemesinan dan Penggilingan:Penggilingan atau pembubutan yang presisi biasanya digunakan untuk menghilangkan lapisan kotak alfa dan kedalaman logam dasar yang terkontrol di bawahnya untuk menghilangkan zona yang rapuh. Spesifikasi sering kali menentukan kedalaman penghilangan minimum untuk memastikan penghapusan lapisan yang terpengaruh secara menyeluruh. Namun, penggilingan harus dikontrol dengan hati-hati-tekanan berlebihan akan menghasilkan panas yang dapat membuat lapisan selubung alfa baru. Proses penggilingan relatif lambat dan menghilangkan material dalam bentuk strip sempit, seringkali memerlukan beberapa kali lintasan di seluruh permukaan.
2. Metode Kimia
Pengawetan (Etsa Asam):Pengawetan adalah metode paling cepat dan efektif untuk menghilangkan seluruh lapisan reaksi permukaan tanpa mengkontaminasi permukaan dengan elemen lain. Dua sistem asam yang umum digunakan:
Sistem HF-HNO₃:Ini adalah solusi pengawetan yang disukai. Konsentrasi HF biasanya 3–5%, dan konsentrasi HNO₃ adalah 15–30%. HNO₃ bertindak sebagai zat pengoksidasi untuk mencegah pelarutan titanium yang berlebihan dan penyerapan hidrogen, sekaligus menghasilkan permukaan akhir yang cerah. Sistem ini memiliki kapasitas penyerapan hidrogen yang lebih rendah dibandingkan dengan larutan HF-HCl, sehingga lebih aman untuk material.
HF-Sistem HCl:Meskipun efektif untuk pengawetan, sistem ini memiliki kapasitas penyerapan hidrogen yang lebih besar, yang dapat menyebabkan penggetasan hidrogen-yang menjadi masalah serius bagi paduan titanium. Oleh karena itu, ini kurang umum digunakan dalam aplikasi kritis.
Rasio asam sangat penting: larutan biasanya dipertahankan pada rasio persen volume HNO₃ dan HF (sebagai asam stok) 5:1 hingga 10:1 untuk meminimalkan pengambilan hidrogen, bergantung pada jenis paduannya. Setelah sandblasting, pengawetan dapat sepenuhnya menghilangkan sisa lapisan reaksi permukaan pelat dan batang titanium.
Penggilingan Kimia:Penggilingan kimia digunakan untuk menghilangkan stok secara seragam, menghilangkan-kotak alfa pada penempaan, dan menyempurnakan permukaan ketika pemesinan tidak memungkinkan. Prosesnya melibatkan perendaman komponen dalam etsa kimia terkontrol dengan laju etsa, waktu, suhu, dan konsentrasi yang dikontrol ketat. Setelah pengetsaan, komponen dinetralkan dan dibilas untuk mencegah pengetsaan berlebihan atau lubang. Metode ini sangat berguna untuk komponen ruang angkasa dengan geometri yang kompleks.
Pemolesan Kimia:Campuran HF dan HNO₃ dalam proporsi tertentu dapat digunakan untuk pemolesan kimia. HF bertindak sebagai zat pereduksi untuk melarutkan logam titanium dan meratakan permukaan, sedangkan HNO₃ (pada konsentrasi di bawah 10%) berperan sebagai pengoksidasi untuk mencegah pembubaran titanium berlebihan dan penyerapan hidrogen sekaligus menghasilkan efek cerah. Prosesnya memerlukan konsentrasi tinggi, suhu rendah, dan waktu pemolesan singkat (1–2 menit). Metode ini sangat cocok untuk struktur kompleks seperti kerangka gigi tiruan titanium, karena metode ini memoles semua permukaan yang bersentuhan dengan larutan terlepas dari kekerasan atau bentuknya.
