Revestimentos de micro{0}}oxidação de arco em titânio: desempenho contra desgaste e corrosão

O problema que o revestimento deve resolver

As ligas de titânio combinam alta resistência específica, baixa densidade e boa biocompatibilidade, razão pela qual são utilizadas em equipamentos aeroespaciais, de defesa e médicos. A fraqueza é a superfície. Tanto o titânio não ligado quanto o ligado têm baixa resistência ao desgaste abrasivo e adesivo, e a dureza é apenas moderada, portanto, o contato deslizante com outros metais produz escoriações, transferência de metal e, em serviço com água do mar ou cloreto, corrosão galvânica e em frestas na zona de contato. Conjuntos de titânio aparafusados ​​com fixadores de aço inoxidável são o caso clássico: o filme passivo é quebrado mecanicamente, a repassivação compete com o ataque localizado e a junta se degrada mais rapidamente do que o projeto presumia.

A oxidação por micro-arco, também chamada de oxidação eletrolítica de plasma, resolve esse problema através do crescimento de um filme de óxido em vez de depositá-lo. Como o revestimento é formado a partir do substrato, a adesão é metalúrgica e não há interface de revestimento-substrato para desgrudar durante o ciclo térmico.

Como o filme cresce: quatro etapas

A peça é imersa em um eletrólito alcalino e transformada em ânodo de uma fonte pulsada. O crescimento passa por quatro estágios reconhecíveis.

O primeiro estágio ocorre antes da faísca. O fornecimento é ligado, bolhas de oxigênio se formam na superfície, um envelope de gás se forma e uma película isolante passiva com algumas dezenas de nanômetros de espessura aparece. A densidade da corrente aumenta rapidamente até um pico e depois cai.

O segundo estágio está brilhando. À medida que a tensão continua a subir, o filme passivo se rompe, a densidade da corrente para de cair e começa a subir novamente, e o forte campo entre os eletrodos ioniza o envelope de gás. Numerosas pequenas faíscas se movem pela superfície, sempre encontrando as regiões mais finas do filme e se quebrando ali, de modo que o local da ruptura continua se deslocando.

O terceiro estágio é o verdadeiro micro-arco. Micro-descargas dispersas aparecem, movem-se rapidamente, aumentam de intensidade e depois diminuem de densidade numérica à medida que o filme fica mais espesso. A densidade da corrente se estabiliza e tanto a resistência quanto a espessura do filme aumentam continuamente.

O quarto estágio é o arco local. Os pontos de arco tornam-se menos numerosos, porém maiores e mais energéticos. Uma vez que estes arcos dominam, o crescimento do revestimento diminui e o risco de danos térmicos localizados aumenta, de modo que a maioria dos cronogramas de produção interrompe o processo antes ou logo quando esta etapa começa.

Eletrólitos e parâmetros de processo

Os eletrólitos de produção são alcalinos e geralmente baseados em sistemas de silicato, fosfato ou aluminato, isoladamente ou em combinação, com adições que controlam a condutividade e o pH. Banhos à base-de silicato favorecem filmes espessos e densos; os banhos de fosfato produzem revestimentos mais finos que toleram tolerâncias dimensionais mais restritas; banhos de alumina aumentam a dureza. O eletrólito também determina a composição da fase de revestimento, o que é importante porque a fração rutilo governa o desempenho ao desgaste, enquanto a fração anatase está associada à bioatividade.

Um banho contendo fosfato ou{0}}cálcio é usado quando a peça acabada precisa ser bioativa. Os revestimentos cultivados em eletrólitos de cálcio e fósforo suportam o crescimento ósseo e são usados ​​em hardware ortopédico, uma abordagem também refletida nas especificações do implante que controlam a química em massa, como ASTM F67 e ISO 5832-2 para titânio não ligado.

Dois pontos práticos regem o agendamento. Primeiro, o revestimento cresce tanto para fora quanto para dentro, portanto, uma peça especificada para uma dimensão acabada deve ser usinada previamente em tamanho menor; aproximadamente metade da espessura do filme é consumida como substrato. Em segundo lugar, as arestas vivas concentram a corrente e produzem crescimento excessivo local, de modo que raios de aresta generosos são um requisito de projeto e não uma conveniência de usinagem.

