Jakie systemy ze stopów tytanu stosuje się w przemyśle lotniczym i kosmicznym?

Rozwój stopów tytanu rozpoczął się w lotnictwie i ewoluował wraz z rosnącym zapotrzebowaniem branży na lżejsze, wytrzymalsze i odporne na wysokie temperatury konstrukcje. Systemy tytanowe stosowane w lotnictwie i kosmonautyce można podzielić na cztery grupy: stopy o wysokiej wytrzymałości i wysokiej odporności na pękanie, stopy wysokotemperaturowe, stopy odporne na spalanie oraz kompozyty z matrycą tytanową.

Stopy tytanu o wysokiej wytrzymałości i wysokiej ciągliwości

Stopy o wytrzymałości na rozciąganie powyżej 1000 MPa i odporności na pękanie powyżej 55 MPa·m^1/2 są tu ogólnie traktowane jako stopy tytanu o wysokiej wytrzymałości i wysokiej wytrzymałości na pękanie. Głównym układem jest Ti-Al-Mo-V-Cr. Stop Ti-1023 został zastosowany w podwoziu samolotu Boeing 777 oraz w rozpórkach głównego podwozia samolotu A380; Timetal 555 zastosowano w podwoziu samolotu Boeing 777 oraz w belkach wózków podwoziowych. Rosyjski stop BT22 znalazł zastosowanie w dużych elementach nośnych płatowca i podwozia w samolotach takich jak Su-27 i Il-76.

W stopie Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al wykorzystuje się Mo, V i Cr do stabilizacji fazy beta. Zwiększenie zawartości tych dodatków może poprawić plastyczność; po obróbce cieplnej wytrzymałość na rozciąganie może osiągnąć 1100–1200 MPa. Stal ta charakteryzuje się dobrą formowalnością na zimno po obróbce rozpuszczającej oraz korzystnym stosunkiem wytrzymałości do plastyczności po obróbce rozpuszczającej i starzeniu. Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al zawiera mniej Cr, a zawartość stabilizatorów fazy beta jest bliska stężeniu krytycznemu, co pozwala połączyć cechy stopów alfa-beta i stopów z fazą beta metastabilną. Po obróbce cieplnej może osiągnąć wytrzymałość na rozciąganie wynoszącą 1110 MPa oraz moduł sprężystości wynoszący 70,5 MPa·m^1/2 odporność na pękanie konstrukcji lotniczych i kosmicznych.

Stopy tytanu odporne na wysokie temperatury

Wysokotemperaturowe stopy tytanu są kluczowymi materiałami stosowanymi w silnikach lotniczych. Ti-6Al-4V, najwcześniejszy powszechnie stosowany stop, działa w temperaturze około 300–350 °C i łączy w sobie wytrzymałość w wysokich temperaturach, plastyczność, odporność na pękanie, formowalność oraz biokompatybilność. Późniejsze stopy, takie jak IMI550, BT3-1 i IMI685, charakteryzowały się lepszą wytrzymałością na rozciąganie i pełzanie oraz pozwoliły podnieść temperaturę eksploatacyjną do około 400°C. Dodatek krzemu oraz prace nad stopami Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si doprowadziły do powstania stopów IMI834, Ti-1100, BT36 i innych, których wytrzymałość została częściowo zwiększona dzięki fazie alfa₂. IMI834, szeroko stosowany w Wielkiej Brytanii oraz w silnikach Trent 700, osiąga temperaturę około 600°C.

Typowe stopy stosowane w USA

Typowe stopy stosowane w Wielkiej Brytanii

Typowe stopy rosyjskie i chińskie

W temperaturach poniżej 600 °C stopy te mogą przewyższać stal konstrukcyjną, aluminium i superstopy niklowe pod względem wytrzymałości właściwej, wytrzymałości właściwej na pełzanie oraz wytrzymałości właściwej na zmęczenie. Zastąpienie niklu tytanem przy zachowaniu takiej samej wytrzymałości i zdolności eksploatacyjnej pozwala zmniejszyć masę około 1,7-krotnie. Silniki o wysokim stosunku ciągu do masy wymagają również blisków, blingów, konstrukcji spawanych, Ti₂AlNb, TiAl oraz kompozyty tytanowe wzmocnione włóknami.

