Sebbene le leghe di titanio abbiano un'elevata robustezza ed un'eccellente resistenza alla corrosione, la loro scarsa resistenza all'usura rappresenta il principale svantaggio per la loro applicazione in ingegneria. Attualmente, le tecnologie mature di trattamento superficiale in campo industriale sono principalmente le seguenti tipologie, ciascuna con i propri vantaggi e svantaggi.
Metodo di rivestimento umido
Il rivestimento è costituito principalmente da leghe Cr e Ni-P. SUaste in titanioe fili, a causa della densa pellicola di passivazione superficiale del titanio, la cromatura diretta ha scarsa adesione. Nell'industria, è prassi comune depositare prima chimicamente il Ni o pre-depositare uno strato di Ni sul substrato di titanio e poi placcare il cromo. Il metodo elettrolitico forma rapidamente la pellicola, con uno spessore del rivestimento di diversi micrometri e il rivestimento decorativo è di solo circa 1 μm, in grado di soddisfare i requisiti generali di resistenza all'usura e decorativi. Attualmente è uno dei metodi di trattamento superficiale-più convenienti. Tuttavia, qui ci sono delle carenze. Il rivestimento è legato meccanicamente al substrato. È soggetto a sfaldamento in caso di impatto e condizioni di carico pesante. Inoltre, il processo di galvanica prevede il trattamento delle acque reflue-contenenti cromo, il che comporta una notevole pressione ambientale.
Metodo della diffusione termica
Attingendo ai processi maturi di cementazione, nitrurazione e boronizzazione dei materiali di acciaio, gli atomi interstiziali vengono diffusi all'interno della matrice di titanio ad alte temperature per formare uno strato indurito. Questo metodo può ottenere strati di diffusione che vanno da diverse decine a diverse centinaia di micrometri di spessore, con un leggero gradiente di durezza e un forte legame con il materiale di base, che lo rendono adatto per applicazioni soggette a stress da contatto. Tuttavia, la temperatura di lavorazione è solitamente superiore a 800 gradi e la struttura della lega di titanio tende a ingrossarsi. Per la regolazione è necessario un successivo trattamento termico e la finestra del processo è ristretta. Inoltre, alle alte temperature, il titanio assorbe ossigeno e idrogeno e per risolvere questi problemi è necessario un rigoroso controllo dell’atmosfera protettiva.
Metodo di saldatura
Il rivestimento in lega dura o composto intermetallico viene saldato sulla superficie del titanio utilizzando l'arco di trasferimento al plasma (PTA). Il tasso di diluizione è controllabile, la forza di adesione è elevata e la resistenza all'usura è eccellente. Il vantaggio principale è che consente il trattamento locale senza che l'intero materiale di base venga riscaldato, evitando così il deterioramento delle proprietà meccaniche nei pezzi di grandi-dimensioni. Lo svantaggio è che la superficie dello strato di saldatura è ruvida e per ottenere la precisione dimensionale è necessaria una lavorazione secondaria. È inoltre limitato dalla raggiungibilità della pistola di saldatura PTA e viene utilizzato principalmente per piastre piane di grandi dimensioni, alberi e altri pezzi regolari. È difficile gestire parti dalla forma-complessa.
Metodo di deposizione in fase vapore (CVD/PVD/PCVD)
La deposizione fisica da fase vapore (PVD), la deposizione chimica da fase vapore (CVD) e la deposizione chimica da fase vapore potenziata dal plasma-(PCVD) sono un gruppo di tecnologie che si è sviluppato rapidamente negli ultimi anni. Possono essere utilizzati per preparare rivestimenti duri come TiN, TiAlN e DLC sulla superficie del titanio, con uno spessore tipicamente compreso tra 2 e 10 μm. La durezza può raggiungere da 2000 a 4000 HV e il coefficiente di attrito è notevolmente ridotto. Sono comunemente applicati amateriali bersaglio in titanio. Rispetto al rivestimento umido, l'adesione dei rivestimenti con deposizione in fase gassosa- è migliore (soprattutto con l'ausilio della tensione di polarizzazione) e la temperatura del processo diminuisce gradualmente. - Il PVD può essere controllato sotto i 400 gradi, con un impatto minimo sulla microstruttura del substrato in lega di titanio ed è adatto per la lavorazione finale di parti di precisione.
When comparing the three types of coatings, CVD coatings are dense and have good over-coating performance, but they require high temperatures (>800 gradi) e tendono a generare sottoprodotti dannosi; I rivestimenti PVD presentano un basso stress e una temperatura moderata, ma le loro prestazioni di sovrarivestimento sono scarse ed è difficile coprire uniformemente le complesse superfici dei fori interni; Il PCVD combina l'attivazione del plasma e la deposizione di vapori chimici e può depositare rivestimenti con una forza di adesione migliore rispetto al PVD a 500-600 gradi e ha prestazioni di rivestimento migliori rispetto al PVD. Attualmente è la direzione principale per il rafforzamento superficiale delle leghe di titanio, e anche le difficoltà di investimento in attrezzature e di controllo del processo sono le più elevate tra le tre.
Suggerimenti per la selezione tecnica:
Per le parti con priorità di costo e scarsa precisione dimensionale, è possibile dare priorità alla cromatura a umido o alla placcatura chimica Ni-P.
Per condizioni di carico-pesante e stress da contatto elevato, si consiglia il metodo di diffusione termica o il metodo del rivestimento duro per ottenere uno spesso strato di diffusione.
Per le parti di precisione con tolleranze dimensionali rigorose e basse temperature di esercizio, il rivestimento PVD/TiN è una soluzione matura.
Per le applicazioni-di fascia alta che tengono conto dell'adesione, delle proprietà di adesione e del controllo della microstruttura (come componenti per motori aeronautici), la tecnologia PCVD presenta il potenziale maggiore.
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