Provando o Revestimento: Teste e Aceitação

Um revestimento só é útil se puder ser certificado da mesma forma que o substrato. A dureza de microindentação segundo ASTM E384 é o método padrão para dureza de filme, relatada como HV com uma carga de teste declarada porque a leitura cai à medida que a carga aumenta em uma cerâmica porosa. O desgaste normalmente é quantificado por testes de disco-pino{4}}de acordo com ASTM G99, com uma contraface de carboneto de tungstênio ou alumina, relatando taxa de desgaste específica em vez de perda de volume bruto para que os resultados possam ser comparados entre laboratórios.

A resistência à corrosão do titânio tratado-com MAO é avaliada por névoa salina neutra de acordo com ASTM B117, onde as peças tratadas rotineiramente resistem a várias centenas de horas contra o produto de corrosão branco nas zonas de contato e por polarização eletroquímica para quantificar a redução na densidade da corrente de corrosão, que normalmente cai de uma a duas ordens de magnitude em comparação com o titânio puro. Onde a peça é implantada, o teste eletroquímico ASTM F2129 para suscetibilidade à corrosão de materiais de implante é o método relevante.

Onde o filme está sendo aplicado

Estruturas marítimas e offshore são as aplicações de maior volume, porque uma camada cerâmica dura e uniforme em componentes de titânio melhora o desempenho na água do mar e reduz a pressão galvânica onde o titânio encontra ligas de cobre ou aço. Os componentes da proteção térmica-automotiva se beneficiam da combinação de resistência ao desgaste e comportamento de barreira térmica, especialmente onde uma camada térmica pulverizada se romperia e um filme cerâmico in-situ não. As máquinas têxteis usam guias de fio revestidas com MAO- onde a ação abrasiva do filamento cortaria o metal descoberto.

O hardware elétrico e eletromagnético usa o revestimento para blindagem magnética e resistência à radiação de alta-energia. Em condições de serviço mais rigorosas, o filme suporta alta carga, alta pressão e temperatura elevada simultaneamente, e é aí que a durabilidade de uma camada cerâmica in-supera a depositada.

Perguntas frequentes

Q:A oxidação do micro-arco altera as dimensões de uma peça acabada?
R: Sim. O crescimento do filme combina o crescimento externo com o consumo do substrato, de modo que as peças são usinadas abaixo do tamanho antes do tratamento e um filme nominal de 20 µm altera a superfície externa em aproximadamente metade dessa quantidade.

Q:Quais tipos de titânio podem ser tratados?
R: Qualquer classe que possa ser anodizada em eletrólito alcalino, incluindo classes sem liga conforme ASTM B265 e ligas alfa-beta, como Ti-6Al-4V. A seleção da classe afeta principalmente a taxa de crescimento do revestimento e a composição da fase, e não se o processo funciona.

Q:Como é medida a dureza de um filme cerâmico?
R: Por microindentação conforme ASTM E384, com a carga de teste informada junto com o resultado. Como o revestimento é poroso e fino, as leituras caem à medida que a carga aumenta, portanto, um valor de dureza sem uma carga declarada não é comparável.

Q:O processo pode ser aplicado a uma montagem acabada?
R: Somente para peças que possam ser eletricamente isoladas e totalmente imersas. O mascaramento é difícil, os recursos rosqueados acumulam corrente e crescem demais, e as superfícies de contato que devem permanecer condutoras precisam ser protegidas ou usinadas posteriormente.

Q:Como um filme MAO se compara a um revestimento anodizado?
R: A anodização convencional produz uma película com alguns micrômetros de espessura em baixa tensão. A oxidação por micro-arco funciona no regime de descarga, produzindo um óxido muito mais espesso, mais duro e mais cristalino que suporta carga de desgaste em vez de apenas resistir à corrosão.

Q:O filme sobrevive ao ciclo térmico?
R: Melhor do que um revestimento depositado na maioria dos casos, porque ele cresce a partir do substrato e não possui linha de adesão. A incompatibilidade de expansão térmica ainda estabelece um limite de tensão e a espessura do revestimento deve corresponder à faixa de ciclagem.