Đánh bóng bằng hóa học vẫn là một quy trình hoàn thiện được áp dụng rộng rãi đối với titan và các hợp kim của nó, được đánh giá cao nhờ khả năng tạo ra các bề mặt sáng, phản chiếu mà không cần tiếp xúc cơ học. Tuy nhiên, việc-đánh bóng không đồng nhất-biểu hiện dưới dạng cục bộ trên-khắc, vết chảy, họa tiết vỏ cam hoặc độ bóng không nhất quán trên một phôi duy nhất-vẫn là một thách thức dai dẳng trong môi trường sản xuất. Đối với các ngành công nghiệp từ ốc vít hàng không vũ trụ đến cấy ghép y tế, tính đồng nhất của bề mặt hoàn thiện ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chống ăn mòn, hiệu suất mỏi và độ bám dính sau xử lý. Bài viết này xem xét các nguyên nhân gốc rễ của sự không-đồng nhất trong quá trình đánh bóng bằng hóa chất titan và đưa ra các biện pháp đối phó ở cấp độ quy trình-có thể áp dụng được.
1. Phân loại khuyết tật và chẩn đoán trực quan
Trước khi điều chỉnh các thông số, việc xác định khuyết tật chính xác là điều cần thiết. Đánh bóng không{1}}đồng đều trên bề mặt titan thường rơi vào một số loại riêng biệt, mỗi loại chỉ ra những nguyên nhân cốt lõi khác nhau.
Vỏ cam xảy ra khi tốc độ tấn công hóa học khác nhau giữa các giai đoạn luyện kim hoặc hướng hạt khác nhau trong hợp kim. Trong các hợp kim hai pha-như Ti-6Al-4V (TC4), pha hòa tan tốt nhất trong các điều kiện axit nhất định, để lại địa hình bề mặt gồ ghề. Rỗ thường báo hiệu nồng độ HF quá cao hoặc tỷ lệ HF{9}}trên-HNO₃ trong khoảng thời gian tối ưu. Các dấu hiệu dòng chảy và sự khác biệt giữa cạnh-trung tâm hầu như luôn bắt nguồn từ các vấn đề về động lực học chất lỏng và tính đồng nhất nhiệt.
2. Dung dịch hóa học: Tỷ lệ HF/HNO₃ là biến kiểm soát chính
Hệ thống HF{0}}HNO₃-H₂O vẫn là thiết bị chính để đánh bóng titan bằng hóa chất. HF đóng vai trò là chất hòa tan tích cực, tấn công chất nền titan và loại bỏ lớp oxit tự nhiên. HNO₃ đóng vai trò kép: oxy hóa Ti³⁺ hòa tan thành Ti⁴⁺ để ngăn ngừa ô nhiễm bề mặt và thúc đẩy sự hình thành màng thụ động kiểm soát tốc độ ăn mòn tổng thể.
Thực tiễn trong ngành thường nhắm tới nồng độ HF là 3–5% và nồng độ HNO₃ là 15–30% theo thể tích. Trong cửa sổ này, tỷ lệ HF-đến{6}}HNO₃ là tham số điều chỉnh quan trọng. Các nghiên cứu thực nghiệm về TC4 đã kiểm tra các tỷ lệ 1:4, 1:6 và 1:8 (HF: HNO₃ theo thể tích). Tỷ lệ quá giàu HF{16}}tạo ra hiện tượng ăn mòn mạnh, không kiểm soát được, tạo ra vết rỗ và loại bỏ vật liệu không{17}}đồng đều. Tỷ lệ quá giàu HNO₃-sẽ làm chậm phản ứng quá mức và có thể gây ra hiện tượng thụ động trước khi quá trình san lấp mặt bằng hoàn tất, dẫn đến lớp hoàn thiện bị đục hoặc không đồng đều.
Cơ chế cơ bản liên quan đến khắc axit-được kiểm soát khuếch tán và khắc được kiểm soát{1}}kích hoạt. Khi nồng độ HF được cân bằng hợp lý với HNO₃, tốc độ hòa tan bị hạn chế bởi sự vận chuyển chất phản ứng lên bề mặt chứ không phải do chính phản ứng bề mặt. Chế độ-hạn chế khuếch tán này tự nhiên tạo ra khả năng loại bỏ vật liệu đồng đều hơn trên địa hình-vĩ mô, vì các đối tượng nhô ra nhận được dòng khuếch tán cao hơn một chút so với các khu vực lõm vào-hiệu ứng san bằng xác định độ bóng thực sự.
3. Kiểm soát nhiệt độ và quản lý gradient nhiệt
Nhiệt độ có ảnh hưởng rõ rệt đến động học đánh bóng hóa học titan. Tốc độ phản ứng tăng khoảng 1,5–2× khi nhiệt độ dung dịch tăng lên 5 độ. Độ dốc nhiệt độ nhỏ tới 3–4 độ trên toàn bộ bể có thể tạo ra sự khác biệt có thể phát hiện bằng mắt thường về độ đồng đều trong quá trình đánh bóng giữa các phôi được đặt ở các vị trí khác nhau hoặc thậm chí giữa mặt trên và mặt dưới của một bộ phận lớn.
Phạm vi hoạt động được khuyến nghị cho hầu hết các công thức đánh bóng hóa học titan là 20–35 độ. Tuy nhiên, phạm vi này quá rộng cho công việc chính xác. Cần kiểm soát chặt chẽ hơn trong phạm vi ±1,5 độ để có được kết quả thống nhất. Nhiệt độ chênh lệch trên 35 độ làm tăng tốc độ bay hơi của HF, làm thay đổi cục bộ hóa học của dung dịch gần bề mặt không khí-lỏng. Hiện tượng này tạo ra kiểu khuyết tật đặc trưng: phần trên-được đánh bóng trên của các bộ phận chìm theo chiều dọc và phần dưới{10}}được đánh bóng bên dưới, với vùng chuyển tiếp dần dần ở giữa.
Các biện pháp đối phó thực tế bao gồm bể có vỏ bọc với chất lỏng kiểm soát nhiệt độ tuần hoàn, bộ gia nhiệt ngâm với bộ điều khiển-tích phân{1}}đạo hàm (PID) theo tỷ lệ và tuần hoàn bể liên tục để loại bỏ sự phân tầng nhiệt. Cặp nhiệt điện được đặt ở nhiều độ sâu và vị trí khác nhau cung cấp phản hồi cần thiết cho việc kiểm soát quy trình.
