Slitiny titanu Charakteristika slitin titanu Rozdělení slitin titanu Slitiny pro tváření Slitiny pro odlitky Tepelné zpracování Konstrukční data slitny Ti-6Al-4V

Charakteristika titanu a jeho slitin Čistý titan - 2 modifikace αTi – do 882 °C, šesterečná mřížka βTi – 882 až 1668°C, stereocentrická mřížka S přísadovými prvky tvoří substituční tuhé roztoky α a β Jako konstrukční materiál se používá i technicky čistý titan Základní přednosti Nižší hustota oproti ocelím ( ρ = 4.55 g/ccm) Vysoká specifická pevnost při 250 – 500 °C, kde už nelze použít Al, Mg Vysoká pevnost i při záporných teplotách Odolnost proti únavovému namáhání (povrch bez vrubů a rýh) Vynikající korozní odolnost (velmi stabilní vrstva oxidu Ti) Dobrá tvárnost za studena, u některých slitin superplasticita Nízká teplotní roztažnost => nízká tepelná napětí

Přednostní uplatnění slitin titanu Nedostatky titanu Vysoké výrobní náklady => vysoká cena (~8x vyšší než u Al) Chemická reaktivita nad 500 °C – intenzivní reakce s O2, H2, N2, s vyzdívkou pecí a materiálem forem => křehké vrstvy, které se musí pracně odstraňovat Nižší modul pružnosti oproti ocelím ( E = 115 GPa) Špatné třecí vlastnosti, sklon k zadírání Špatná obrobitelnost (nízká teplotní vodivost → místní přehřívání, nalepování na nástroj, nad 1200 °C nebezpečí vznícení třísek a Ti prachu) Problémy při svařování (slučivost s atmosférickými plyny => nutnost svařování v ochranné atmosféře, difúzně, laserem, SE) Speciální zpracovatelské technologie (tavení a tepelné zpracování ve vakuu nebo ve vysoce čisté inertní atmosféře, výroba tvarových odlitků ve speciálních formách – grafitových nebo keramických s vrstvou pyrouhlíku, izostatické lisování odlitků za tepla - HIP) Přednostní uplatnění slitin titanu Při pevnostních a teplotních požadavcích, které nesplňují slitiny Al nebo Mg Při vysokých nárocích na korozní odolnost Při požadavku vysoké meze kluzu a nižší hustoty než u ocelí Lopatky a disky kompresorů, nosníky, pásnice, žebra, podvozkové části, tlakové nádoby, potahy do 3M, potrubí… Rostoucí spotřeba (Boeing 727 – 295 kg, Boeing 747 – 3400 kg)

Rovnovážné diagramy titanových slitin Teplota, °C → Obsah přísadových prvků, % α – tuhý roztok v modifikaci α , šesterečná mřížka β – tuhý roztok v modifikaci β , kubická stereocentrická mřížka γ – chemická sloučenina s vysokým obsahem přísadového prvku

Rozdělení slitin titanu Přísadové prvky α – stabilizátory (Al, O, N, C) – stabilizují tuhý roztok α a rozšiřují jeho oblast β – stabilizátory - stabilizují tuhý roztok β, snižují teplotu přeměny α-β β stabilizátory eutektoidotvorné (Si, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu), β tuhý roztok se za nízké teploty rozpadá na eutektoid (směs α a γ) β stabilizátory izomorfní (V, Mo, Nb, Ta) Neutrální prvky (Sn, Zr) – mají malý vliv na přeměnu α-β Části rovnovážných diagramů Ti s různými prvky – stabilizátory (tuhý stav) α α

Rozdělení slitin – podle struktury po žíhání, tj. v rovnovážném stavu α slitiny – struktura tvořena homogenním tuhým roztokem α pseudo α slitiny (t. r. α + max. 5% t. r. β) α+β slitiny – struktura tvořena směsí t. r. α a t. r. β β slitiny – struktura tvořena homogenním tuhým roztokem β pseudo β slitiny (t. r. β + malé množství t. r. α) slitiny na bázi intermetalických sloučenin Rozdělení slitin podle použití slitiny pro tváření slitiny pro odlitky Označování slitin podle ČSN EN 2032-1 Tvářený materiál TI-PXXXXX Litý materiál TI-CXXXXX Výrobek práškové metalurgie TI-RXXXXX V číselném znaku první 2 znaky určují hlavní legury (1-Cu, 2-Sn, 3-Mo, 4-V, 5-Zr, 6-Al, 7-Ni, 8-Cr, 9-ostatní) značkami prvků s jejich středním procentuálním obsahem, např. Ti-6Al-4V

