Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM
Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM
Probe aus Titan Elektropolierung
© Fraunhofer IFAM
Rechts: 3D-gedruckte Probe aus Titan, links: nach Elektropolierung

© Fraunhofer IFAM

Nasschemische Vorbehandlung von Titan

Warum Titan eine gezielte Oberflächenvorbehandlung braucht

Titan verbindet hohe spezifische Festigkeit, geringe Dichte und sehr gute Korrosionsbeständigkeit mit ausgezeichneter Biokompatibilität. Deshalb wird der Werkstoff unter anderem in der Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik, chemischen Industrie und im Leichtbau eingesetzt. Gleichzeitig stellt die sehr stabile natürliche Oxidschicht hohe Anforderungen an die Oberflächenvorbehandlung: Für Kleben, Beschichten, Fügen oder funktionale Oberflächen müssen Reinheit, Rauheit, Benetzbarkeit und Oberflächenchemie gezielt eingestellt werden.

Die nasschemische Vorbehandlung umfasst Reinigungs-, Beiz-, Polier- und Oxidationsprozesse, bei denen die Titanoberfläche in wässrigen Prozessmedien gezielt verändert wird. Je nach Bauteilgeometrie und Anforderung können die Verfahren als Tauchbad, elektrochemisch oder auch als lokaler Auftragsprozess ausgeführt werden. Ziel ist eine reproduzierbar funktionalisierte Oberfläche als Grundlage für nachfolgende Beschichtungen, Klebprozesse oder funktionale Anwendungen. Die Verfahren lassen sich spezifisch auf verschiedenste Titanlegierungen anwenden.

 

Die Verfahren im Vergleich

Verfahren zielsetzung typisches ergebnis besonders geeignet für
Beizen Entfernen stabiler Oxidschichten und sauerstoffangereicherter Randzonen reduzierte Oberflächenversprödung nach Wärmebehandlung wärmebehandelte Titanbauteile
Elektropolieren Glättung, Abtrag kleiner Rauheitsspitzen sehr glatte, saubere, gut reinigbare Oberflächen komplexe Geometrien, Oberflächen mit hoher Anforderung an Ebenheit, additiv gefertigte Bauteile
Anodisieren elektrochemisches Verdicken der Oxidschicht fest haftendes amorphes Titanoxid, dicht, dünn oder strukturiert Korrosionsschutz, Biokompatibilität, elektrische Isolierung, Haftvermittlung, Interferenzfarben
PEO / Mikro-Arc-Oxidation

lokale Plasmaentladungen bei hohen Spannungen

 keramische, nanokristalline, meist poröse, fest haftende Oxidschichten Härte, Verschleißbeständigkeit, Biokompatibilität, funktionalisierbare Oberflächen

Beizen von Titan

Beim Beizen von Titan müssen stabile Oxidschichten und sauerstoffangereicherte Randzonen zuverlässig entfernt werden. Klassische fluoridhaltige Beizen sind wirksam, stellen jedoch wegen des Einsatzes von Flusssäure sehr hohe Anforderungen an Arbeits- und Umweltschutz.

Am Fraunhofer IFAM wurde ein quasi-flusssäurefreies Verfahren zum Beizen von Titanlegierungen auf Basis von Tetrafluorborsäure entwickelt, das mit deutlich geringeren Sicherheitsanforderungen arbeitet und unter anderem geeignet ist, die durch Sauerstoffaufnahme nach Wärmebehandlungen verursachte Oberflächenversprödung zu reduzieren.

Ergänzend steht ein Badüberwachungsverfahren zur Verfügung, mit dem nachgewiesen werden kann, dass kein unerwünschter Sauerstoff mehr im Metall gelöst ist. Notwendige Behandlungszeiten können so individuell sichergestellt werden.

Elektropolieren von Titan

Probe aus Titan Elektropolierung
© Fraunhofer IFAM
Rechts: 3D-gedruckte Probe aus Titan, links: nach Elektropolierung

Beim Elektropolieren wird die Titanoberfläche elektrochemisch geglättet, indem mikroskopische Rauheitsspitzen bevorzugt abgetragen werden.

Das Verfahren eignet sich besonders für komplexe Geometrien und additiv gefertigte Bauteile, bei denen mechanische Nachbearbeitung nur eingeschränkt möglich ist. Das Ergebnis sind sehr glatte, saubere und gut reinigbare Oberflächen vom hoher optischer und funktionaler Qualität.

Anodisieren von Titan

Titan-Niete mit Anodisierschicht
© Fraunhofer IFAM
Titan-Niete mit Anodisierschicht zur Haftvermittlung
Querschliff einer Anodisierschicht auf Titan
© Fraunhofer IFAM
Querschliff einer Anodisierschicht auf Titan im Elektronenmikroskop

Beim Anodisieren wird die natürliche Oxidschicht von Titan elektrochemisch gezielt verdickt und funktional eingestellt.

