18 grudnia 2017


Tytan i jego stopy to materiały szeroko stosowane. Ponieważ przy niewielkim ciężarze właściwym mają wysoką wytrzymałość na wysokie temperatury i wytrzymałość właściwą, są wykorzystywane w takich konstrukcjach, jak: samoloty, rakiety kosmiczne, silniki odrzutowe czy łodzie podwodne i części armatury statków. Ich odporność na korozję jest też bardzo dobra, toteż coraz częściej są stosowane w przemyśle chemicznym, na części aparatury, zbiorniki kwasu, jak też przy produkcji narzędzi chirurgicznych. Jednak tytan jest przy tym dosyć dobrze reaktywny chemicznie z gazami atmosferycznymi już powyżej 120 °C, na co w czasie spawania trzeba zwracać szczególną uwagę. Obecnie poza spawaniem w osłonie z gazów szlachetnych spawa się go również za pomocą wiązki elektronów. W powszechnej opinii spawalność stopów tytanu jest lepsza niż spawalność czystego tytanu.

Ryszard Jastrzębski, Krzysztof Emerla, Paweł Szpyt, Paweł Szczepański, Mariusz Jaworski, Janusz Zieliński

Siedem zasad spawania tytanu
Tytan jest bardzo wrażliwy na utlenianie i pękanie. Do ręcznego spawania stopów tytanu nadaje się tylko metoda TIG. I dlatego do tradycyjnego uchwytu TIG z ceramiczną dyszą do osłony jeziorka spawalniczego dołączona jest dodatkowa płaska dysza z otworkowym rozdzielaczem argonu, który osłania wykonaną gorącą spoinę przed utlenianiem (Rys. 5). Skomplikowane konstrukcje wykonuje się w namiocie wypełnionym argonem, do którego spawacz wkłada ręce.

W celu uzyskania dobrej jakości spoin należy:
• dokładnie oczyścić i zaformować warstwę przeto­pową,
• spoiny sczepne na rurach powyżej 3 mm grubości ścianki wykonywać na „brokach” z materiału rodzi­mego (odpadu),
• spoiwo dokładać na jednej krawędzi,
• spawając starać się wykonywać jak najmniejsze ru­chy,
• starać się spawać po drucie,
• pilnować ustalonej energii liniowej,
• uważać, aby w spawarce ustawić wygaszanie na mi­nimum 10 sekund.

Czysty tytan
Powszechnie stosowany czysty tytan (99,7-99,9%) nazywany jest tytanem do użytku przemysłowego (tytanem technicznym). Struktura krystaliczna tytanu w niskiej temperaturze przedstawia sieć heksagonalną ściśle upakowaną (faza α). W temperaturze 882 oC następuje przemiana alotropowa w fazę przestrzennie centrowaną (β). Temperatura topnienia, w porównaniu ze stalą, jest stosunkowo wysoka. Gęstość wynosi 4505 kg/m3 tj. ok. 60% gęstości stali, zatem stosunek wytrzymałości do gęstości jest wysoki. Ponadto współczynnik rozszerzalności cieplnej, w porównaniu ze stalą, jest mniej więcej taki sam, podobnie jak współczynnik jego przewodności cieplnej, w porównaniu ze stalą austenityczną nierdzewną. Wytrzymałość na rozciąganie w temperaturze pokojowej tytanu technicznego wynosi do ok. 680 MPa (po odkształceniu), ale produkowane są różnego rodzaju stopy tytanu, które przekraczają 1000 MPa (jest wiele stopów, które wykazują bardzo dobrą udarność niskotemperaturową czy odporność na pełzanie).

tab1 s
Tab. 1    Rodzaje, właściwości i główne zastosowania najważniejszych stopów tytanu (1, 2)
*Jp – stop opracowany w Japonii

 

tab2 s
Tab. 2    Własności mechaniczne tytanu i jego stopów (3, 4)

W tabelach 1 i 2 zebrano najważniejsze własności fizyczne tytanu i stopów tytanu oraz ich zastosowanie. W wysokiej temperaturze tlen, azot oraz wodór łatwo tworzą roztwór stały, tj. mają wysoką rozpuszczalność w stanie stałym. Największy wpływ na własności mechaniczne czystego tytanu mają żelazo, tlen oraz azot.
Rysunek 1 przedstawia wpływ gazowych składników stopów tytanu na rozciąganie.

