Studio sulla resistenza all'ablazione delle leghe di titanio marino e dei rivestimenti di cromo dopo la lavorazione

Nella produzione e manutenzione di imbarcazioni marine, i componenti marini sono soggetti ad ambienti operativi estremi, in particolare alla sfida dell'ablazione ad alta temperatura, che ne limita notevolmente la durata. Questo articolo si concentra su un metodo di lavorazione innovativo volto a migliorare la resistenza all'ablazione dei materiali in lega di titanio trattandoli con uno strato di cromo sulla loro superficie attraverso un processo specifico. Attraverso esperimenti di ablazione laser che simulano l'effettivo ambiente operativo di una nave, forniamo approfondimenti sugli effetti di questo trattamento di lavorazione sulle proprietà delle leghe di titanio e dei rivestimenti di cromo.
Con il continuo progresso della tecnologia dell'ingegneria navale, i requisiti prestazionali per i componenti delle navi stanno diventando sempre più severi. La lega di titanio, con le sue eccellenti proprietà meccaniche e resistenza alla corrosione, occupa una posizione importante nella costruzione navale. Tuttavia, l’ablazione ad alta temperatura nell’ambiente marino rappresenta ancora una sfida importante che ne limita l’applicazione. Per affrontare questa sfida, abbiamo adottato una tecnologia di lavorazione avanzata per trattare la superficie delle leghe di titanio con cromatura, con l'obiettivo di migliorarne la resistenza alla corrosione ablativa.

Metodo di lavorazione e preparazione del materiale
Lavorazione del substrato in lega di titanio: la materia prima della lega di titanio è stata tagliata in campioni di dimensioni standard (2 cm × 1 cm × 0,5 cm) utilizzando la tecnologia di taglio a filo di precisione. Successivamente è stata utilizzata carta vetrata di grana 1500 per la lucidatura, quindi è stata utilizzata pasta abrasiva per lucidare fino ad ottenere un effetto a specchio e infine è stata utilizzata la pulizia ad ultrasuoni per rimuovere le impurità superficiali per garantire la finitura superficiale del supporto.
Lavorazione del rivestimento di cromo: i rivestimenti di cromo sono stati depositati sulla superficie dei campioni di lega di titanio preparati utilizzando la tecnologia avanzata di placcatura ionica ad arco. Controllando con precisione il vuoto (6×10^-3 Pa), la temperatura (300 gradi), la pressione NH3 (2~3 Pa) e la tensione di polarizzazione (800~1000 V), si garantisce che il rivestimento di cromo sia uniforme e denso e il tempo di deposizione è controllato a 10~20 minuti.
Esperimento di ablazione laser e analisi dei risultati
Sono stati progettati una serie di esperimenti di ablazione laser per valutare la resistenza all'ablazione della lega di titanio lavorata e del rivestimento di cromo. Gli esperimenti hanno utilizzato un laser fatto in casa con larghezza di impulso lungo (modello FLK-TIX6409Hz) per simulare il processo di ablazione delle parti della nave in un ambiente ad alta temperatura regolando l'energia dell'impulso e il numero di impulsi.
I risultati sperimentali mostrano che il substrato di lega di titanio non trattato presenta crateri di ablazione ampi e profondi sulla superficie sotto ablazione laser, con un gran numero di crepe nella zona centrale sebbene lisce, e uno spesso accumulo di ossido nella zona del bordo. Al contrario, lo strato cromato sulla superficie della lega di titanio lavorata ha mostrato una resistenza all’ablazione superiore nelle stesse condizioni, con cavità di ablazione meno profonde e meno crepe, e un accumulo di ossido significativamente inferiore.
Attraverso la micromorfologia della microscopia elettronica a scansione (SEM) e della spettroscopia a dispersione di energia (EDAX) e l'analisi compositiva delle superfici ablate, abbiamo scoperto che il rivestimento di cromo bloccava efficacemente l'erosione diretta dell'ossigeno ad alta temperatura sul substrato della lega di titanio e riduceva l'incidenza delle reazioni di ossidazione, migliorando così le proprietà complessive di resistenza all’ablazione del materiale.
Conclusione e prospettive
In questo studio, la resistenza all’ablazione delle leghe di titanio e dei rivestimenti di cromo è stata migliorata con successo attraverso metodi di lavorazione innovativi. I risultati sperimentali mostrano che il rivestimento di cromo svolge un ruolo importante nella protezione del substrato in lega di titanio dall’ablazione ad alta temperatura, prolungando significativamente la durata dei componenti della nave. La ricerca futura può esplorare ulteriormente gli effetti di diversi parametri di lavorazione sulle prestazioni del rivestimento, nonché lo sviluppo di materiali di rivestimento protettivo più performanti, al fine di soddisfare l’urgente domanda di parti ad alte prestazioni nel campo della costruzione navale.