Możliwości wykorzystania materiału ceramicznego na narzędzia do realizacji procesu zgrzewania tarciowego z przemieszaniem cienkich blach tytanowych

Obróbka Plastyczna Metali vol. XXIX nr 3 (2018), s. 253 276 Metal Forming vol. XXIX no. 3 (2018), pp. 253 276 Narzędzia, przyrządy i maszyny do obróbki plastycznej Metal forming tools, devices and machines Oryginalny artykuł naukowy Original Scientific Article Możliwości wykorzystania materiału ceramicznego na narzędzia do realizacji procesu zgrzewania tarciowego z przemieszaniem cienkich blach tytanowych Possibilities of using ceramic material for tools to carry out the friction welding process of thin titanium sheets (1) Stanisław Buszta, (2) Piotr Myśliwiec, (3) Romana Ewa Śliwa*, (4) Robert Ostrowski Politechnika Rzeszowska im. I. Łukasiewicza, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Katedra Przeróbki Plastycznej, al. Powstańców Warszawy 8, 35-329 Rzeszów, Poland Informacje o artykule Zgłoszenie: 23.05.2018 Recenzja: 18.06.2018 Akceptacja: 28.09.2018 Wkład autorów (1) Współautor programu realizacji badań, projektu i wykonawca narzędzi, opracowanie i analiza wyników, opracowanie manuskryptu (2) Opracowanie programu i warunków realizacji badań, autor projektu elementów oprzyrządowania i ich wykonawca, opracowanie wyników badań i manuskryptu (3) Autor koncepcji, założeń i metod, opracowanie i analiza wyników i manuskryptu (4) Współautor projektu narzędzi, opracowanie i analiza wyników i manuskryptu Streszczenie Tytan oraz jego stopy charakteryzują się małą gęstością, dużą opornością na wysoką temperaturę i korozję. Stopy tytanu mogą być spawane wiązką elektronów lub metodą TIG, ale wymagane jest stosowanie gazów osłonowych oraz odpowiednie oczyszczenie łączonych elementów. Największym problemem przy spawaniu tytanu oraz stopów tytanu jest występowanie pęcherzyków oraz kruchości wywołanej powietrzem. Z tego powodu metoda FSW jest korzystną alternatywą przy łączeniu elementów tytanowych. W niniejszej pracy przedstawiono możliwości wykorzystania materiałów ceramicznych na narzędzia oraz inne elementy oprzyrządowania w realizacji zgrzewania tarciowego z przemieszaniem cienkich blach tytanowych typu GRADE 3 i GRADE 5. Wysoka temperatura generowana w trakcie procesu FSW wymaga stosowania zaawansowanych materiałów narzędziowych. Jakość złącza oceniano poprzez analizę właściwości mechanicznych, mikrostrukturę oraz przebiegów sił. Wykazano, że zastosowanie ceramiki narzędziowej na narzędzia oraz elementy oprzyrządowania pozwala na wykonywanie wolnych od wad wysokiej jakości złączy FSW stopów tytanu. Wysokotemperaturowe właściwości ceramiki przyczyniają się do uproszczenia elementów mocujących zgrzewanych blach. Słowa kluczowe: zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem, FSW, tytan, stopy tytanu, ceramika narzędziowa Article info Received: 23.05.2018 Reviewed: 18.06.2018 Accepted: 28.09.2018 Authors contribution (1) Co-author of the research implementation program, project and tool manufacturer, development and analysis of results, manuscript preparation (2) Development of the program and conditions for the implementation Abstract Titanium and its alloys are characterized by low density, high resistance to high temperature and corrosion. Titanium alloys can be electron beam welded or TIG method, but it is required to use shielding gases and proper cleaning of connected elements. The biggest problem in the welding of titanium and titanium alloys is the presence of bubbles and brittleness caused by air pollution directive, for this reason, the FSW method is an advantageous alternative to the connecting elements of titanium. This paper presents the possibilities of using ceramic materials for tools and other tooling elements in the implementation of friction stir welding of GRADE 3 and GRADE 5 titanium sheets. High temperature generated during the FSW process requires the use of advanced tool materials. Joint quality was assessed by analyzing mechanical properties, * Autor do korespondencji. Tel.: +48 78 651 15 17; e-mail: rsliwa@prz.edu.pl * Corresponding author. Tel.: +48 78 651 15 17; e-mail: rsliwa@prz.edu.pl

