表面反応層の性質
チタンは高温で、特に熱間加工、熱処理、または鋳造中に空気にさらされた場合に非常に反応性が高くなります。約 590 ～ 620 度（1100 ～ 1150 度 F）以上に加熱すると、チタンは酸素および窒素と反応して、アルファケース（または反応層）。この層の厚さは通常 50 ～ 300 μm で、酸素や窒素などの侵入元素で汚染されており、延性や耐疲労性が大幅に低下します。アルファ ケースが除去されていないと疲労寿命が最大 50% 短縮される可能性があるため、構造コンポーネントや疲労重要コンポーネントにとって重大な懸念事項となります。-
主な除去方法
表面反応層は、その後の機械加工、溶接、または保守の前に完全に除去する必要があります。処理方法は、機械的方法、化学的方法、電気化学的方法の 3 つのカテゴリに分類されます。
1. 機械的方法
サンドブラスト（グリットブラスト）：白いコランダムは通常、チタン表面のサンドブラストに使用されます。過度の発熱を避けるため、噴射圧力は慎重に制御し、-通常は 0.45 MPa 未満-にします。射出圧力が高すぎると、チタン表面への研磨粒子の衝撃により激しい火花が発生し、局所的な温度上昇が発生し、表面と反応して二次汚染を引き起こす可能性があります。通常、粘着性のある砂、表面の焼結層、および部分的な酸化層を除去するには、15 ～ 30 秒のサンドブラスト時間で十分です。ただし、サンドブラストだけでは反応層を完全に除去することはできません。これは化学酸洗いの前の前処理ステップとして機能します。-
機械加工と研削:アルファケース層とその下の制御された深さの母材を除去して脆化領域を除去するには、一般に精密研削または旋削が使用されます。多くの場合、仕様では、影響を受ける層を確実に完全に除去するための最小除去深さが規定されています。ただし、研削は慎重に制御する必要があります。-過剰な圧力により熱が発生し、アルファ ケースの新しい層が形成される可能性があります。研削プロセスは比較的遅く、材料を細いストリップ状に除去するため、多くの場合、表面全体にわたって複数回のパスが必要になります。
2. 化学的方法
酸洗い（酸エッチング）：酸洗いは、表面を他の元素で汚染することなく表面反応層を完全に除去する最も迅速かつ効果的な方法です。 2 つの酸システムが一般的に使用されます。
HF-HNO₃ システム:これが好ましい酸洗い溶液です。 HF 濃度は通常 3 ～ 5%、HNO₃ 濃度は 15 ～ 30% です。 HNO₃ は酸化剤として機能し、過剰なチタンの溶解と水素の吸収を防ぎ、光沢のある表面仕上げを実現します。このシステムは、HF- HCl 溶液と比較して水素吸収能力が低いため、材料にとってより安全です。
HF-HCl システム:このシステムは酸洗いには効果的ですが、水素吸収能力が大きいため、チタン合金にとって深刻な懸念である水素脆化を引き起こす可能性があります。{0}したがって、重要なアプリケーションではあまり使用されません。
酸の比率は重要です。合金の種類に応じて、水素の吸収を最小限に抑えるために、溶液は通常、HNO₃ と HF (ストック酸として) の体積パーセント比 5:1 ～ 10:1 に維持されます。サンドブラスト後、酸洗することでチタン板やロッドに残った表面反応層を完全に除去することができます。
ケミカルミリング:ケミカル ミリングは、均一な研磨材の除去、鍛造品のアルファ ケースの除去、機械加工が不可能な場合の表面の精製に使用されます。{0}このプロセスでは、エッチング速度、時間、温度、濃度が厳密に制御された制御された化学エッチング液に部品を浸漬します。エッチング後、過剰なエッチングや孔食を防ぐために部品は中和され、すすぎが行われます。-この方法は、複雑な形状を持つ航空宇宙コンポーネントに特に役立ちます。
