اتصال چسبی تیتانیوم
اتصال چسبی تیتانیوم یک فرآیند مهندسی است که در صنعت هوافضا، ساخت تجهیزات پزشکی و جاهای دیگر استفاده می شود. آلیاژ تیتانیوم به دلیل استحکام، وزن و مقاومت در برابر خوردگی اغلب در کاربردهای پزشکی و نظامی استفاده می شود. در دستگاه های پزشکی قابل کاشت، تیتانیوم به دلیل زیست سازگاری و لایه اکسیدی غیرفعال و پایدار آن استفاده می شود. همچنین آلرژی به تیتانیوم کم است و برای از بین بردن و یا کاهش آلرژی، از پوشش دهی Parylene استفاده می شود. در صنعت هوافضا، اتصالات تیتانیومی اغلب به منظور صرفه جویی در هزینه و زمان استفاده می شود. در گذشته، بدنه زیردریایی های روسی کاملاً از تیتانیوم ساخته شده بود، زیرا ماهیت غیر مغناطیسی این ماده توسط فناوری دفاعی آن زمان کشف نشده بود. چسباندن چسب به تیتانیوم نیاز به آماده سازی سطح دارد و راه حل واحدی برای همه کاربردها وجود ندارد. به عنوان مثال، روش‌های شیمیایی و اچ سازگاری زیستی ندارند و زمانی که ابزار ها با خون و بافت تماس پیدا می‌کنند، نمی‌توان از آنها استفاده کرد. تکنیک های مکانیکی ایجاد زبری مانند سنباده زدن و زبری ایجاد شده با لیزر ممکن است سطح را شکننده کرده و مناطق سختی ایجاد کند که برای بارگذاری چرخه ای که در کاربردهای نظامی پیدا می شود مناسب نباشد. اکسیداسیون هوا در دماهای بالا یک لایه اکسید کریستالی را با هزینه ی کمتر تولید می کند، اما افزایش دما می تواند قطعات دقیق را تغییر شکل دهد. نوع چسب، ترموست یا ترموپلاستیک و روش های پخت نیز به دلیل برهمکنش چسب با لایه اکسید ترمیم شده، از عوامل اتصال تیتانیوم هستند.
اکسید آلومینیوم یا آلومینا و کاربید سیلیکون بیشتر برای آماده سازی تیتانیوم در اتصال اپوکسی استفاده می شود. آلومینا دارای سختی 9 در مقیاس Mohs است در حالی که سختی کاربید سیلیکون کمی کمتر از سختی الماس است. بسته به هندسه قطعه کار و قابلیت پرتاب ذرات در پاشش آلومینا، اندازه ذرات آلومینا در محدوده 10 تا 150 میکرون استفاده می شود. ذرات کاربید سیلیکون معمولاً در محدوده 20 تا 50 میکرون هستند و زبری با سرعت بیشتری نسبت به آلومینا رخ می دهد. همانطور که چوب گلف تیتانیومی در هنگام برخورد با سطح زمین جرقه می زند، هنگامی که کاربید سیلیکون به سطح تیتانیوم برخورد می کند نیز، اپراتور جرقه هایی را می بیند. اگر مجموعه های الکترونیکی حساس در داخل محفظه تیتانیومی قرار داشته باشند، باید احتیاط شود. تخلیه الکترواستاتیک را می توان با یونیزه کننده های نقطه ای یا متصل کردن ابزار به زمین کاهش داد. به طور معمول بعد از پاشش شن، از Glass beads ها جهت تمیز کردن، ایجاد پوشش زاویه‌ای نرم‌تر و روشن‌تر استفاده می شود ولی در پاشش به تیتانیوم جهت ایجاد زبری، کمتر مورد استفاده قرار می گیرند. آنها به صورت ذرات کروی در محدوده 35-100 میکرون استفاده می شوند. آنها در مقیاس 6Mohs هستند و اغلب با آب برای ایجاد دوغاب hydrohone استفاده می شوند.