254 Możliwości wykorzystania materiału ceramicznego na narzędzia do realizacji procesu... of the research, author of the tools elements design and their manufacturer, development of the test results and the manuscript (3) Author of concept, conditions and methodology, development and analysis of the test results and the manuscript (4) Coauthor of tools design, development and analysis of the test results and the manuscript microstructure and waveforms forces. It has been shown that the use of ceramics materials for tools and fixing elements allows to make defect-free, high-quality FSW joints of titanium alloys. High temperature properties of ceramics strongly contribute to the simplification of the fastening elements of welded sheets. Keywords: friction stir welding, FSW, titanium, titanium alloys, tools ceramic 1. WPROWADZENIE 1. INTRODUCTION Tytan i jego stopy są powszechnie stosowane w przemyśle lotniczym, morskim, energetycznym, biomedycznym i chemicznym ze względu na ich dobre właściwości mechaniczne, wysoki stosunek wytrzymałości do masy, wysoką odporność na korozję oraz biokompatybilność [1 6]. Wytwarzanie skomplikowanych struktur tytanowych często wymaga łączenia elementów przy użyciu spawania laserowego lub metodą TIG [7 9]. Jednak konwencjonalne metody spawania mogą powodować wady, pogarszające jakość połączeń takie, jak: tworzenie grubej mikrostruktury z kolumnowymi ziarnami, wysokie naprężenia szczątkowe, zniekształcenia ze względu na niskie przewodnictwo cieplne, wady krzepnięcia, obecność tlenku tytanu, a także segregację substancji rozpuszczonej występującą podczas krzepnięcia [10 13]. Metoda zgrzewania tarciowego z przemieszaniem FSW (Friction Stir Welding) została opracowana i opatentowana na początku lat dziewięćdziesiątych przez Instytut Spawalnictwa TWI na Uniwersytecie Cambridge jako innowacyjna technika łączenia materiałów w stanie stałym [14]. Metoda pozwala na wykonywanie wysokiej jakości połączeń materiałów metalowych. Oczywiste korzyści wynikające z wykorzystania tej technologii łączenia blach różnych materiałów metalicznych powoduje, że jest ona szeroko wykorzystywana przez przemysł lotniczy, samochodowy czy stoczniowy. Metodę FSW można stosować do łączenia właściwie wszystkich materiałów żelaznych i nieżelaznych, jak również ich kombinacji w szerokim zakresie grubości łączonych materiałów od 0,3 mm nawet do 50 mm. Technika FSW pozwala łączyć materiały w różnych konfiguracjach, jak Titanium and its alloys are widely used in the aerospace, marine, energy, biomedical and chemical industries due to their good mechanical properties, high strength to weight ratio, high corrosion resistance and biocompatibility [1 6]. The production of complex titanium structures often requires joining elements using laser welding or TIG [7 9]. However, conventional welding methods can cause defects, worsening the quality of joints, such as: formation of a thick microstructure with columnar grains, high residual stresses, distortion due to low thermal conductivity, defects in solidification, presence of titanium oxide, and segregation of solute occurring during solidification [10 13]. Friction Stir Welding method was developed and patented in the early nineties by the TWI Welding Institute at the University of Cambridge, an innovative technique for joining materials in solid state [14]. It allows you to make high-quality connections of metalic materials. The obvious benefits of using this technology for joining sheets of various metallic materials means that it is widely used by the aerospace, automotive and shipbuilding industry. The FSW method can be used to connect all ferrous and non-ferrous materials as well as their combinations in a wide range of thicknesses from 0.3 mm up to 50 mm. FSW technique can combine materials with different configurations, for example: Butt and overlap configuration. The joining process is carried out in the solid state. It is important that the process temperature does not exceed 0.8 0.9 melting point of the material. Exceeding this temperature completely disqualifies the joint by creating high Buszta Stanisław, Piotr Myśliwiec, Romana Ewa Śliwa, Robert Ostrowski. 2018. Możliwości wykorzystania materiału ceramicznego na narzędzia do realizacji procesu zgrzewania tarciowego z przemieszaniem cienkich blach tytanowych. Obróbka Plastyczna Metali XXIX (3): 253 276.