化学研磨:特定の割合の HF と HNO3 の混合物を化学研磨に使用できます。 HF は金属チタンを溶解し、表面を平らにする還元剤として機能します。一方、HNO₃ (濃度 10% 以下) は酸化の役割を果たし、過剰なチタンの溶解と水素の吸収を防ぎ、明るい効果を生み出します。このプロセスには、高濃度、低温、短い研磨時間 (1 ～ 2 分) が必要です。この方法は、硬度や形状に関係なく、溶液と接触するすべての表面を研磨するため、チタン義歯フレームワークなどの複雑な構造に特に適しています。
3. 電気化学的方法
電解研磨：電気化学研磨または陽極溶解研磨としても知られるこの方法は、導電率が低く酸化傾向が強いため、チタンでは課題に直面しています。従来の水性酸性電解質 (HF-H₃PO4 や HF-H₂SO4 など) は、電圧を印加するとチタン陽極がすぐに酸化して陽極溶解が妨げられるため、一般に効果がありません。しかし、低電圧での無水塩化物電解質は良好な研磨効果を示し、小さな試験片を鏡面仕上げすることができます。複雑なコンポーネントの場合は、カソードの形状と追加のカソード構成を最適化するためにさらなる研究が必要です。
特許取得済みの電気化学的調整:画期的な電気化学プロセス (MetCon が開発) は、従来の研削、機械加工、酸洗を低{0}}収率-損失の電気化学ステップに置き換えます。このプロセスでは、独自の電解液と型破りな整流を使用して、正確な制御でアルファケース層を除去します。最も深い亀裂の先端まですべての材料を除去する機械的方法とは異なり、電気化学プロセスは亀裂のエッジを優先的に攻撃し、実質的により多くのバルク金属を保持しながら、亀裂を滑らかにし、ぼかしを施します。このプロセスでは、コンディショニング ステップごとに材料の 0.5 ～ 3% しか除去されません (従来の方法では 3 ～ 7%)。最終製品の歩留まりが 10 ～ 20% 以上向上します。このアプローチにより、従来の酸洗いに伴う有害な廃棄物も排除されます。
プロセスシーケンスと品質管理
表面反応層を完全に除去するための一般的なプロセス順序は次のとおりです。
初期の機械的治療:サンドブラストまたは研削により、表面の全体的な汚れや酸化スケールを除去します。
化学的スケール除去:溶融熱アルカリ塩による重酸化物層のスケール除去または研磨処理
酸洗い：アルファケース層を完全に除去するHF-HNO₃ソリューション
最終検証:NASA PRC-5010 や ASTM B600 などの仕様に応じて、アルファ ケースが完全に除去されていることを確認するための目視検査と微小硬度テスト
重要な考慮事項
水素脆化:チタンとその合金は水素脆化を受けやすいです。熱処理、酸洗、化学粉砕中は、過剰な水素の取り込みを避けるように注意する必要があります。 HF-HNO₃ システムが好ましいのは、他の酸システムと比較して水素吸収が最小限に抑えられるためです。
真空熱処理：完成部品の最終熱処理は、アルファケースの形成を完全に回避するために、真空中で実行するのが理想的です。真空熱処理を使用すると、事前の機械加工や酸洗いを回避できます。ただし、表面の清浄度は最も重要です-指紋や油の残留物であっても、真空雰囲気ではアルファケースの形成を引き起こす可能性があり、洗浄剤からの塩化物はチタンの応力腐食割れに関連しています。
金属組織検出:品質保証のため、一般的な微細構造を明らかにするために、クロール試薬 (1 ～ 3% フッ化水素酸と 2 ～ 6% 硝酸を加えた水溶液) が一般的に使用されます。アルファ ケースの検出では、クロールのエッチングに続いて重フッ化アンモニウム溶液が使用され、アルファ ケースを除くサンプル全体が染色され、検査用に脆性層がはっきりと見えるようになります。
