Stopy tytanu. Stopy tytanu i niklu 1

Transkrypt

1 Stopy tytanu Stopy tytanu i niklu 1

2 Tytan i jego stopy Al Ti Cu Ni liczba at struktura kryst. A1 αa3/βa2 A1 A1 ρ, kg m T t, C α, 10-6 K , ,3 λ, W m -1 K , ,9 µ, nω m 28, ,7 68,4 E, GPa (α) R m, MPa R 0,2, MPa A, % Stopy tytanu i niklu 2

3 Stopy tytanu temperatura przemiany Ti α Ti β 882,5 C Ti α Ti β (900 C) c/a = 1,587 Stopy tytanu i niklu 3

4 Stopy tytanu podstawowe właściwości tytanu i jego stopów decydujące o ich zastosowaniu to: duŝa wytrzymałość względna, duŝa odporność na korozję; metaliczny tytan jest drogi ze względu na duŝe zuŝycie energii i surowców w procesie otrzymywania; Wytrzymałość względna Stopy tytanu Stopy aluminium Temperatura Stopy niklu Stal Stopy tytanu i niklu 4

5 Pierwiastki stopowe stabilizujące fazę α: Al stosowany najczęściej oraz pierwiastki międzywęzłowe O, N, C, stabilizujące fazę β: β-izomorficzne: Mo, V, Ta, Nb, β-eutektoidalne: Fe, Mn, Cr, Co, Ni, Cu, Si, H; neutralne: Sn, Zr stabilizatory α β-izomorficzne β-eutektoidalne temperatura zawartość pierwiastka stopowego Stopy tytanu i niklu 5

6 Fazy w stopach tytanu faza α: roztwór stały międzywęzłowy (O, N, C) lub róŝnowęzłowy (Al) dodatków stopowych w tytanie α Aluminium: poprawia stabilność cieplną i zmniejsza gęstość stopu zawartość w przemysłowych, dwufazowych stopach tytanu 1,6-7,5%; większa zawartość aluminium prowadzi do wydzielania uporządkowanej fazy międzymetalicznej α 2 (Ti 3 Al) utrudniającej lub uniemoŝliwiającej przeróbkę plastyczną; faza β: roztwór stały międzywęzłowy (H) lub róŝnowęzłowy dodatków stopowych w tytanie β Stopy tytanu i niklu 6

7 Fazy w stopach tytanu faza martenzytyczna α': przesycony roztwór stały pierwiastków w tytanie α powstaje: podczas szybkiego chłodzenia z temperatury zakresu stabilności fazy β w wyniku odkształcenia plastycznego przemiana β α' - podobna do przemiany martenzytycznej w stali faza α' róŝni się od martenzytu w stali jest przesyconym roztworem róŝnowęzłowym (w stali międzywęzłowy) dlatego powoduje mały efekt umocnienia (w porównaniu z umocnieniem stali w wyniku przemiany austenit martenzyt) Stopy tytanu i niklu 7

8 Fazy w stopach tytanu faza martenzytyczna α'': przesycony roztwór stały pierwiastków w tytanie α (struktura krystaliczna układu rombowego) budowa: płytkowa (iglasta) charakteryzuje je większa dyspersja w porównaniu z płytkami fazy α' podobna morfologia ziarn faz α' i α'' oraz ciągła zmiana stęŝenia pierwiastków w obu fazach powodują, Ŝe często obie fazy rozpatruje się jako jedną fazę martenzytyczną α (α''). Stopy tytanu i niklu 8

9 Budowa fazowa stopów tytanu stopy α (i pseudo-α) tytan techniczny oraz stopy z pierwiastkami neutralnymi lub stabilizującymi fazę α, np.: Ti-5Al-2,5Sn, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-6Al-5Zr-0,5Mo-0,25Si; stopy α+β udział fazy β w temperaturze pokojowej wynosi od 5 do 40%, np.: Ti-6Al-4V, Ti-6Al-2Mo-2Cr, Ti-6Al-6Mo-4Zr-2Sn; stopy β (i pseudo-β), np.: Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-13V-11Cr-3Al; maksymalna temperatura stosowania: 450 C stopy α+β, 600 C stopy α i pseudo-α Stopy tytanu i niklu 10