Slitiny pro tváření Titan technické čistoty Slitiny α a pseudo α nízký obsah příměsí (O, H, N) – Rm=250 MPa, Rp0,2=150 MPa, A5=50% vyšší obsah příměsí – pevnost až 550 MPa, tažnost 20-30 %. tváření za studena i za tepla, s růstem teploty klesá pevnost i tvárnost Typické použití – potahy do M=2,5, spojovací části, páky, kryty, protipožární přepážky Slitiny α a pseudo α hlavní přísadový prvek Al + neutrální prvky, u pseudo α i β stabilizátory tepelně stabilní, nevytvrditelné, střední pevnost až do 500 °C odolné proti křehkému porušení za velmi nízkých teplot dobře svařitelné, tvařitelnost se s růstem obsahu Al zhoršuje sklon k vodíkové křehkosti Slitiny Ti-Al – součásti do max. 400 °C Slitiny Ti-Al-Sn – Sn zlepšuje technologické vlastnosti, dobrá svařitelnost a odolnost proti únavě (lopatky a skříně kompresorů). Slitiny Ti-Cu – dobrá svařitelnost (pásy a plechy pro potahy) Slitiny Ti-Al-Mn – velmi dobrá tvařitelnost, použití do 350 °C SlitinyTi-Al-Zr-Mo-V – žáropevnost do 600 °C, horší tvařitelnost a svařitelnost

Slitiny α+β obsahují α i β stabilizátory jsou tepelně vytvrditelné (rozpouštěcí ohřev + ochlazení + umělé stárnutí) → optimální kombinace vlastností, prokalitelnost do ~ 25 mm přednosti ve srovnání se slitinami α a pseudo α lepší tvařitelnost v žíhaném stavu vyšší pevnost lepší odolnost únavě nedostatky ve srovnání se slitinami α a pseudo α větší pokles pevnosti s rostoucí teplotou obtížnější svařitelnost Slitiny Ti-Al-V – nejrozšířenější, Al - pevnost a žáropevnost, V – pevnost i tvárnost, v žíhaném i vytvrzeném stavu, obtížné svařování. Použití – potahy, spojovací části, díly kompresorů, do 450 °C Slitiny Ti-Al-Mo-Si – žáropevné, lepší creepové vlastnosti, horší svařitelnost a technologické vlastnosti. Použití – oběžné lopatky a disky kompresorů leteckých motorů, do 500 °C. Slitiny Ti-Al-Cr-Mo-Fe-Si – žíhané nebo vytvrzené. Použití – lopatky a disky kompresorů, do 500 °C .

Slitiny na bázi intermetalidů (Ti3Al, TiAl) Slitiny β a pseudo β obsah β stabilizátorů umožňuje zachovat při ochlazování fázi β malý obsah α stabilizátorů zvyšuje pevnost jsou metastabilní, precipitace α fáze během vytvrzování vede ke zpevnění slitiny přednost ve srovnání se slitinami α+β - při stejné pevnosti lepší lomová houževnatost (lepší damage tolerance) Slitiny Ti-V-Al-Fe – kombinace vysoké pevnosti a houževnatosti, silně namáhané díly do 315 °C. Slitiny Ti-V-Al-Cr-Sn – vysoká pevnost, tvařitelnost za studena, silně namáhané díly letadel Slitiny Ti-V-Cr-Mo-Zr-Al - nejvyšší pevnost a mez kluzu, svařitelnost, vysokopevnostní silové prvky Slitiny Ti-Al-Mo-Cr-Zr-Sn výborné creepové vlastnosti, tlustostěnné výkovky Slitiny Ti-Al-Cr-Mo-Fe-Si – žíhané nebo vytvrzené. Použití – lopatky a disky kompresorů, do 500 °C. Slitiny na bázi intermetalidů (Ti3Al, TiAl) nejvyšší žáropevnost, nízká tvárnost, výroba práškovou metalurgií s průtlačným lisováním, použití do 900 °C slitina na bázi TiNi (Nitinol) s tvarovou pamětí (po tváření za studena se ohřevem vrací do původního tvaru)

