Jakie są rodzaje, właściwości i wady odlewów ze stopów tytanu?

Odlewane stopy tytanu dzieli się według mikrostruktury po wyżarzeniu na typy α, α+β i β. Do ich użytecznych właściwości należą niska gęstość, wysoka wytrzymałość właściwa oraz odporność na korozję, natomiast zachowanie podczas odlewania zależy od płynności stopu, skurczu krzepnięcia i reaktywności. W niniejszym przewodniku porównano grupy materiałów, skład i właściwości mechaniczne wymienionych gatunków oraz typowe wady odlewnicze.

Właściwości odlewanych stopów tytanu

Tytan łączy w sobie niską gęstość, wysoką wytrzymałość, dobrą odporność na odkształcenia, niemagnetyczność, wysoką temperaturę topnienia, niski współczynnik rozszerzalności cieplnej oraz wysoką odporność na korozję i oddziaływanie czynników biologicznych. Odlewane stopy tytanu charakteryzują się zazwyczaj następującymi dziesięcioma cechami.

1. Niska gęstość, wysoka wytrzymałość i wysoka wytrzymałość właściwa

Gęstość tytanu wynosi 4,51 g/cm³, około 57% w stosunku do stali. Jest mniej niż dwukrotnie cięższy od aluminium, ale może być około trzykrotnie wytrzymalszy. W przedstawionym tutaj porównaniu stopy tytanu charakteryzują się wytrzymałością właściwą około 3,5 razy większą niż stal nierdzewna, 1,3 razy większą niż stopy aluminium i 1,7 razy większą niż stopy magnezu. To sprawia, że są one ważnymi materiałami konstrukcyjnymi w zastosowaniach lotniczych i kosmicznych.

2. Doskonała odporność na korozję

Pasywność tytanu zależy od jego warstwy tlenkowej. Jego odporność na korozję jest znacznie większa w środowiskach utleniających niż w środowiskach redukujących, gdzie może dochodzić do gwałtownej korozji. Tytan jest odporny na działanie takich mediów, jak woda morska, mokry chlor, roztwory chloranu i podchlorynu, kwas azotowy, kwas chromowy, chlorki metali, siarczki oraz kwasy organiczne.

3. Dobra odporność na wysoką temperaturę

Aluminium zazwyczaj traci swoje pierwotne właściwości w temperaturze około 150°C, a stal nierdzewna – około 310°C, podczas gdy stopy tytanu mogą zachować użyteczne właściwości mechaniczne nawet w temperaturze bliskiej 500°C. Przy prędkości około Mach 2,7 powierzchnia samolotu może osiągnąć temperaturę 230°C, przy której stopy aluminium i magnezu mogą stać się nieodpowiednie. Stopy tytanu stosuje się w tarczach i łopatkach sprężarek silników lotniczych oraz w poszyciu tylnej części kadłuba.

4. Dobre właściwości w niskich temperaturach

W przypadku niektórych stopów tytanu, takich jak Ti-5Al-2,5Sn ELI, wytrzymałość rośnie wraz ze spadkiem temperatury, podczas gdy plastyczność zmniejsza się jedynie nieznacznie. Ich plastyczność i udarność w niskich temperaturach sprawiają, że nadają się one do stosowania w silnikach rakietowych na ciekły wodór i ciekły tlen oraz w zbiornikach kriogenicznych przeznaczonych dla statków kosmicznych z załogą.

5. Zachowanie niemagnetyczne

Tytan jest niemagnetyczny. W kadłubach okrętów podwodnych nie uruchamia min magnetycznych.

6. Niska przewodność cieplna

Przewodność cieplna tytanu wynosi około jednej piątej przewodności stali, jednej trzynastej przewodności aluminium i jednej dwudziestej piątej przewodności miedzi. Słabe przewodzenie ciepła stanowi wadę w niektórych zastosowaniach.

7. Niski moduł sprężystości

Tytan ma moduł sprężystości wynoszący około 55% modułu sprężystości stali. W zastosowaniach konstrukcyjnych ten stosunkowo niski moduł może stanowić wadę.

8. Wytrzymałość na rozciąganie i granica plastyczności są zbliżone

W przytoczonym przykładzie stopu Ti-6Al-4V wytrzymałość na rozciąganie wynosi 960 MPa, a granica plastyczności – 892 MPa, co daje różnicę zaledwie 68 MPa.

9. Tytan łatwo utlenia się w wysokiej temperaturze

Tytan wykazuje silne powinowactwo do wodoru i tlenu, dlatego należy kontrolować procesy utleniania i absorpcji wodoru. Spawanie wymaga osłony argonowej. Rury i blachy tytanowe poddaje się obróbce cieplnej w próżni, natomiast odkuwki tytanowe wymagają starannej kontroli lekko utleniającej atmosfery w piecu.

