Titan und Titanlegierungen werden aufgrund ihrer ungiftigen Beschaffenheit, ihres geringen Gewichts, ihres hohen Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht und ihrer hervorragenden Biokompatibilität häufig in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Petrochemie und Medizintechnik eingesetzt. Einschränkungen der Härte, geringe Verschleißfestigkeit und unzureichende Oxidationsleistung bei hohen Temperaturen behindern jedoch die weitere Weiterentwicklung von Titanlegierungen. Um diese Nachteile zu überwinden, hat sich die chemische Wärmebehandlung, auch chemische Modifikation genannt, als wirksames Mittel zur Verbesserung herausgestellt.
Bei der chemischen Wärmebehandlung wird die chemische Oberflächenzusammensetzung und Mikrostruktur von Metallkomponenten mithilfe chemischer Reaktionen, manchmal kombiniert mit physikalischen Methoden, verändert, um im Vergleich zu homogenen Materialien eine bessere Leistung zu erzielen. Zu den gängigen chemischen Wärmebehandlungsmethoden für Titan und seine Legierungen gehören Stickstoffdiffusion, Kohlenstoffdiffusion, Bordiffusion und Metalldiffusion.
Durch Stickstoffdiffusionsbehandlungen entstehen Nitride mit hoher -Härte (wie TiN und Ti2N) auf der Oberfläche von Titanlegierungen, die für hervorragende Korrosionsbeständigkeit und Verschleißeigenschaften sorgen. Verschiedene Stickstoffdiffusionstechniken umfassen Salzbadnitrieren, Gasnitrieren, Ionenimplantationsnitrieren, Doppelglühionennitrieren, Oberflächenlasernitrieren und Vakuumnitrieren. Kohlenstoffdiffusionsbehandlungen führen zu Karbiden auf der Oberfläche, die die Härte und Verschleißfestigkeit erhöhen.
Bordiffusionsbehandlungen bilden Boride auf der Oberfläche der Titanlegierung, was die Härte und Korrosionsbeständigkeit weiter erhöht und sich für Anwendungen eignet, die eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit erfordern. Verbindungen wie TiB und TiB2 werden durch Bordiffusionstechniken gebildet, die Feststoff-, Flüssigkeits- und Gasmethoden umfassen.
Bei der Metalldiffusion dringen andere Metallelemente auf die Oberfläche der Titanlegierung ein, um Verbundwerkstoffe zu erzeugen und so die Leistung zu verbessern. Die Auswahl der vordiffundierten Metallelemente sollte eine gute Löslichkeit mit Titanlegierungen aufweisen. Zu den Faktoren, die die Metalllöslichkeit beeinflussen, gehören die Atomgröße, die chemische Affinität, die Kristallstruktur und die relative Atomvalenz.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die verschiedenen chemischen Wärmebehandlungsmethoden für Titanlegierungen jeweils einzigartige Vorteile bieten und die Wahl der Technik an den spezifischen Anforderungen ausgerichtet sein sollte. Derzeit sind Stickstoff- und Kohlenstoffdiffusionstechnologien vorherrschend. Da sich die Technologien für Titan und Titanlegierungen ständig weiterentwickeln, bieten Oberflächenbehandlungen ein erhebliches Potenzial zur Verbesserung der Produktleistung.