Výběr tvářených slitin Ti Slitina Stav Rm, MPa Rp0,2, MPa Tažnost, % E, GPa Slitiny α a pseudo α Ti-5Al-2,5Sn žíháno 790 - 860 760 - 807 16 110 Ti-5,6Al 875 750 8 - Ti-11Sn-1Mo-2,2Al-5Zr-0,2Si dvojitě žíháno 1000 - 1100 900 - 990 15 114 Slitiny α + β Ti-3Al-2,5V 620 - 690 520 - 585 20 107 Ti-6Al-4V vytvrzeno 1170 1100 830 - 920 10 14 Ti-6+Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo-0,25Si 1275 1140 11 122 Slitiny pseudo β a β Ti-10V-2Fe-3Al vytrzeno 1170 - 1275 1100 - 1200 112 Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn stárnuto 1095 - 1335 985 - 1245 6 - 12

po protlačování za tepla Slitiny na bázi intermetalidů Ti3Al, TiAl vlastnosti se optimalizují přísadou dalších prvků – Cr, Mo, Si nejvyšší žáropevnost nízká tvárnost výroba práškovou metalurgií s průtlačným lisováním použití až do 900 °C, části proudových motorů Slitina na bázi TiNi (Nitinol) slitina s tvarovou pamětí (po tváření za studena se ohřevem vrací do původního tvaru) montážní prvky, regulační prvky, ovladače v inteligentních systémech Mechanické vlastnosti slitiny TiAl(Cr,Mo,Si)   v litém stavu po protlačování za tepla 20 °C 800 °C hustota, g.cm-3 3,8 modul pružnosti E, GPa 175 140 - mez kluzu Rp0,2, MPa 340-690 min. 340 510-810 300-540 mez pevnosti Rm, MPa 520-770 min. 520 650-910 400-640 mezní deformace ε, % 1-3 min. 30 1,5-3 50-100 mez únavy (R=-1), MPa min. 300 min. 600 min. 400

žíhání na snížení pnutí Slitiny pro odlitky Porovnání s tvářenými slitinami podobné chemické složení vyšší obsah příměsí, licí struktura a vady nižší tvárnost a únavová životnost často lepší lomová houževnatost Výroba tvarových odlitků dobré slévárenské vlastnosti (zabíhavost) pohlcování vodíku, pórovitost odlitků vakuové tavení, speciální licí formy, izostatické lisování odlitků (HIP) HIP – ohřev blízko k solidu + tlak inertní atmosféry (eliminace a svaření vnitřních dutin plastickou deformací) – podmínky 910 – 965 °C/100 MPa/2 hod. Příklady slitin Ti pro odlitky slitina TZ Rm, MPa Rp0,2, MPa A5 , % Ti-6Al-4V žíhání na snížení pnutí 880 815 5 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 970°C/2h + 590°C/8h 860 760 4 Ti-15V-3Cr-3Al-Sn 955°C/1h + 525°C/12h 1120 1050 6

Typické letecké odlitky z titanových slitin Kryt pylonu 7,2 kg 500 x 500 x 400 mm Kování dveří 0,2 kg 130 x 50 x 80 mm Armatura pylonu 8,2 kg 290 x 280 x 170 mm Odmrazovací armatura 1,6 kg 310 x 120 x 90 mm Odlitek rámu 6 kg 1250 x 110 x 180 mm

Tepelné zpracování slitin titanu Žíhání použitelné u všech slitin Žíhání na snížení vnitřního napětí – 450 až 650 °C, u odlitků až 750 °C Žíhání rekrystalizační – k odstranění deformačního zpevnění, kolem 800 °C Žíhání izotermické – ohřev na 800 až 950 °C, ochlazení v peci na 500 až 650 °C – výdrž pro dosažení rovnovážného stavu Žíhání dvojité – po izotermickém žíhání ochlazení na vzduchu a nový ohřev → rozpad fáze β na směs α+β, zpevnění a pokles tvárnosti Žíhání stabilizační – u slitin α+β pro stabilitu struktury a snížení tvrdosti, 600 až 900 °C . Vytvrzování (kalení + stárnutí) pouze slitiny α+β a β rozpouštěcí ohřev v oblasti α+β (30 až 140 °C pod teplotou přeměny) kalení do vody (výjimečně na vzduchu) → zachování metastabilní fáze β stárnutí při teplotě 450 až 600 °C