10. Niska zdolność tłumienia

Jeśli dzwony o identycznym kształcie i rozmiarze zostaną wykonane z tytanu, miedzi i stali, a uderzy się w nie z taką samą siłą, to dzwon tytanowy będzie brzmiał dłużej. Energia uderzenia rozprasza się powoli, co wskazuje na niską zdolność tłumienia.

Klasyfikacja odlewanych stopów tytanu

12 gatunków tytanu odlewanego przedstawionych poniżej pogrupowano według mikrostruktury po wyżarzaniu. Oznaczenie ZT identyfikuje tytan odlewany w chińskim systemie oznaczeń. Przytoczone chińskie normy krajowe to GB/T 6614-2014, Odlewy z tytanu i stopów tytanu, oraz GB/T 15073-2014, Odlewy z tytanu i stopów tytanu.

Skład chemiczny odlewów tytanowych i stopów tytanu

Poniższa tabela składu odnosi się do normy GB/T 6614-2014; podane w niej wartości graniczne mają zastosowanie do przedstawionych tutaj gatunków odlewów i warunków odlewania.

Uwagi: Pozostałe pierwiastki to pierwiastki śladowe naturalnie występujące podczas odlewania tytanu, obejmujące zazwyczaj Al, V, Sn, Mo, Cr, Mn, Zr, Ni, Cu, Si, Nb i Y, z wyłączeniem pierwiastków stopowych celowo dodanych do danego gatunku. Indywidualne i łączne wartości graniczne dla pozostałych pierwiastków są analizowane wyłącznie na żądanie nabywcy.

Właściwości mechaniczne odlewów tytanowych i stopów tytanu

Poniższa tabela składu i właściwości mechanicznych opiera się na normie GB/T 15073-2014; podane w niej wartości nie stanowią uniwersalnych wartości granicznych dla wszystkich wyrobów z odlewów tytanowych.

1. stopów tytanu α. Struktura wyżarzona składa się wyłącznie z fazy α. Materiały te charakteryzują się dobrą stabilnością strukturalną w wysokich temperaturach i stanowią podstawę stopów tytanu odpornych na wysokie temperatury, choć ich wytrzymałość w temperaturze pokojowej nie jest wysoka. Tytan czysty handlowo również należy do materiałów typu α.
2. stopów tytanu α+β. Struktura po wyżarzaniu zawiera fazy α i β. Stopy te można utwardzać poprzez obróbkę cieplną i charakteryzują się one stosunkowo wysoką wytrzymałością oraz dobrą odpornością termiczną w zakresie temperatur 400–450 °C. W wyższych temperaturach ich stabilność strukturalna i spawalność są gorsze niż w przypadku stopów α.
3. β stopy tytanu. Struktura po wyżarzaniu to faza β. Hartowanie i odpuszczanie pozwalają uzyskać wysokie właściwości mechaniczne.

Odlewane stopy tytanu typu α

Odlewy z tytanu o czystości handlowej

Odlewy z tytanu czystego handlowo obejmują gatunki ZTA1 (chiński gatunek odlewów z tytanu czystego handlowo), ZTA2 (chiński gatunek odlewów z tytanu czystego handlowo) oraz ZTA3 (chiński gatunek odlewów z tytanu czystego handlowo). Pierwszy z tych gatunków charakteryzuje się najniższą zawartością zanieczyszczeń, a co za tym idzie – większą plastycznością, ale mniejszą wytrzymałością. Trzeci gatunek zawiera więcej zanieczyszczeń, przez co charakteryzuje się wyższą wytrzymałością, ale niższą plastycznością. Struktura odlewu w stanie surowym składa się wyłącznie z fazy α o gruboziarnistych ziarnach Widmanstättena; wyżarzanie powoduje powstanie struktury równoprzecinnej.

Właściwości odlewnicze przypominają właściwości czystego metalu. Płynność jest dobra, skurcz rozproszony jest ograniczony, mogą powstawać skupiska skurczowe, a pękanie na gorąco jest mało prawdopodobne. Odlewy z tytanu CP charakteryzują się umiarkowaną wytrzymałością, dobrą plastycznością oraz dobrą odlewalnością, odpornością na korozję i spawalnością. Mogą pracować przez dłuższy czas w temperaturze 300°C.

Ti-5Al-2.5Sn – odlewany stop tytanu

Stop tytanu odlewany Ti-5Al-2,5Sn jest stopem jednofazowym α o średniej wytrzymałości, zawierającym 5% aluminium jako stabilizator fazy α oraz 2,5% cyny jako pierwiastek neutralny. Charakteryzuje się dobrą wytrzymałością w podwyższonych temperaturach oraz spawalnością metodą zgrzewania. Nie można go utwardzać obróbką cieplną i zazwyczaj stosuje się go w stanie wyżarzonym. Plastyczność technologiczna jest stosunkowo niska, dlatego formowanie blach wymaga podgrzania.