3. Metode Elektrokimia
Pemolesan Elektrolit:Juga dikenal sebagai pemolesan disolusi elektrokimia atau anodik, metode ini menghadapi tantangan pada titanium karena konduktivitasnya yang rendah dan kecenderungan oksidasi yang kuat. Elektrolit asam berair konvensional (seperti HF-H₃PO₄ atau HF-H₂SO₄) umumnya tidak efektif karena anoda titanium langsung teroksidasi setelah penerapan tegangan, sehingga mencegah pelarutan anodik. Namun, elektrolit klorida anhidrat pada tegangan rendah telah menunjukkan efek pemolesan yang baik, mampu menghasilkan lapisan cermin pada spesimen kecil. Untuk komponen yang kompleks, diperlukan penelitian lebih lanjut untuk mengoptimalkan geometri katoda dan konfigurasi katoda tambahan.
Pengkondisian Elektrokimia yang Dipatenkan:Sebuah terobosan proses elektrokimia (yang dikembangkan oleh MetCon) menggantikan penggilingan tradisional, permesinan, dan pengawetan asam dengan langkah-langkah elektrokimia-hasil-kerugian rendah. Proses ini menggunakan elektrolit eksklusif dan rektifikasi tidak konvensional untuk menghilangkan lapisan casing alfa dengan kontrol yang presisi. Tidak seperti metode mekanis yang menghilangkan seluruh material sampai ke ujung retakan terdalam, proses elektrokimia lebih khusus menyerang tepi retakan, menghaluskan dan menghaluskannya sambil menahan lebih banyak logam curah. Proses ini hanya menghilangkan 0,5–3% material per langkah pengkondisian dibandingkan dengan 3–7% untuk metode konvensional, sehingga meningkatkan hasil produk akhir sebesar 10–20% atau lebih. Pendekatan ini juga menghilangkan limbah berbahaya yang terkait dengan pengawetan asam tradisional.
Urutan Proses dan Kontrol Kualitas
Untuk menghilangkan seluruh lapisan reaksi permukaan, urutan proses yang umum adalah:
Perawatan mekanis awal:Sandblasting atau penggilingan untuk menghilangkan kontaminasi permukaan kotor dan kerak oksida
Pembersihan kerak kimia:Pembersihan kerak garam alkali panas atau perawatan abrasif untuk lapisan oksida berat
Pengawetan asam:Solusi HF-HNO₃ untuk menghilangkan seluruh lapisan kasus alfa
Verifikasi akhir:Inspeksi visual dan pengujian kekerasan mikro untuk memastikan penghapusan kasus alfa secara menyeluruh, seperti yang disyaratkan oleh spesifikasi seperti NASA PRC-5010 dan ASTM B600
Pertimbangan Kritis
Penggetasan Hidrogen:Titanium dan paduannya rentan terhadap penggetasan hidrogen. Selama perlakuan panas, pengawetan, dan penggilingan kimia, kehati-hatian harus diberikan untuk menghindari pengambilan hidrogen yang berlebihan. Sistem HF-HNO₃ lebih disukai karena meminimalkan penyerapan hidrogen dibandingkan sistem asam lainnya.
Perlakuan Panas Vakum:Perlakuan panas akhir pada bagian akhir idealnya dilakukan dalam ruang hampa untuk menghindari pembentukan kotak alfa sama sekali. Jika perlakuan panas vakum digunakan, pemesinan atau pengawetan sebelumnya dapat dihindari. Namun, kebersihan permukaan adalah hal yang terpenting-bahkan sidik jari atau residu minyak dapat menyebabkan pembentukan kasus alfa di atmosfer vakum, dan klorida dari bahan pembersih telah dikaitkan dengan retak korosi akibat tegangan pada titanium.
Deteksi Metalografi:Untuk jaminan kualitas, reagen Kroll (1–3% asam fluorida ditambah 2–6% asam nitrat dalam air) biasanya digunakan untuk mengetahui struktur mikro secara umum. Untuk mendeteksi kasus alfa, etsa Kroll diikuti dengan larutan amonium bifluorida yang menodai seluruh sampel kecuali kasus alfa, membuat lapisan rapuh terlihat jelas untuk diperiksa.