Possibilities of using ceramic material for tools to carry out... 255 np. doczołowo, zakładkowo itp. Proces łączenia odbywa się w stanie stałym. Ważnym jest, aby temperatura procesu nie przekraczała 0,8 0,9 temperatury topienia materiału. Przekroczenie tej temperatury całkowicie dyskwalifikuje złącze poprzez powstawanie dużych naprężeń i inicjacje pęknięć w obszarze zgrzeiny. Łączenie zachodzi na skutek wprowadzenia specjalnego narzędzia pomiędzy łączone materiały i przesuwania go wzdłuż linii styku. Ciepło generowane jest poprzez tarcie kołnierza narzędzia o powierzchnie łączonych materiałów natomiast rozbijanie i mieszanie materiału realizowane jest za pomocą trzpienia. Narzędzia wykonywane są z różnych materiałów takich, jak na przykład: stal HSS, węgliki spiekane, PCBN, ceramika narzędziowa. Zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem materiału jest procesem termomechanicznym, w którym następuje uplastycznienie materiału w strefie oddziaływania narzędzia pod wpływem wysokiej temperatury pochodzącej od obracającego się narzędzia, które penetruje i miesza uplastycznione materiały w strefie złącza wzdłuż ich linii styku (rys. 1). stresses and initiating cracks in the area of the weld. The joining is due to the plunging a special tool between the joining materials and moving it along the contact line. The heat is generated by the friction of the tool shoulder against the surfaces of the materials being joined, while the breaking and mixing of the material is carried out with the help of a mandrel. Tools are made of various materials such as: HSS steel, tungsten carbides, PCBN, tool ceramics. Friction stir welding is a thermomechanical process, where the plasticity of the material in the tool impact zone occurs, under the influence of high temperature coming from the rotating tool, which penetrates and mixes the plasticized materials in the joint zone along their contact lines (Fig.1). Rys. 1. Schemat procesu zgrzewania tarciowego z przemieszaniem Fig. 1. Scheme of friction stir welding process Wytworzenie się zbyt wysokiej temperatury w trakcie procesu może skutkować pojawieniem się fazy ciekłej, co powoduje pogorszenie jakości złącza i je dyskwalifikuje. Aby móc realizować proces zgrzewania tarciowego, potrzebne jest odpowiednie oprzyrządowanie: specjalne narzędzia i uchwyty oraz urządzenia zapewnia- The formation of too high a temperature during the process may result in the appearance of a liquid phase, which results in a deterioration of the quality of the joint and disqualifies it. In order to be able to carry out the friction welding process, appropriate tooling is needed: special tools and brackets and devices enabling technical Buszta Stanisław, Piotr Myśliwiec, Romana Ewa Śliwa, Robert Ostrowski. 2018. Possibilities of using ceramic material for tools to carry out the friction welding process of thin titanium sheets. Obróbka Plastyczna Metali XXIX (3): 253 276.

256 Możliwości wykorzystania materiału ceramicznego na narzędzia do realizacji procesu... jące adekwatne ruchy narzędzia (posuw, obroty, pochylenie narzędzia, możliwość ruchu w przestrzeni, pochylenie stołu). W narzędziach wykorzystywanych do procesu FSW wyróżnia się dwa podstawowe elementy: wieniec opory (kołnierz) oraz trzpień. Kołnierze posiadają różnorodne profile: płaskie, wklęsłe lub wypukłe; mogą posiadać również wyżłobienia, co zostało pokazane na rys. 2. implementation ensuring adequate tool movements (feed, revolutions, tool inclination, the ability to move in space, tilt the table). The tools used for the FSW process are distinguished by two basic elements: the shoulder and the pin. The flanges have a variety of profiles: flat concave or convex, they can also have grooves as shown in Fig. 2. Rys. 2. Schemat narzędzi do procesu FSW [15] Fig. 2. A scheme of tools for the FSW process [15] Przed materiałami przeznaczonymi na narzędzia do zgrzewania tarciowego tytanu stawia się następujące wymagania: wysoka wytrzymałość na ściskanie w podwyższonej temperaturze narzędzie musi być w stanie wytrzymać moment pierwszego kontaktu z podłożem (materiałem łączonym), gdzie występuje wysokie naprężenie ściskające, a następnie kolejne etapy zgrzewania w podwyższonej temperaturze; granica plastyczności narzędzia powinna być większa niż siły działające na narzędzie; odporność na pełzanie materiał używany na narzędzia FSW musi mieć dużą stabilność wymiarową; kształt i wymiary narzędzia mają duży wpływ na przepływ materiału, a zatem każda zmiana może powodować zakłócenia, a tym samym może doprowadzić do uzyskania spoiny o złej jakości [16]; odporność na zużycie zwiększone zużycie ścierne zmienia kształt narzędzia, a zwłaszcza jego cechy (grzbiety i rowki), co znacząco wpływa na przepływ materiału i może prowadzić The following requirements apply to materials intended for the friction welding tools of titanium: high compressive strength at elevated temperature the tool must be able to withstand the moment of first contact with the substrate (workpiece material), where there is high compressive stress, and then subsequent welding stages at elevated temperature; the yield point of the tool should be greater than the forces acting on the tool; creep resistance material used for FSW tools must have high dimensional stability; the shape and size of the tool have a large impact on the material flow, so any change can cause interference, and thus can lead to poor quality weld [16]; resistance to wear increased abrasive wear changes the shape of the tool, especially its features (ridges and grooves), which significantly affects the flow of material and can lead Buszta Stanisław, Piotr Myśliwiec, Romana Ewa Śliwa, Robert Ostrowski. 2018. Możliwości wykorzystania materiału ceramicznego na narzędzia do realizacji procesu zgrzewania tarciowego z przemieszaniem cienkich blach tytanowych. Obróbka Plastyczna Metali XXIX (3): 253 276.