Zastosowania obejmują obudowy i panele. Podawane temperatury robocze dla tego stopu wynoszą do 500 °C w trybie długotrwałym i do 800 °C w trybie krótkotrwałym.

Odlew tytanowy Ti-0.2Pd

Odlew tytanowy Ti-0,2Pd to odporny na korozję materiał typu α, wytwarzany poprzez dodanie niewielkiej ilości palladu do tytanu czystego handlowo. Pallad poprawia odporność na korozję zarówno w środowiskach redukujących, jak i utleniających. W gorących, stężonych środowiskach chlorkowych materiał ten charakteryzuje się szczególnie wysoką odpornością na korozję szczelinową.

Odlewy tytanowe Ti-0,2Pd mają zastosowania podobne do odlewów z tytanu CP, ale są droższe ze względu na dodatek palladu, dlatego wybiera się je wtedy, gdy tytan czysty handlowo nie spełnia wymagań eksploatacyjnych. Zastosowania obejmują środowiska z rozcieńczonym kwasem solnym, siarkowym i fosforowym; urządzenia tytanowe odporne na korozję szczelinową; wymienniki ciepła typu płaszczowo-rurowego; dysze przędzalnicze; wkładki kołnierzowe w zakładach produkcji aldehydu octowego; oraz kołnierze, złącza i inne elementy narażone na korozję szczelinową.

Odlewany stop tytanu Ti-0.3Mo-0.8Ni

Odlewany stop tytanu Ti-0,3Mo-0,8Ni jest stopem typu „near-α” odpornym na korozję, opracowanym w celu poprawy odporności czystego tytanu na korozję szczelinową. Zawartość 0,3% Mo i 0,8% Ni wzmacnia stop i poprawia jego odporność na gorące środowiska chlorkowe o niskim pH oraz na słabo redukujące kwasy. Jego odnotowana odporność na korozję jest znacznie lepsza niż w przypadku czystego tytanu i zbliżona do stopu tytanu odlewanego Ti-0,2Pd. Charakteryzuje się również dobrą plastycznością technologiczną i spawalnością, dzięki czemu znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle chemicznym.

Odlew ze stopu tytanu Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V

Podany skład tego stopu o wysokiej zawartości glinu, zbliżonego do stopów α, wynosi 6,58% Al i 1,46% Mo. Łączy on wytrzymałość w wysokich temperaturach i spawalność stopów α z plastycznością technologiczną zbliżoną do stopów α+β. Podana długotrwała temperatura robocza wynosi 500°C przez 3 000 godzin, przy czym dopuszczalne jest chwilowe narażenie na temperaturę do 800°C przez nie więcej niż 5 minut. W temperaturze 450°C podana trwałość wynosi 6 000 godzin.

Zastosowania obejmują elementy konstrukcyjne i spawane elementy nośne pracujące w temperaturach poniżej 500°C, łopatki i obudowy silników, elementy blaszane samolotów, belki, połączenia, duże panele, spawane ramy nośne, inne konstrukcje spawane oraz odlewy.

Odlewany stop tytanu Ti-4Al-2V

Odlewany stop tytanu Ti-4Al-2V charakteryzuje się dobrymi właściwościami mechanicznymi zarówno w temperaturze pokojowej, jak i w wysokich temperaturach, a także odpornością na zmęczenie materiału, odpornością na rozprzestrzenianie się pęknięć, odpornością na uderzenia oraz odpornością na korozję w różnych środowiskach. Nadaje się do spawania i można go obrabiać na gorąco lub na zimno.

Zastosowania obejmują zbiorniki ciśnieniowe pocisków i obudowy silników rakietowych; tarcze sprężarek lotniczych, łopatki, elementy dystansowe, osłony, poszycia, żebra, mostki, skrzydła, belki, stateczniki poziome, piasty wirników, podwozia, belki nośne i piasty kół; morskie wodoloty, urządzenia napędowe i amunicja; a także łopatki turbin parowych, tarcze sprężarek osiowych i promieniowych, sprężyny odporne na korozję oraz korbowody do silników spalinowych.

Odlewane stopy tytanu typu α+β

Odlew ze stopu tytanu Ti-6Al-4V

Stop tytanu Ti-6Al-4V w postaci odlewu uznawany jest za jeden z najwcześniej opracowanych i najczęściej stosowanych stopów tytanu. Aluminium wzmacnia fazę α poprzez roztwór stały oraz poprawia wytrzymałość zarówno w temperaturze pokojowej, jak i w wysokich temperaturach. Wanad zwiększa wytrzymałość i poprawia plastyczność. Hamuje również tworzenie się fazy α₂ faza uporządkowana, co zmniejsza ryzyko długotrwałego kruchości.

