Unión adhesiva de titanio

La unión adhesiva de titanio es un proceso de ingeniería utilizado en la industria aeroespacial, la fabricación de dispositivos médicos y otros sectores. La aleación de titanio se utiliza frecuentemente en aplicaciones médicas y militares debido a su resistencia, ligereza y resistencia a la corrosión. En dispositivos médicos implantables, el titanio se utiliza por su biocompatibilidad y su capa de óxido pasiva y estable. ^{[ 1 ]} Además, las alergias al titanio son poco comunes y, en esos casos, se utilizan medidas de mitigación como el recubrimiento de parileno . ^{[ 2 ]} En la industria aeroespacial, el titanio se suele unir para ahorrar costes, reducir el tiempo de manipulación y la necesidad de fijaciones mecánicas. En el pasado, los cascos de los submarinos rusos estaban hechos completamente de titanio porque la naturaleza no magnética del material no fue detectada por la tecnología de defensa de la época. ^{[ 3 ]} La unión adhesiva al titanio requiere la preparación previa de la superficie, y no existe una única solución para todas las aplicaciones. Por ejemplo, los métodos de grabado y químicos no son biocompatibles y no pueden emplearse cuando el dispositivo va a entrar en contacto con sangre y tejidos. Las técnicas de rugosidad superficial mecánica, como el lijado y el rugosado láser, pueden hacer que la superficie sea quebradiza y crear regiones de microdureza que no serían adecuadas para las cargas cíclicas que se encuentran en las aplicaciones militares. La oxidación al aire a altas temperaturas producirá una capa de óxido cristalino con un menor costo de inversión, pero las temperaturas elevadas pueden deformar las piezas de precisión. ^{[ 4 ]} El tipo de adhesivo, termoestable o termoplástico, y los métodos de curado también son factores en la unión de titanio debido a la interacción del adhesivo con la capa de óxido tratada. Los tratamientos superficiales también se pueden combinar. Por ejemplo, un proceso de granallado puede ir seguido de un grabado químico y la aplicación de una imprimación.

El óxido de aluminio o alúmina y el carburo de silicio son los más utilizados para preparar el titanio para la unión con epoxi. La alúmina tiene una dureza de 9 en la escala de Mohs , mientras que el carburo de silicio tiene una dureza ligeramente inferior a la del diamante. ^{[ 5 ]} Se utilizan partículas de alúmina con tamaños entre 10 y 150 micras, dependiendo de la geometría de la pieza y las capacidades de granallado. ^{[ 5 ]} Las partículas de carburo de silicio suelen tener un tamaño entre 20 y 50 micras, y la texturización se produce a un ritmo más rápido que con la alúmina. ^{[ 5 ]} Cuando el carburo de silicio golpea la superficie de titanio, el operador verá chispas, como suele ocurrir con los drivers de golf con superficie de titanio al golpear el suelo. Se debe tener cuidado si hay conjuntos electrónicos sensibles alojados dentro de la carcasa de titanio. La descarga electrostática se puede mitigar con ionizadores puntuales o elementos de conexión a tierra en las herramientas. Las microesferas de vidrio se utilizan con menos frecuencia. Se presentan como partículas esféricas con un tamaño entre 35 y 100 micras. ^{[ 5 ]} Tienen una dureza de 6 en la escala de Mohs y a menudo se utilizan con agua para crear una pasta de hidrobrillantado. ^{[ 5 ]} Cuando se aplican a material de titanio comercialmente puro , alivian las tensiones del conjunto, generalmente después de la soldadura, y crean un acabado satinado perfecto para el marcado láser de etiquetas. La superficie también es adecuada como preparación para conjuntos antes de la deposición de vapor del recubrimiento de parileno. ^{[ 5 ]}

La rugosidad superficial se logra mediante el uso de una boquilla de granallado impulsada por aire comprimido. El enfoque y la velocidad del medio generado por la boquilla pueden variarse según los requisitos de rugosidad y la repetibilidad. La rugosidad superficial, medida mediante Ra, Sa y Sdr, se utiliza para caracterizar la aplicación del medio y la resistencia de la unión adhesiva. Los valores típicos de Ra para titanio comercialmente puro se encuentran entre 0,2 y 0,75 micrómetros. ^{[ 6 ]} La rugosidad superficial puede ajustarse a la viscosidad del epoxi y a la conversión de curado. La superficie rugosa se enjuaga con agua de proceso o un limpiador alcalino y, a menudo, se sella con una imprimación como el silano A-187 o un alcóxido . ^{[ 7 ]} La aplicación de la imprimación puede realizarse manualmente, por ejemplo, con un pincel. También puede pulverizarse sobre la superficie rugosa o sumergir todo el conjunto en una solución de imprimación y curarlo. En superficies de titanio comercialmente puro que se han rugosizado con carburo de silicio, una imprimación de silano oscurecerá la superficie, lo que permite verificar la aplicación.

Los dispositivos médicos implantables suelen fabricarse en un entorno de sala limpia . Las salas limpias suelen tener una clasificación ISO-7 o ISO-8, o entre las clases 10.000 y 100.000. Los abrasivos y sus aplicaciones no pueden almacenarse en dichas salas. Si no se dispone de ventanas de paso, el desbaste láser es una buena opción.