Przy prędkości Mach 6 temperatura powierzchni samolotu może przekroczyć 650°C, co zwiększa zapotrzebowanie na odporne na wysoką temperaturę poszycia, ramy, silniki i elementy konstrukcji samolotu. Prace rozwojowe koncentrują się zatem na odporności na pełzanie, trwałości do złamania, wytrzymałości zmęczeniowej, stabilności termodynamicznej, odporności na utlenianie oraz odporności na korozję naprężeniowo-termiczną.

Długotrwała temperatura eksploatacyjna wzrosła z około 350 °C dla stopu Ti-6Al-4V do około 600 °C. Temperatura ta jest często traktowana jako bariera termiczna dla konwencjonalnych stopów tytanu, co sprawia, że kompozyty tytanowe wzmocnione włóknami z węglika krzemu oraz TiAl zyskują na znaczeniu w temperaturach powyżej tej wartości. W zgłaszanych koncepcjach stopów przeznaczonych do pracy w temperaturze 650°C do układów Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si dodaje się Hf, Nb i Ta. Dodatki pierwiastków ziem rzadkich powinny pozostawać poniżej 0,1 at.%; większe dodatki wymagają zastosowania metalurgii proszkowej z szybkim krzepnięciem. Uzyskanie w pełni płytkowej struktury wymaga obróbki cieplnej typu beta.

Stopy tytanu odporne na spalanie

Tytan stanowi obecnie około jednej trzeciej masy konstrukcyjnej wielu nowoczesnych silników z turbiną gazową, jednak zwykłe stopy mogą ulec zapłonowi pod wpływem połączenia temperatury, ciśnienia, przepływu powietrza i tarcia. Proces spalania może postępować od lokalnego spalania na końcówce łopatki lub krawędzi spływu do przepalenia obudowy w zakresie 360° w zaledwie 4–20 sekund.

Stopy ognioodporne zapobiegają zapłonowi lub rozprzestrzenianiu się płomienia. Stop C (Ti-35V-15Cr) jest stosowany w łopatkach stojana sprężarki wysokociśnieniowej silnika F119, pierścieniach wewnętrznych oraz klapach dysz. Stop C+ zawiera dodatek Si i C, co zwiększa jego odporność na pełzanie. Ti40 (Ti-25V-15Cr-0,2Si) jest przeznaczony do długotrwałej eksploatacji w temperaturze około 500°C, ale traci odporność na pełzanie powyżej 510°C i nie powinien być eksploatowany w temperaturze przekraczającej 520°C. TF550, oparty na Ti-35V-15Cr-Si-C, ma gęstość 5,33 g/cm³ oraz korzystne właściwości pełzania i pękania w temperaturze 550 °C.

Układy Ti-V-Cr

V i Cr mogą tworzyć gęstą warstwę ochronną tlenku przed spaleniem, ograniczać wydzielanie ciepła przez produkty lotne, obniżać temperaturę topnienia oraz poprawiać rozpraszanie ciepła. Stop C jest stopem beta o składzie nominalnym 50Ti-35V-15Cr i gęstości około 5,34 g/cm³. Stop C+ to Ti-35V-15Cr-0,6Si-0,05C. Systemy te pozostają kosztowne, trudne do stopienia i nie charakteryzują się wysoką przewodnością cieplną poniżej temperatury topnienia; przewodność cieplna Ti40 wzrasta jedynie dwu- lub trzykrotnie w pobliżu temperatury topnienia lub powyżej niej, więc samo szybkie odprowadzanie ciepła nie może wyjaśnić odporności na spalanie.

Układy Ti-Al-Cu

Stopy tytanu i miedzi tworzą tytan o niskiej temperaturze topnienia₂Cynk w stanie ciekłym w temperaturze około 990°C. Topnienie pochłania ciepło, a smarowanie cieczą zmniejsza tarcie i wytwarzanie ciepła. Rosyjski stop BTT-1 (Ti-13Cu-4Al-4Mo-2Zr) sprawdza się w temperaturach do około 450°C i dobrze nadaje się do formowania na gorąco skomplikowanych elementów. Stop BTT-3 (Ti-18Cu-2Al-2Mo) charakteryzuje się lepszą plastycznością i odpornością na spalanie oraz nadaje się do produkcji blach i folii, jednak oba stopy mają ograniczoną wytrzymałość, łatwo ulegają pękaniu i mogą wykazywać skurcz podczas topienia.

