20 listopada 2017


Materiały lekkie, takie jak stopy aluminium o gęstości ρ ≈ 2,7 g/cm3 (przedstawione w części I naszego cyklu), stopy magnezu o gęstości ρ ≈ 1,8 g/cm3 (omówione w części II), stopy tytanu o gęstości ρ ≈ 4,5 g/cm3 (przedstawiane w tej części) oraz kompozyty o gęstości ρ = 1 ÷ 3 g/cm3 (planowane do omówienia), znajdują zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu. Materiały te posiadając wysoką wytrzymałość właściwą i dużą sztywność właściwą, stosowane są w konstrukcjach lekkich, a ze względu na mogące występować razem lub osobno inne korzystne właściwości, m.in. wysoką odporność na korozję, dużą przewodność cieplną i elektryczną, odporność na wysoką temperaturę oraz korzystną biotolerancję, wykorzystywane są na odpowiedzialne elementy maszyn i urządzeń [1-3].

Kazimierz Czechowski, Iwona Wronska

Stopy tytanu stosowane są w lotnictwie np. na części silników odrzutowych i elementy podwozi samolotowych, części kadłuba, elementy skrzydeł i wlotów powietrza. Zastosowanie stopów tytanu w przemyśle lotniczym ostatnio wzrastało; przykładowo w samolocie Boeing 747 wykorzystano tytan w ok. 4 %, w nowszym modelu Boeing 777 w ok. 7%, a w jeszcze nowszym modelu Boeing 787 Dreamliner w ok. 15 % (Rys. 1) [6]. Wzrost wykorzystania tytanu związany był m.in. ze wzrostem wykorzystania kompozytów (głównie polimerowych) z ok. 1% (Boeing 747) do ok. 50% (Boeing 787 Dreamliner), a wynikał z korzystniejszego zastosowania tytanu zamiast aluminium w połączeniach ze stosowanymi kompozytami polimerowymi wzmacnianymi włóknem węglowym (CFRP - Carbon Fibre Reinforced Plastics); m.in. z uwagi na mniejszą różnicę w rozszerzalności cieplnej, wysoką odporność na korozję i brak niekorzystnego oddziaływania tych materiałów na siebie [4-7].

materialy lekkie
Rys. 1  Udział różnych materiałów w starszej i nowszej generacji samolotach na przykładzie modelu Boeing – na podstawie literatury [6]

W motoryzacji ze stopów tytanu wykonywane są m.in. elementy układu wydechowego, korbowody, wały napędowe, sprężyny, wahacze i inne części zawieszenia narażone na obciążenia – zwłaszcza w samochodach sportowych i motocyklach. W przemyśle okrętowym stopy tytanu stosowane są np. w pompach wody morskiej, na śruby okrętowe oraz na elementy kadłubów statków i okrętów. Z kolei w przemyśle chemicznym, petrochemicznym i energetyce stosuje się stopy tytanu np. na reaktory, zbiorniki, wymienniki ciepła, turbiny i inne elementy aparatury. W technice medycznej stopy tytanu wykorzystywane są np. na implanty, łączniki kości, wszczepy, narzędzia chirurgiczne, części aparatury badawczej i elementy wózków inwalidzkich [8, 9].

Charakterystyka stopów tytanu
Tytan (Ti) jest metalem lekkim, który posiada gęstość ρ≈ 4,51 g/cm3 i występuje w dwóch odmianach alotropowych: α i β. Czysty tytan w odmianie α krystalizuje w temperaturze pokojowej w układzie heksagonalnym zwartym, a w temperaturze ok. 882 °C ulega przemianie w odmianę β, krystalizującą w układzie regularnym przestrzennie centrowanym, trwałą do temperatury topnienia ok. 1668 °C. W zależności od składu chemicznego stopy tytanu posiadają jednofazową strukturę α lub β, albo dwufazową strukturę α + β. Stopy o zawartości fazy β do 5% określa się jako stopy pseudo-α; analogicznie stopy o zawartości do 5% fazy α określa się jako stopy pseudo-β [1-3].

 

cały artykuł dostępny jest w wydaniu 1/2 (88/89) styczeń-luty 2015