El rugosado láser de superficies de titanio para la unión con epoxi es una buena opción cuando el uso de abrasivos y agentes químicos está restringido en el área de fabricación. El proceso también es más repetible y consistente que el granallado abrasivo, a menudo manual. Otras ventajas sobre los abrasivos son el tiempo de contacto y el mantenimiento. La desventaja del rugosado láser es el costo del equipo y las herramientas. Además, el láser calentará el material dependiendo de su potencia y número de pasadas. Eliminará material de la superficie y creará regiones de material endurecido que se reubican dentro de la superficie. Se pueden utilizar láseres de granate de itrio y aluminio dopado con neodimio ( Nd:YAG ), CO₂ _, verdes o de femtosegundos, según la pieza de trabajo y los requisitos de adhesión. Los marcadores láser YAG o de fibra que recocen la superficie de titanio son la solución de bajo costo, mientras que el láser de femtosegundos se encuentra en el extremo superior de la escala de costos. La rugosidad superficial de las superficies rugosas con láser se mide mejor utilizando un microscopio láser de escaneo tridimensional o un perfilómetro sin contacto . El análisis XPS y SEM del titanio aleado, como el grado 5, mostrará la segregación del aluminio y el vanadio. A menudo, el rugosado láser se realiza en condiciones ambientales con o sin gas de protección de argón . Los elementos ambientales que no desempeñan un papel en la unión, como el carbono y el nitrógeno, pueden ignorarse del análisis de superficie. El rugosado láser del titanio grado 5 mostrará que el vanadio se segregará hacia el interior de la aleación y aparecerá en la superficie con un mayor nivel de oxígeno. Las pruebas de cizallamiento por solapamiento han demostrado que esta segregación no afecta la adhesión superficial. Se ha demostrado que el aumento de la potencia del láser aumenta la oxidación del titanio grado 5, lo que se ha correlacionado con un aumento de la resistencia de la unión. ^{[ 8 ]} Además, se ha demostrado que la producción de alúmina en la superficie mejora la unión. Las hendiduras creadas por múltiples pulsos láser aumentan el área superficial para la adhesión, pero el centro de la topografía tendrá una formación de óxido reducida debido al plasma inducido por el láser. ^{[ 9 ]} Dependiendo del grado de titanio y del adhesivo utilizado, los parámetros del láser (potencia, frecuencia y patrón) pueden ajustarse a los requisitos de carga y a las condiciones elementales superficiales beneficiosas mencionadas anteriormente. Puede producirse óxido metálico no deseado al emplear potencias láser más altas y múltiples pasadas. Este puede eliminarse con una pasada láser de menor potencia o con un cepillo de titanio, después del desbaste. El tamaño del grano afectará la rugosidad, la dureza y la humectabilidad de la superficie. En el titanio de grado 2, una estructura de grano más pequeña mejoró estas características de preparación de la superficie. ^{[ 10 ]}Al igual que con los abrasivos, se utiliza una imprimación de silano para sellar la superficie rugosa tratada con láser.

Antes de estos tratamientos, se debe utilizar un desengrasante solvente con un chorro de arena de alúmina para eliminar los óxidos no deseados de la superficie. Un estudio de 1982 en el Centro de Desarrollo de Aeronaves Navales comparó 11 preparaciones de grabado, químicas y de anodizado en muestras de titanio de grado 5. Una vez unidas, estas muestras se expusieron durante 56 días a 140 grados F y 100% de humedad relativa. El crecimiento de grietas se midió a intervalos preseleccionados. Los resultados mostraron que el anodizado con ácido crómico y fluoruro, los grabadores Turco 5578, Pasa Jell 107C (hidrobrillante), Pasa Jell 107M (brillante seco), Dapcotreat 4023/4000 y el peróxido alcalino fueron superiores a las preparaciones de fluoruro de fosfato. ^{[ 4 ]}

Turco 5578-L es un grabador y limpiador alcalino de uso común para titanio. Es producido por Henkel Technologies y se presenta en forma líquida, lo que permite modificar fácilmente su concentración. Es un grabador anisotrópico que evita la fragilización por hidrógeno . ^{[ 6 ]} Cuando se utiliza en titanio de grado 5, produce una capa de óxido de 17,5  nm de espesor y una rugosidad superficial de 3,4  µm de altura total (R _t ). ^{[ 7 ]}

En un tratamiento con ácido crómico, la anodización se realiza típicamente a 5 o 10 voltios. El estudio de 1982 mencionado anteriormente indicó que los 5 voltios tuvieron un mejor rendimiento que los 10 voltios en función de la apertura promedio de grietas. En la Revisión de preparación para Ti, Critchlow y Brewis afirman que la anodización a 10 voltios mostró mejores resultados de durabilidad. ^{[ 7 ]} La anodización a 10 voltios puede producir una capa de óxido columnar y celular con un espesor entre 80 y 500  nm. ^{[ 7 ]} Los poros y filamentos producidos pueden penetrarse seleccionando un adhesivo de baja viscosidad, como una resina epoxi 3M 1838 o un epoxi Epo-Tek 301. El óxido superficial puede verse comprometido si se somete a altas temperaturas, superiores a 300  °C, y humedad antes de la unión. ^{[ 7 ]}

Pasa Jell wet and dry hone son grabadores químicos producidos por Semco. Crean espesores de óxido de 10-20  nm. ^{[ 7 ]} Se recomienda desengrasar la superficie de titanio y eliminar cualquier corrosión mediante lijado y/o granallado antes de la aplicación. Los tiempos de aplicación típicos son de 10 a 15 minutos, seguidos de un enjuague con agua del grifo. ^{[ 11 ]} Se ha demostrado que la aplicación de una imprimación inhibidora de la corrosión como BR-127 produce uniones adhesivas comparables a las producidas por el proceso de anodizado con ácido crómico. ^{[ 7 ]}