Stop ten łączy w sobie szeroki zakres właściwości mechanicznych z dobrymi właściwościami obróbczymi oraz superplastyczną formowalnością. Można go formować za pomocą różnych metod obróbki ciśnieniowej oraz spawać wieloma metodami. Typowe półprodukty to pręty, odkuwki, blachy cienkie i grube, profile oraz drut. Stosowany jest głównie w stanie wyżarzonym, ale może być również poddawany obróbce rozpuszczalnej i starzeniu.

Zastosowania w przemyśle lotniczym obejmują belki samolotowe, ramy, szyny, belki podwozia, tarcze i łopatki wentylatorów oraz sprężarek, obudowy rakiet, zbiorniki ciśnieniowe oraz elementy złączne. Zastąpienie stali konstrukcyjnej 30CrMnSiA pozwala zmniejszyć masę elementów o około 30%. Zastosowania w budownictwie obejmują łopatki turbin gazowych, śruby napędowe statków, morskie platformy wiertnicze, pompy odporne na korozję, implanty medyczne oraz artykuły sportowe. Ti-6Al-4V w postaci nieodlewanej jest również wykorzystywany do produkcji ram samochodowych, wałów korbowych, korbowodów, śrub, zaworów dolotowych oraz sprężyn zawieszenia.

Odlewany stop tytanu Ti-6Al-4.5Sn-2Nb-1.5Mo

Stop ten łączy w sobie wysoką wytrzymałość, wysoką odporność na odkształcenia, odporność na uszkodzenia oraz spawalność i może pracować przez dłuższy czas w temperaturach poniżej 500°C. Opisane zastosowania obejmują elementy konstrukcyjne dla przemysłu lotniczego i kosmicznego oraz budownictwa cywilnego; jako główne formy półproduktów wymieniono również pręty, odkuwki i grube blachy. Te formy wyrobów obrabianych różnią się od materiałów odlewanych omówionych w niniejszej sekcji.

Odlewane stopy tytanu typu β

Stop tytanu Ti-32Mo Beta Cast charakteryzuje się bardzo wysoką odpornością na korozję i nadaje się do spawania różnymi metodami, jednak nie jest określany jako podlegający obróbce cieplnej w celu zwiększenia wytrzymałości. Wysoka zawartość molibdenu utrudnia topienie i podnosi gęstość do 5,69 g/cm³, obniża moduł sprężystości oraz powoduje intensywne utlenianie w przypadku ogrzewania na powietrzu w temperaturze powyżej 500 °C. Z tego powodu jest stosowany głównie do produkcji odlewanych pomp, zaworów i podobnych elementów narażonych na działanie silnych kwasów.

Zachowanie podczas odlewania i typowe wady

Pierwiastki stopowe zazwyczaj poszerzają zakres temperatur krzepnięcia i zmniejszają płynność. Zwiększenie zawartości glinu powoduje jednak wzrost ciepła krystalizacji i może poprawić płynność. Dodanie 10% Al w przeliczeniu na masę powoduje wzrost ciepła krystalizacji z 327 J/g do 435 J/g. Stop tytanu Ti-32Mo Beta Cast zawiera 31%-35% Mo, charakteryzuje się szerokim przedziałem krzepnięcia i słabą płynnością, przez co nie nadaje się do odlewów cienkościennych.

W czystym tytanie handlowym wnęki skurczowe skupione zajmują około 1% objętości. Przy zawartości pierwiastków stopowych wynoszącej 10% masowo, udział objętościowy wnęk skurczowych skupionych wynosi około 0,5%–1,5%. W stopach o szerokim zakresie krzepnięcia wnęki skurczowe powstałe podczas krzepnięcia mogą zostać wypełnione gazem z pozostałej cieczy, powodując powstanie wnęk skurczowych gazowych. Odlewy ze stopów tytanu mają silną skłonność do powstawania tej wady. Rozproszona porowatość skurczowa również wzrasta wraz z poszerzaniem się zakresu krzepnięcia.

Tytan czysty handlowo charakteryzuje się skurczem liniowym wynoszącym 1,0%–1,1%. Skurcz stopów tytanu wzrasta wraz z zawartością glinu. Niski moduł sprężystości i współczynnik rozszerzalności cieplnej, w połączeniu ze stosunkowo wysoką wytrzymałością w podwyższonej temperaturze, zapewniają stopom tytanu dobrą odporność na pękanie na gorąco. Pęknięcia na zimno na powierzchni wynikają z reakcji między stopionym tytanem a formą podczas odlewania lub z reakcji z zanieczyszczeniami gazowymi na powierzchni odlewu i w szczelinach, które tworzą kruchą, wzbogaconą w tlen warstwę α. Ta krucha warstwa powierzchniowa łatwo ulega pękaniu na zimno.