Jakie są rodzaje stopów tytanu, ich obróbka cieplna i zastosowania?

Tytan i stopy tytanu przewyższają aluminium i stopy aluminium pod względem wytrzymałości, odporności na wysoką temperaturę oraz odporności na korozję. Znajdują szerokie zastosowanie w lotnictwie, przemyśle kosmicznym, przetwórstwie chemicznym, produkcji pocisków oraz w statkach morskich. Jednak w wysokich temperaturach tytan staje się niezwykle reaktywny. Dlatego topienie, odlewanie, spawanie i obróbka cieplna muszą odbywać się w próżni lub w atmosferze obojętnej. Te rygorystyczne warunki przetwarzania oraz wysokie koszty ograniczają szersze zastosowanie tego materiału.

Tytan o czystości handlowej

Tytan to metal o srebrno-białym kolorze, którego temperatura topnienia wynosi 1 680 °C, a gęstość 4,5 g/cm³. Jest cięższy od aluminium, ale lżejszy od stali. Jego wytrzymałość jest około sześciokrotnie większa niż aluminium, co zapewnia mu wysoką wytrzymałość właściwą. Tytan charakteryzuje się również wysoką plastycznością, dobrą odpornością na wysoką temperaturę oraz niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej, dzięki czemu naprężenia termiczne są stosunkowo niewielkie podczas eksploatacji w wysokich temperaturach lub obróbki na gorąco.

Tytan wykazuje doskonałą odporność na korozję w kwasie siarkowym, solnym, azotowym, wodorotlenku sodu i innych roztworach alkalicznych, w wilgotnym otoczeniu oraz w wodzie morskiej. Nie jest jednak odporny na kwas fluorowodorowy. Tytan jest stabilny w atmosferze, ponieważ na jego powierzchni tworzy się gęsta warstwa tlenku, która pozwala mu zachować metaliczny połysk. Jednak w temperaturze powyżej 600°C warstwa ta traci swoje właściwości ochronne.

Tytan występuje w dwóch postaciach alotropowych. W temperaturze poniżej 882,5 °C stabilną strukturą jest α-Ti o heksagonalnym upakowaniu gęstym. W zakresie temperatur od 882,5 °C do temperatury topnienia stabilną strukturą jest β-Ti o strukturze sześciennej centrowanej na bryłę.

Tytan czysty handlowo (tytan CP) dzieli się na różne gatunki w zależności od dopuszczalnych poziomów pierwiastków międzywęzłowych i zanieczyszczeń. Zanieczyszczenia te wpływają na wytrzymałość, plastyczność i odporność na korozję. Typowe klasy w systemie ASTM to klasy 1, 2, 3 i 4, a źródło wskazuje klasę 2 jako jedną z najczęściej stosowanych w ogólnych zastosowaniach przemysłowych. Niniejsze oświadczenie opisuje międzynarodowe ramy klasyfikacji tytanu CP i nie ustanawia jednoznacznej zgodności z chińskimi klasami tytanu CP.

Tytan typu CP łączy w sobie dobrą odporność na korozję z umiarkowaną wytrzymałością. Nadaje się do produkcji elementów, które nie wymagają bardzo wysokiej wytrzymałości, ale muszą być odporne na korozję, w tym poszycia i konstrukcje lotnicze, urządzenia do przetwórstwa chemicznego, reaktory, wymienniki ciepła oraz urządzenia do odsalania wody morskiej.

Tytanu CP zazwyczaj nie da się wzmocnić za pomocą konwencjonalnej obróbki cieplnej. Obróbka na zimno może zwiększyć jego wytrzymałość. Głównymi rodzajami obróbki cieplnej tego materiału są wyżarzanie rekrystalizacyjne i wyżarzanie odprężające, które przywracają plastyczność, zmniejszają naprężenia szczątkowe i poprawiają stabilność wymiarową.

Skład, mikrostruktura, klasyfikacja i oznaczenia

Pierwiunki stopowe

Do tytanu dodaje się pierwiastki stopowe w celu zwiększenia wytrzymałości. Pierwiastki rozpuszczone w fazie α-Ti tworzą roztwór stały α, natomiast pierwiastki rozpuszczone w fazie β-Ti tworzą roztwór stały β. Aluminium, węgiel, azot, tlen i bor podnoszą temperaturę przemiany alotropowej α/β i nazywane są pierwiastkami stabilizującymi fazę α. Żelazo, molibden, magnez, chrom, mangan i wanad obniżają temperaturę przemiany i nazywane są pierwiastkami stabilizującymi fazę β. Cyna i cyrkon mają niewielki wpływ na temperaturę przemiany i traktowane są jako pierwiastki neutralne.

