Comment contrôler l’oxydation de la surface des pièces forgées en alliage de titane ?

Le titane s'oxyde très facilement lors du forgeage à chaud, formant une couche de fragilisation qui provoque des fissures et des difficultés de traitement. Cela réduit considérablement les performances des pièces forgées. Des processus efficaces de prévention de l’oxydation sont essentiels pour améliorer la fiabilité et l’économie despièces forgées en alliage de titane.

 

(I) Mécanisme de formation de la couche d'oxyde

La surface réagit avec l'oxygène dans le four pour former un film d'oxyde à trois -couches lors du forgeage à chaud.

Le film d'oxyde à trois -couches : une couche externe lâche de TiO₂, une couche intermédiaire de phase mixte TiO-Ti₃O et une couche de fragilisation interne en phase -enrichie en oxygène -.

La phase - est le facteur clé déterminant l'échec du forgeage, et son épaisseur augmente de façon exponentielle avec l'augmentation de la température.

 

(II) Facteurs d’influence clés
Température et temps : le taux d'oxydation augmente de 30 % pour chaque augmentation de température de 100 degrés.

Type d'alliage : les alliages de titane - subissent une oxydation importante à 600 degrés, tandis que les alliages de titane - ne forment qu'une couche d'oxyde évidente à des températures supérieures à 980 degrés.

Atmosphère Environnement : La concentration en oxygène dans le four détermine le taux d’oxydation. La protection contre l'azote peut réduire le taux et la protection contre les gaz inertes offre de meilleurs résultats.

 

Pièces forgées en titane à Ruihang

 

(I) Technologie de protection de l'atmosphère
Protection contre les gaz inertes : introduisez en continu de l'argon ou de l'hélium de haute-pureté (pureté supérieure ou égale à 99,99 %), réduisant le taux d'oxydation de plus de 60 %. Mitsubishi Electric utilise une protection à l'argon pour stabiliser l'épaisseur de la couche d'oxyde entre 0,1 et 0,3 mm, avec un taux de qualification de 98 %.

Contrôle de l'environnement sous vide : un degré de vide supérieur ou égal à 10⁻³Pa peut isoler complètement l'oxygène, ce qui convient aux composants clés de haute-précision, mais le coût de l'équipement est relativement élevé.

Chauffage des matériaux en vrac : le chauffage du milieu granulaire permet une efficacité de transfert de chaleur plus élevée, raccourcissant le temps d'exposition à haute température-et inhibant l'oxydation de la source.

 

(II) Optimisation des paramètres de processus
Contrôle de température par étapes : contrôlez la température de chauffage à 20 -50 degrés en dessous de la température de transus pour réduire l'épaississement de la couche d'oxyde.

Gestion précise du temps : optimisez le chemin de déformation grâce à la simulation numérique pour raccourcir le temps de séjour inefficace dans la zone de température élevée.

Stratégie de refroidissement : adoptez un refroidissement par étapes pour éviter l'oxydation à haute température après-forgeage-et réduire le risque d'éclatement de la couche d'oxyde.

 

(III) Protection contre les modifications de surface

 

Type de processus	Paramètres techniques	Avantages principaux	Scénarios d'application
Traitement de pré-oxydation	Former un film d'oxyde dense à 300-400 degrés	Taux de gain de poids par oxydation réduit de 20 % à 500 degrés	Composants du service à-température moyenne
Oxydation anodique	Tension 20-60 V, électrolyte H₂SO₄	Résistance à la corrosion augmentée de 50 %, épaisseur du film 10-30 μm	Implants médicaux, composants électroniques
Oxydation par micro-arc (MAO)	Électrolyse haute-tension à 300-600 V, couche composite TiO₂/Al₂O₃	Résistance à la température > 500 degrés, résistance à l'usure et à la cavitation	Pales de moteur-aérodynamiques, vannes marines
B+(B-Al) Diffusion composite	Incorporation de poudre solide, traitement isotherme à 800 degrés	Taux de gain de masse d'oxydation réduit de 83,5%, dureté 1800HV	Composants Gr5 dans des conditions de travail-à haute température

 

Remarque : La technologie de diffusion composite B+(B-Al) adopte un mécanisme synergique de barrière de couche externe TiB₂ + d'auto-protection de couche interne Al₃Ti, entraînant un gain de poids de seulement 7,24 g/m² pour l'alliage Gr5 après oxydation à 800 degrés pendant 100 heures.

 

(IV) Système de protection composite
Le processus combiné de « pré-oxydation + revêtement d'émail de verre + protection à l'argon » peut simultanément améliorer la qualité et la plasticité de la surface. Les expériences montrent que les pièces forgées en alliage de titane BT3-1 traitées avec cette combinaison ont une surface lisse sans défauts en écailles de poisson et que l'efficacité du nettoyage ultérieur est augmentée de 40 %.

 

(I) Méthodes de détection de la couche d'oxyde
Analyse microscopique : observez la structure de la couche d'oxyde à l'aide de la microscopie électronique à balayage (MEB) avec une précision de mesure d'épaisseur de 0,1 μm ;

Détection de composition : utilisez l'analyse spectrale pour déterminer le degré de contamination par l'azote et l'hydrogène, en évitant les risques de fragilisation ;

Évaluation des performances : testez la stabilité du film d'oxyde à l'aide de la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS), adaptée aux implants médicaux.

(II) Processus de nettoyage des couches d'oxyde
Nettoyage mécanique : le sablage peut éliminer 0,13 à 0,76 mm de tartre d'oxyde, nécessitant un taux de couverture supérieur ou égal à 200 % pour éviter d'endommager le substrat ;

Décapage chimique : une solution mixte d'acide nitrique et d'acide fluorhydrique enlève la couche de boîtier - avec un taux de nettoyage de 0,03 mm/min, enlevant 0,25 à 0,38 mm de la couche de surface en un seul traitement ;

Technologies de réparation : le revêtement laser répare les défauts par piqûre pour un coût de seulement 25 % des pièces neuves ; Le revêtement PVD répare la spallation du revêtement, avec une adhérence répondant aux normes ASTM D3359.

 

(I) Domaine aérospatial
Composants : aubes de compresseur de moteur en alliage de titane Gr5, train d'atterrissage ;

Processus : couche de céramique MAO + grenaillage, chauffage à un degré de vide de 10⁻³Pa ;

Effet : Épaisseur de la couche d'oxyde inférieure ou égale à 0,2 mm, résistance à la fatigue augmentée de 30 %, intégrité du revêtement inspectée toutes les 500 heures de vol.

 

(II) Domaine médical
Composants : Articulations artificielles, plaques osseuses ;
Processus : électropolissage + oxydation anodique ;
Effet : Biocompatibilité conforme aux normes, taux de rétention d'impédance du film d'oxyde ＞80 % 2 ans après la chirurgie.

 

(III) Domaine de l'industrie chimique

Composants : aubes d'agitateur de réacteur, brides ;
Processus : Passivation chimique + revêtement PTFE ;
Effet : Résistance à la corrosion améliorée, taux de corrosion annuel inférieur ou égal à 0,1 mm.

 

Ruihang est spécialisé dans la R&D, la production et la vente de produits en titane et en alliages de titane de haute qualité, notamment des pièces forgées, des tuyaux, des anneaux, des barres, des plaques et d'autres produits en titane, etc. Pour plus de détails, veuillez nous contacter par e-mail :Sam.Rui@bjrh-titanium.com