 spawanie tytanu
Rys. 1    Wpływ składu mieszanki gazowej na własności rozciągania tytanu w temperaturze pokojowej, a) wpływ zawartości tlenu na własności wytrzymałościowe i twardość tytanu w temperaturze pokojowej, b) wpływ zawartości azotu na własności rozciągania i twardość tytanu w temperaturze pokojowej; (1)

Czysty tytan używany w przemyśle jest podzielony na rodzaje ze względu na wytrzymałość, co wynika z zawartości tlenu oraz żelaza. Czysty tytan ma również większą odporność na korozję niż stal nierdzewna, a także wykazuje dużą odporność korozyjną przy kontakcie z różnymi środkami chemicznymi (a zwłaszcza na korozję związaną z utlenianiem). Tytan ma odporność na morską wodę porównywalną z platyną i z tego powodu został m.in. wykorzystany jako środek zapobiegający korozji przy podporach mostu w Zatoce Tokijskiej.

Stopy tytanu
Stopy tytanu dzielimy na trzy rodzaje ze względu na strukturę w temperaturze pokojowej:
- typu α,
- typu α+β,
- typu β.

Stopy stabilizujące fazę α
Pierwiastkami stabili­zującymi fazę alfa (α) są głównie: aluminium, cyna, tlen oraz azot. Podnoszą one temperaturę przemiany α←→β. Na rysunku 2 przedstawiono wykresy przemian fazowych dla stopów tytanu z tymi pierwiastkami.
W zależności od zawartości dodatków stopowych temperatura przemiany β do α się zwiększa (Rys. 2). Nawet jeśli się gwałtownie schłodzi z fazy β, to nie można powstrzymać przemiany β→α i wtedy w temperaturze pokojowej stabilizuje się faza α. Stopy α charakteryzują się dobrymi własnościami odlewniczymi i odpornością na pełzanie.

wykresy przemian fazowych tytanu s
Rys. 2    Wykresy przemian fazowych tytanu i pierwiastków stabilizujących fazę α (2)

Jako że zakres fazy α sięga wysokich temperatur, to efektem tego jest bardzo dobra spawalność stopu i jego odporność na wysokie temperatury. Typowym przykładem stopu tytanu α jest stop Ti-5Al-2,5Sn, który wykazuje w wysokich temperaturach bardzo dużą wytrzymałość oraz odporność na pełzanie.
Dodatkowo, wśród tych stopów można wyróżnić tzw. stopy „pseudo α”, zawierające niewielkie ilości fazy β (2-6%). Własności ich nie odbiegają jednak zasadniczo od własności stopów α, chociaż mają większą wytrzymałość i żarowytrzymałość, ze względu na bardziej niejednorodny roztwór α.

Stopy stabilizujące fazę β
Pierwiastkami stabilizującymi fazę beta (β) są głównie: wanad, molibden, żelazo, chrom i mangan. Ogólna ilość tych pierwiastków zawiera się powyżej 20%. Obniżają one temperaturę przemiany alotropowej α←→β (Rys. 3).

tytan z pierwiastkami stabilizujacymi s
Rys. 3    Typowe wykresy przemian fazowych tytanu z pierwiastkami stabilizującymi fazę b (2)

Typową przemianą stopów β jest przemiana eutektoidalna β→α+γ, jednak w przypadku dodatków Cr, Mn czy Fe przemiana zachodzi bardzo powoli i nie występuje w praktyce przemysłowej, ze względu na szybkie chłodzenie. Zatem faza β może być z łatwością stabilna aż do temperatury pokojowej (20°C). Stopy β mają wysoką wytrzymałość i dobrą obrabialność mechaniczną, dlatego stają się obiektem coraz większego zainteresowania. Typowe przemiany fazowe stopów β przedstawiono na rysunku 3.
Stopy typu β z roztworu stałego ustabilizowanego β zawierają duże ilości pierwiastków i w temperaturze pokojowej wykazują fazę pojedynczą β. Jednakże w przypadku materiałów, które zawierają duże ilości pierwiastków stopowych, w rzeczywistości nie nadają się do użytku. Zazwyczaj stosuje się stopy β metastabilne, które uzyskują fazę β za pomocą szybkiego chłodzenia.