Mechanické vlastnosti – jsou závislé na rozměrech polotovaru Vytvrzování teplota rozpouštěcího ohřevu má vliv na výsledné vlastnosti kalení obvykle do vody umělé stárnutí v rozsahu 480 až 590 °C precipitační vylučování fáze α v metastabilním tuhém roztoku β precipitační vylučování fáze Ti3Al v tuhém roztoku α Mechanické vlastnosti – jsou závislé na rozměrech polotovaru vytvrzování tlouštěk nad 100 mm nemá žádný efekt Podmínky tepelného zpracování Polotovar Žíhání Ohřev a kalení Stárnutí Plechy a tenké desky 730 ± 15 °C 905-925°C/voda 540°C-4h/vzduch Desky nad 6,4 mm, tyče 925-955°C/voda Minimální garantované vlastnosti desek ze slitiny Ti-6Al-4V stav tloušťka, mm Rm, MPa Rp0,2, MPa tažnost, % žíhaný nad 5 895 825 10 vytvrzený do 20 20 – 25 nad 25 1100 1035 1000 970 935 8 6

Konstrukční data slitiny Ti-6Al-4V Charakteristika typ α+β, přeměna α+β → β při 995 °C nejrozšířenější, všeobecné použití hustota 4,43 g/ccm vytvrditelná až na 1100 MPa do tloušťky 25 mm výborné únavové vlastnosti a odolnost proti šíření trhlin dobrá svařitelnost, obrobitelnost jako austenitická ocel použitelnost v rozmezí (-210 až + 400 °C) široký sortiment polotovarů (plechy, desky, tyče, výkovky) Chemické složení slitiny Ti-6Al-4V podle AMS prvek Al V Fe O C N H Y Ti % 5,50 6,75 3,50 4,50 max 0,30 0,20 0,08 0,05 0,015 0,005 zbytek

Mechanické vlastnosti při záporných teplotách s klesající teplotou roste pevnost, tvárné vlastnosti výrazně klesají až při velmi nízkých teplotách Únavové vlastnosti silně závisejí na kvalitě povrchu šíření trhlin závisí na mikrostruktuře, textuře, prostředí a způsobu cyklického namáhání doporučuje se zpracovat vlastní data pro konkrétní tvar součásti a povrchovou úpravu Vlastnosti slitiny Ti-6Al-4V (obsah 0,16% O, deska tl. 6,4 mm, vytvrzeno) Teplota, °C Rm, MPa Rp0,2, MPa tažnost, % kontrakce, % -196 1855 1730 4 6 - 79 1460 1360 12 29 20 1255 1165 14 45 171 1075 925 17 56 + 427 910 705 16 67

Únavové vlastnosti slitin titanu v porovnání se zušlechtěnou nízkolegovanou ocelí (podle ASM Handbook Vol.2) Technický čistý titan únavová pevnost pro 10exp7 cyklů, MPa Všechny vzorky bez vrubů Šedé pole je rozsah zušlechtěné oceli pevnost v tahu, MPa

Vliv mikrostruktury na vlastnosti slitiny Ti-6Al-4V Amplituda napětí, MPa S-N křivky (R = -1) (a) Lamelární struktura – vliv šířky lamel (b) Rovnoosá struktura – vliv velikosti zrn (c) Smíšená struktura – vliv šířky lamel Počet cyklů do lomu Tahové vlastnosti slitiny Ti-6Al-4V stárnuté 24 h/500°C Amplituda napětí, MPa Mikrostruktura Šířka lamel α, μm Rp0,2 MPa A % Plně lamelární 0,5 1040 16 1 980 18 10 930 14 Plně rovnoosá 2 1120 46 6 1070 44 12 1060 43 Smíšená (10 μm αp) 1045 39 975 34 Počet cyklů do lomu Amplituda napětí, MPa Počet cyklů do lomu