10 Właściwości stopów tytanu stopy α stopy α+β stopy β gęstość ciągliwość wytrzymałość w temp. pok. odporność na pełzanie odporność na korozję odporność na utlenianie spawalność odkształcalność na zimno Stopy tytanu i niklu 11

11 Mikrostruktura stopów tytanu równoosiowa (globularna) stop Ti-6Al-4V płytkowa powstaje w wyniku rekrystalizacji powstaje w wyniku chłodzenia z temperatury stabilności fazy β Stopy tytanu i niklu 12

12 Mikrostruktura stopów tytanu równoosiowa (globularna) stop Ti-6Al-4V płytkowa wytrzymałość ciągliwość odporność na pękanie inicjacja pęknięcia zmęcz. propagacja pęknięcia zmęcz. odporność na pełzanie odporność na utlenianie Stopy tytanu i niklu 13

13 Mikrostruktura stopów tytanu bi-modalna Stopy tytanu i niklu 14

14 Mikrostruktura stopów tytanu stop Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 1 C/min Stopy tytanu i niklu 100 C/min 8000 C/min 15

15 Zastosowanie stopów tytanu przemysł lotniczy, EUR USA JAP silniki 37% 42% płatowce 33% 38% przemysł 30% 20% 90% Stopy tytanu i niklu 16

16 Zastosowanie stopów tytanu górne dźwigary skrzydeł Boeing 787 Stopy tytanu i niklu 17

17 Zastosowanie stopów tytanu podzespół podwozia samolotu Boeing 777 (element poziomy ze stopu Ti największy z wykonywanych dotychczas metodą kucia ze stopu typu β) Ti-10V-2Fe-3Al Stopy tytanu i niklu 18

18 Zastosowanie stopów tytanu 4% 1% 1% 2% 13% 18% 6% płatowiec B747 7% 8% A340 81% 65% 4,5% 5,5% Aluminium silnik turbinowy 36% 39% Nikiel Stal Tytan 15% Kompozyty Inne Stopy tytanu i niklu 19

19 Zastosowanie stopów tytanu Lockheed SR-71 Blackbird 93% masy płatowca (gł. stop B120VCA Ti-13V-11Cr-3Al) Stopy tytanu i niklu 20

20 Zastosowanie stopów tytanu przemysł chemiczny głównie tytan techniczny, który stanowi 20-30% produkowanych stopów tytanu; R m MPa w zaleŝności od zawartości tlenu; stopy tytanu są stosowane jako biomateriał np. na protezy stawu biodrowego, implanty scalające kości oraz w stomatologii; Stopy tytanu i niklu 21

21

22 Zastosowanie stopów tytanu sport i rekreacja, architektura np. muzeum Guggenheima w Bilbao; Stopy tytanu i niklu 23

23 Fazy międzymetaliczne TiAl γ układ tetragonalny a=0,4005nm c=0,4070nm Ti 3 Al α 2 układ heksagonalny a=0,5782nm c=0,4629nm Stopy tytanu i niklu 24

24 Stopy na osnowie faz międzymetalicznych zalety (w porównaniu do tradycyjnych stopów Ti): mniejsza gęstość, większa wytrzymałość na pełzanie, większa odporność na utlenianie w wysokiej temperaturze; wady: mniejsza ciągliwość w temperaturze pokojowej, mniejsza odporność na pękanie, problemy technologiczne; Stopy tytanu i niklu 25

25 Stopy na osnowie faz międzymetalicznych Ti-48Al-2Cr Stopy tytanu i niklu 26

26 Stopy na osnowie faz międzymetalicznych Stopy tytanu i niklu 27

27 Stopy na osnowie faz międzymetalicznych Odlewane łopatki turbiny niskiego ciśnienia (Boeing 747) (GE Aircraft Engines) Stopy tytanu i niklu 28

28 Stop tytanu + włókna SiC włókno osnowa Stopy tytanu i niklu 29

29 Stop tytanu + włókna SiC blisk bladed disk bling bladed ring Stopy tytanu i niklu 30

30 Stop tytanu + włókna SiC maksymalną wytrzymałość na rozciąganie uzyskuje się przy udziale włókien ok. 40%. Dla kompozytu SiC/IMI 834 w temp. 20 C R m = 2400MPa. Stopy tytanu i niklu 31