Klasy mikrostrukturalne

W zależności od mikrostruktury w stanie surowym lub po wyżarzaniu stopy tytanu dzieli się na stopy α, stopy β, stopy (α+β) oraz stopy typu „near-α” zawierające niewielką ilość fazy β. W chińskiej nomenklaturze stopów te trzy główne grupy stopów oznaczane są przedrostkami TA, TB i TC, po których następuje liczba. Pod względem właściwości użytkowych stopy tytanu można również opisać jako stopy o niskiej, średniej lub wysokiej wytrzymałości.

Obróbka cieplna stopów tytanu

Wyżarzanie odprężające

Wyżarzanie odprężające usuwa naprężenia wewnętrzne powstałe w wyniku obróbki skrawaniem lub spawania. Źródło podaje typową temperaturę od 450 do 650 °C, czas utrzymywania od 1 do 4 godzin oraz chłodzenie na powietrzu.

Wyżarzanie rekrystalizacyjne

Wyżarzanie rekrystalizacyjne usuwa utwardzenie przez odkształcenie. Typowe temperatury wynoszą od 550 do 690°C dla czystego tytanu oraz od 750 do 800°C dla stopów tytanu, a czas wytrzymywania wynosi od 1 do 3 godzin, po czym następuje chłodzenie na powietrzu.

Hartowanie i starzenie

Hartowanie i starzenie zwiększają wytrzymałość i twardość stopu. Stopy tytanu typu α zazwyczaj nie są poddawane hartowaniu ani starzeniu. W przypadku stopów typu β oraz stopów (α+β) zawierających stosunkowo duże ilości pierwiastków stabilizujących temperaturę hartowania dobiera się zazwyczaj w górnej części obszaru dwufazowego α+β. Źródło podaje temperaturę od 760 do 950°C, czas utrzymywania od 5 do 60 minut oraz chłodzenie wodą.

Po hartowaniu pozostaje pewna ilość fazy α, podczas gdy faza β staje się metastabilna. Podczas starzenia rozproszona faza α wytrąca się z metastabilnej fazy β, zwiększając wytrzymałość i twardość. Mikrostruktura stopu Ti-6Al-4V poddanego hartowaniu i starzeniu zawiera blokowate struktury α+β oraz igiełkowate struktury α. Podczas ogrzewania należy zapobiegać zanieczyszczeniom, utlenianiu i przegrzaniu. Gdy ziarna β nadmiernie urosną, obróbka cieplna nie jest w stanie przywrócić pierwotnej wielkości ziaren.

Najpopularniejsze rodzaje stopów tytanu i ich zastosowania

Stopy tytanu alfa

Stopy tytanu typu α składają się wyłącznie z roztworu stałego α, dzięki czemu charakteryzują się dobrą wytrzymałością i plastycznością. Można je poddawać obróbce na zimno w celu uzyskania półproduktów, takich jak blachy i pręty. Ich mikrostruktura jest stabilna w wysokich temperaturach, a stopy te wykazują dobrą odporność na utlenianie oraz wytrzymałość na gorąco. W temperaturze od 500 do 600°C ich wytrzymałość jest najwyższa spośród trzech głównych klas stopów tytanu, chociaż ich wytrzymałość w temperaturze pokojowej jest zazwyczaj niższa niż w przypadku stopów β i (α+β). Typowym przykładem takiego stopu jest Ti-5Al-2,5Sn, stosowany do produkcji zbiorników paliwa w pociskach rakietowych oraz obudów turbin samolotów naddźwiękowych.

Stopy tytanu typu beta

Stopy tytanu o strukturze całkowicie β są rzadko stosowane w przemyśle ze względu na stosunkowo wysoką gęstość, słabą odporność termiczną oraz niską odporność na utlenianie. W temperaturach powyżej 700 °C ulegają one łatwo zanieczyszczeniu gazami zanieczyszczającymi obecnymi w atmosferze, a proces ich produkcji jest skomplikowany. Jednak struktura kubiczna centrowana na ciele zapewnia dobrą plastyczność, co doprowadziło do opracowania metastabilnych stopów tytanu β. Typowym przykładem takiego stopu jest Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al. Stosuje się go zazwyczaj w temperaturach poniżej 350°C w przypadku silnie obciążonych części obrotowych, takich jak łopatki sprężarek, wały i tarcze.

Stopy tytanu typu alfa-beta

Stopy tytanu typu (α+β) łączą w sobie zalety stopów α i β. Charakteryzują się dobrą odpornością na wysoką temperaturę i plastycznością, można je utwardzać poprzez obróbkę cieplną, a ich produkcja jest stosunkowo prosta. Ti-6Al-4V jest najczęściej stosowanym stopem w tej grupie. Nadaje się do produkcji elementów silników wymagających wytrzymałości w podwyższonej temperaturze poniżej 400°C oraz do elementów zbiorników na ciekły wodór stosowanych w niskich temperaturach w rakietach i pociskach.

Typowymi przykładami takich elementów są turbosprężarki do silników samochodowych wykonane ze stopów tytanu oraz precyzyjnie kute łopatki silników lotniczych.

Typowe składy, właściwości i zastosowania