Die entstehenden Schichten bestehen aus fest haftendem amorphen Titanoxid und können je nach Prozessführung dicht, dünn oder strukturiert ausgeprägt sein. Typische technische Eigenschaften sind:

  • erhöhte Korrosionsbeständigkeit
  • verbesserte Biokompatibilität
  • definierte elektrische Isolation
  • dekorative Interferenzfarben sowie
  • verbesserte Haftvermittlung für nachfolgende Beschichtungs- oder Klebprozesse

Plasmaelektrolytische Oxidation (PEO) von Titan

Unterkieferimplantat mit antibakterieller PEO-Oberfläche
© Fraunhofer IFAM
Unterkieferimplantat mit antibakteriell funktionalisierter PEO-Oberfläche

Die plasmaelektrolytische Oxidation, auch Mikro-Arc-Oxidation genannt, ist ein elektrochemisches Verfahren, bei dem unter hohen Spannungen lokale Plasmaentladungen an der Metalloberfläche entstehen.

Dadurch bilden sich fest haftende, keramische und meist poröse Oxidschichten auf Titan. Diese Schichten können folgende Eigenschaften bieten:

  • hohe Härte
  • Verschleißfestigkeit
  • Temperaturbeständigkeit und
  • gute Haftvermittlung für weitere Beschichtungen

Durch ihre Porenstruktur lassen sie sich zusätzlich funktionalisieren, zum Beispiel für antibakterielle, photokatalytische oder klebtechnische Anwendungen.

 

Hier finden Sie weitere Informationen zur Plasmaelektrolytischen Oxidation

Anwendungsbeispiele

branche typische anwendungen
Luft- und Raumfahrt Strukturbauteile, Niete und Fügeteile, klebtechnische Vorbehandlung
Medizintechnik Implantate mit antibakteriell oder biologisch funktionalisierten Oberflächen
Chemische Industrie Korrosionsbeanspruchte Komponenten
Leichtbau und Additive Fertigung Nachbearbeitung 3D-gedruckter Titanbauteile

Jetzt Beratung anfragen

Sie möchten eine Titanoberfläche gezielt für das Kleben, Beschichten, Fügen oder eine funktionale Anwendung vorbehandeln? Wir beraten Sie gerne bei der Auswahl und Auslegung eines geeigneten Verfahrens.

Unser Leistungsangebot umfasst:

Leistung Inhalt
Machbarkeitsstudien Bewertung Ihrer Anforderung, Verfahrensauswahl, erste Versuche an Probenkörpern
Verfahrens- und Prozessentwicklung Entwicklung und Anpassung nasschemischer Prozesse auf Werkstoff, Geometrie und Zielgröße
Prozessqualifizierung Parameterfenster, Prozessfähigkeit, Badüberwachung, Reproduzierbarkeitsnachweis
Oberflächenanalytik und Elektronen-Mikroskopie Charakterisierung von Topografie, Schichtaufbau und Oberflächenchemie sowie Bewertung der Klebeignung
Muster- und Kleinserienfertigung Behandlung von Probenkörpern und Bauteilen für Erprobung und Qualifizierung
Technologietransfer Übertragung in die industrielle Fertigung, Anlagenspezifikation
Alle ausklappen Alle einklappen

  • Titan bildet eine sehr stabile natürliche Oxidschicht. Für nachfolgende Prozesse wie Kleben, Beschichten, Fügen oder die Herstellung funktionaler Oberflächen müssen daher Oberflächenparameter wie Reinheit, Rauheit, Benetzbarkeit und Oberflächenchemie gezielt eingestellt werden.

  • Je nach Zielsetzung kommen unter anderem Beizen, Elektropolieren, Anodisieren und plasmaelektrolytische Oxidation zum Einsatz. Die Auswahl hängt von der Bauteilgeometrie und den Anforderungen bzw. den Zieleigenschaften der Oberfläche ab.

  • Beim Beizen werden stabile Oxidschichten und sauerstoffangereicherte Randzonen des Metalls entfernt. Dadurch kann unter anderem eine durch Sauerstoffaufnahme nach Wärmebehandlungen verursachte Oberflächenversprödung reduziert werden.

  • Am Fraunhofer IFAM wurde ein quasi-flusssäurefreies Beizverfahren für Titanlegierungen auf Basis von Tetrafluorborsäure entwickelt, das mit deutlich geringeren Sicherheitsanforderungen arbeitet.

  • Über ein Badüberwachungsverfahren, mit dem nachgewiesen werden kann, dass kein unerwünschter Sauerstoff mehr im Metall gelöst ist. Notwendige Behandlungszeiten können so individuell sichergestellt werden.

  • Beim Anodisieren wächst elektrochemisch durch eine niedrige Spannung < 100 V eine amorphe Oxidschicht auf Titan auf, die durch Prozessführung und Elektrolyt gezielt funktionalisiert werden kann. Bei der plasmaelektrolytischen Oxidation entstehen unter hohen Spannungen (> 100 V) lokale Plasmaentladungen, durch die sich fest haftende, keramische, nanokristalline und meist poröse Oxidschichten bilden. Über die Porosität lässt sich die Oberfläche vielfältig funktionalisieren, z. B. durch Implementierung von Antibiotika bzw. nano-Silberpartikel wird das Entzündungsrisiko für Implantate wesentlich reduziert.

  • Das Elektropolieren eignet sich besonders für komplexe Geometrien und additiv gefertigte Bauteile, bei denen eine mechanische Nachbearbeitung nur eingeschränkt möglich ist.