Systemy Ti-Nb

Ti-45Nb klasy komercyjnej stosuje się w autoklawach. W próbie zapłonu przy rozciąganiu z przeciążeniem materiał ten nie uległ spaleniu w czystym tlenie w temperaturze 250°C i przy ciśnieniu 3,1 MPa, a ponadto wykazał dobrą odporność na korozję, choć jego wysoka gęstość ogranicza możliwości zastosowania.

Związki międzymetaliczne TiAl

Związki międzymetaliczne TiAl łączą w sobie niską gęstość, wysoki moduł sprężystości, odporność na utlenianie i ognioodporność, a ich maksymalna temperatura eksploatacyjna wynosi według doniesień nawet 1040 °C, jednak kruchość w temperaturze pokojowej utrudnia ich obróbkę. Układ Ti-Al obejmuje Ti₃Al, TiAl i TiAl₃. W zakresie temperatur od 700 do 850°C TiAl charakteryzuje się wyższą wytrzymałością właściwą niż konwencjonalne stopy tytanu i superstopy niklowe oraz około 50% wyższą sztywnością właściwą niż popularne materiały konstrukcyjne stosowane w silnikach.

Opracowane przez firmę GE łopatki z materiału Gamma-TiAl zastąpiły łopatki z superstopu niklowego w stopniach 6 i 7 turbiny niskiego ciśnienia silnika GEnx stosowanego w samolocie Boeing 787, co pozwoliło zmniejszyć masę nawet o 72,5 kg. Materiał Nb-TiAl znalazł również zastosowanie w turbosprężarkach samochodowych i jest obecnie opracowywany do zastosowań w konstrukcjach pracujących w temperaturach 700–900°C.

Kompozyty z matrycą tytanową

Kompozyty o matrycy tytanowej wzmocnione włóknami SiC produkowane metodą ciągłą wykorzystują włókna SiC z rdzeniem wolframowym lub węglowym w matrycach tytanowych lub TiAl. Łączą one w sobie wysoką wytrzymałość i sztywność właściwą, niską gęstość, odporność na pełzanie i zmęczenie materiału oraz zdolność do pracy w temperaturach 600–800°C przez długi czas i 1000°C przez krótki czas. Pierścień z integralnymi łopatkami może zmniejszyć masę sprężarki o około 70% w porównaniu z oddzielnymi łopatkami i tarczą.

SiC_f/Tytan (Ti) jest materiałem anizotropowym: wytrzymałość na rozciąganie w kierunku wzdłużnym może przewyższać wytrzymałość matrycy ponad dwukrotnie, podczas gdy wytrzymałość w kierunku poprzecznym może wynosić zaledwie połowę wytrzymałości matrycy. Dzięki temu nadaje się on do elementów poddawanych obciążeniom kierunkowym, takich jak koła zębate, wały turbin, cięgna, tłoczyska, poszycia i sprężyny.

W procesie gorącego prasowania izostatycznego lub próżniowego należy kontrolować reakcję na styku, zagęszczanie drutu prekursorowego oraz łączenie dyfuzyjne z obudową. Na ostateczne właściwości wpływają: właściwości włókien, powłoki, jakość prekursora, układanie warstw, formowanie oraz obróbka skrawaniem. SiC z matrycą Ti-1100_f/Temperatura blingów Ti osiągnęła podobno 700–800 °C przy redukcji masy strukturalnej rzędu około 50%.

Perspektywy

Przyszłe systemy lotnicze i kosmiczne wymagają wyższej wytrzymałości, odporności na uszkodzenia, tolerancji na uszkodzenia, odporności na zmiany temperatury, odporności na utlenianie oraz niższych kosztów. Do priorytetów należą stopy odporne na uszkodzenia, stopy konstrukcyjne odporne na zmęczenie materiałowe, zaawansowane materiały TiAl oraz kompozyty z matrycą tytanową wytwarzane metodą szybkiego krzepnięcia, metalurgii proszkowej lub wzmacniane włóknami i cząstkami.

Rozwój materiałów kompozytowych nadal wymaga poprawy stabilności, statystycznie wiarygodnych danych dotyczących właściwości, charakterystyki właściwości mechanicznych, prognozowania awarii i trwałości, nieniszczących badań w skali mikro, kontroli koncentryczności procesów, kryteriów projektowych, metod kwalifikacji, stabilnych partii włókien i matryc, powłok odpornych na wysokie temperatury, wydajności produkcji oraz specyfikacji elementów.