زبری سطح با استفاده از یک نازل پاشش که شن توسط هوای فشرده به پیش رانده می شود، به دست می آید. سرعت شن بسته به زبری و تکرارپذیری می تواند متفاوت باشد. برای مشخص کردن نوع و استحکام چسب، زبری سطح با استفاده از Ra، Sa و Sdr اندازه گیری می شود. مقادیر معمول Ra برای تیتانیوم خالص تجاری بین 0.2 تا 0.75 میکرومتر است. زبری سطح را می توان با ویسکوزیته اپوکسی و سرعت پخت، تنظیم و متناسب کرد. سطح زبر شده با آب مخصوص فرآیند یا یک پاک کننده قلیایی شسته می شود و اغلب با استفاده از پرایمر مانند Silane A-187 یا alkoxide پوشش داده می شود. استفاده از پرایمر را می توان از طریق ابزار دستی مانند قلم مو انجام داد. همچنین می توان آن را روی سطح زبر اسپری کرد یا کل مجموعه را می توان در محلول پرایمر غوطه ور و سپس خشک کرد. روی سطوح تیتانیوم خالص تجاری که با کاربید سیلیکون زبر شده است، پرایمر سطح را تیره می کند و امکان تأیید کاربرد را فراهم می کند.
قطعه های پزشکی قابل کاشت اغلب در یک اتاق تمیز ساخته می شوند. طبقه بندی اتاق های تمیز معمولی در محدوده ISO-7 و ISO-8 یا بین کلاس 10k و 100k هستند. امکان استفاده از ساینده ها در چنین اتاق هایی امکان پذیر نیست. که در چنین مواقعی زبر کردن با استفاده از لیزر گزینه خوبی است.
زمانی که استفاده از ساینده ها و مواد شیمیایی محدودیت داشته باشند، زبر کردن سطوح تیتانیوم با لیزر برای اتصال اپوکسی گزینه خوبی است. همچنین این فرآیند نسبت به پاشش ساینده، تکرارپذیری و سازگاری بیشتری دارد. مزایای دیگر این روش نسبت به ساینده ها زمان کم لمس تیتانیوم با لیزر است. عیب زبر کردن با لیزر هزینه ی بالای تجهیزات و ابزار است. همچنین لیزر، بسته به توان خروجی و تعداد دفعات، قطعه را گرم می کند. مواد را از سطح جدا می کند و بخش هایی از قطعه را سخت می کند. Neodymium doped yttrium aluminum garnet (Nd:YAG)، هریک از لیزر های سبز و فمتوثانیه بسته به قطعه کار و الزامات چسبندگی قابل استفاده هستند. نشانگر لیزر فیبر یا YAG که سطح تیتانیوم را بازپخت می‌کنند راه‌حل کم‌هزینه‌ای هستند در حالی که لیزر فمتوثانیه گران است. زبری سطحی که با لیزر زبر شده، بهتر است با استفاده از میکروسکوپ لیزری اسکن سه بعدی یا Profilometer غیر تماسی اندازه گیری شود. تجزیه و تحلیل XPS و SEM تیتانیوم آلیاژی، مانند گرید 5، جدایش آلومینیوم و وانادیم را نشان می دهد. اغلب اوقات، زبری لیزر در شرایط محیطی یا بدون گاز محافظ آرگون انجام می شود. عناصر محیطی مانند کربن و نیتروژن که هیچ نقشی در اتصال ندارند را می توان از تجزیه و تحلیل سطح نادیده گرفت. زبری لیزری تیتانیوم گرید 5 نشان می دهد که وانادیوم از آلیاژ جدا شده و با افزایش اکسیژن در سطح ظاهر می شود. آزمایش ها نشان داده است که این جداسازی بر چسبندگی سطح تأثیر نمی گذارد. افزایش قدرت لیزر باعث افزایش اکسیداسیون تیتانیوم گرید 5 شده است که با افزایش استحکام اتصال ارتباط دارد. فرورفتگی های ایجاد شده توسط پالس های لیزری متعدد باعث افزایش سطح برای چسبندگی می شود، اما به دلیل پلاسمای ناشی از لیزر، تشکیل اکسید را کاهش می دهد. بسته به گرید تیتانیوم و چسب مورد استفاده، پارامترهای قدرت و فرکانس لیزر را می توان به مقدار بارگذاری و شرایط مفید سطح، تنظیم کرد. اکسید فلزی ناخواسته ممکن است زمانی اتفاق بیفتد که از توان لیزر بالاتر و پاس های متعدد استفاده شود. پس از زبر شدن سطح، اینها را می توان با یک پاس لیزری با توان کمتر یا یک قلم مو، حذف کرد. اندازه دانه ی تیتانیوم بر زبری سطح، سختی و ترشوندگی سطح تأثیر می گذارد. ریزساختار تیتانیوم گرید 2، با دانه های کوچکتر آماده سازی سطح را بهبود بخشید. مانند زبری ایجاد شده به وسیله ی ساینده ها، از پرایمر برای آب بندی سطح زبر لیزری استفاده می شود. قبل از اچ و آندایزینگ، باید چربی گیر با alumina grit blast برای حذف اکسیدهای ناخواسته روی سطح استفاده شود. یک مطالعه در سال 1982 در مرکز توسعه هوایی نیروی دریایی، 11 فرآورده اچ و آندایز کننده را بر روی نمونه های تیتانیوم گرید 5 مقایسه کرد. پس از اتصال، این نمونه ها به مدت 56 روز در معرض دمای 140 درجه فارنهایت و رطوبت نسبی 100 درصد قرار گرفتند. رشد ترک در فواصل از پیش انتخاب شده اندازه گیری شد. نتایج نشان داد که آندایز کرومیک اسید با فلوراید،
محلول اچ Turco 5578،
Pasa Jell 107C – hydrohone،
Pasa Jell 107M – dry hone،
Dapcotreat 4023/4000 و
alkaline peroxide
نسبت به فلوراید فسفات برتری داشتند.
Turco 5578-L یک ماده پاک کننده قلیایی و محلول اچ متداول برای تیتانیوم است. این محصول توسط شرکت Henkel Technologies تولید می شود و به شکل مایع می باشد، بنابراین غلظت آن به راحتی قابل تغییر است. این یک اچ کننده ناهمسانگرد است که از hydrogen embrittlement جلوگیری می کند. هنگامی که روی تیتانیوم گرید 5 استفاده می شود، یک لایه اکسید با ضخامت 17.5 نانومتر و ارتفاع کل زبری سطح 3.4 میکرومتر تولید می کند(R ).
در رابطه با اسید کرومیک، آنودیزینگ معمولاً در ولتاژ 5 یا 10 ولت انجام می شود. مطالعه سال 1982 که در بالا ذکر شد بیان کرد که از منظر باز نشدن ترک، 5 ولت بهتر از 10 ولت عمل می کند. در بررسی آماده سازی تیتانیوم، Critchlow و Brewis بیان کردند که آنودایز 10 ولت پایداری بهتری دارد. آنودایز 10 ولتی می تواند یک لایه اکسیدی ستونی و سلولی با ضخامت بین 80 تا 500 نانومتر تولید کند.  منافذ ایجاد شده را می توان با انتخاب یک چسب با ویسکوزیته کم مانند رزین 3M 1838 epoxide یا اپوکسی Epo-Tek 301 پر کرد. اگر قبل از اتصال، اکسید سطحی در معرض دماهای بالای 300 درجه سانتی گراد و رطوبت قرار گیرد، ممکن است مشکل آفرین باشد.
Pasa Jell wet و dry hone اچ های شیمیایی تولید شده توسط Semco هستند. آنها اکسیدی با ضخامت 10-20 نانومتر ایجاد می کنند. توصیه می شود قبل از استفاده، سطح تیتانیوم را چربی زدایی کنید و هرگونه خوردگی را از طریق سنباده زدن پاک کنید. زمان استفاده معمول، 10 تا 15 دقیقه و سپس شستشو با آب لوله کشی است. استفاده از یک پرایمر بازدارنده از خوردگی مانند BR-127 نشان داده است که اتصالات چسبی قابل مقایسه با اتصالات تولید شده توسط فرآیند آندایزینگ اسید کرومیک ایجاد می کند.