Possibilities of using ceramic material for tools to carry out... 257 do uzyskania złego połączenia; zwiększa również częstotliwość występowania wad strukturalnych; narzędzia FSW podczas procesu mogą zużywać się ze względu na: oklejanie, ścieranie, jak również reaktywność materiału narzędzia (dyfuzja); mechanizm ten zależy od oddziaływania pomiędzy narzędziem a łączonym materiałem, jak również od parametrów procesu; brak reaktywności materiału z materiałem zgrzewanym narzędzie nie może reagować z materiałem zgrzewanym; może to prowadzić do zmian właściwości powierzchni narzędzia poprzez tworzenie różnych faz (np. tlenków), a tym samym ich szybkie zużycie lub złuszczanie, co prowadzi do powstania wielu wad w zgrzeinie; dobrym przykładem jest łączenie tytanu, ponieważ jest on powszechnie znany jako materiał wysoce reaktywny; w skrajnych przypadkach oddziaływanie względem siebie niektórych materiałów może powodować emisję toksycznych tlenków takich, jak Mo0 3, co stwarza zagrożenie dla życia i zdrowia operatora [16, 17]; potrzeba zastosowania atmosfery ochronnej podczas zgrzewania stopów tytanu zmniejsza problem reaktywności z narzędziem; należy pamiętać natomiast o unikaniu materiałów zawierających w składzie molibden; odporność na pękanie odgrywa ważną rolę podczas zagłębiania pinu oraz mieszania łączonych materiałów; naprężenia lokalne występujące w narzędziu podczas pracy często wystarczają do ich uszkodzenia lub zniszczenia; drobne pozostałości materiału narzędzia w zgrzeinie powodują znaczne wady w połączeniu. Zasadniczo wymagania te nie różnią się od wymagań przewidzianych dla narzędzia do zgrzewania stopów aluminium, ale wartość parametrów/cech w tym przypadku jest znacznie wyższa. Analiza literatury pokazuje, że materiałem wykorzystywanym w produkcji narzędzi do zgrzewania materiałów o wysokiej temperaturze uplastycznienia jest przede wszystkim ceramika techniczna. Spotyka się również narzędzia ze stopów wolframu z renem (25%) oraz azotku boru i węglika wolframu. to a poor connection; it also increases the frequency of structural defects. FSW tools during the process may wear due to: sticking, abrasion, as well as the reactivity of the tool material (diffusion); this mechanism depends on the interaction between the tool and the connected material, as well as the parameters of the process; no reactivity of the tool material with the welded material the tool cannot react with the welded material; this can lead to changes in the surface properties of the tool by creating different phases (e.g. oxides), and thus their rapid wear or peeling, which leads to many faults in the weld; a good example is the combination of titanium because it is commonly known as a highly reactive material; in extreme cases, the interaction of some materials with one another may cause the emission of toxic oxides, such as Mo0 3, which poses a threat to the life and health of the operator [16, 17]; the need to use a protective atmosphere during the welding of titanium alloys reduces the problem of reactivity with the tool; one should remember about avoiding materials containing molybdenum; resistance to cracking plays an important role when plunging the pin and mixing mixed materials; local stresses occurring in the tool during work are often enough to damage or destroy them; small residues of tool material in the weld cause significant defects in the connection. Essentially, these requirements do not differ from the requirements provided for the aluminum alloy welding tool, but the value of the parameters / features in this case is considerably higher. Literature analysis shows that the material used for the production of tools for welding materials with a high plasticizing temperature is primarily technical ceramics. There are also found tools from tungsten alloys with rhenium (25%), boron nitride and tungsten carbide. Buszta Stanisław, Piotr Myśliwiec, Romana Ewa Śliwa, Robert Ostrowski. 2018. Possibilities of using ceramic material for tools to carry out the friction welding process of thin titanium sheets. Obróbka Plastyczna Metali XXIX (3): 253 276.

258 Możliwości wykorzystania materiału ceramicznego na narzędzia do realizacji procesu... Powszechnie stosowanym materiałem narzędziowym dla zgrzewania tarciowego z przemieszaniem stopów tytanu jest polikrystaliczny azotek boru o regularnej strukturze (Polycrystalline Cubic Boron Nitride PCBN) [18]. Jest on zalecany ze względu na wysoką odporność chemiczną i odporność na ścieranie w temperaturze występującej w trakcie zgrzewania tarciowego. Jednakże użycie polikrystalicznego azotku boru ma pewne ograniczenia: m.in. trudności z obróbką skrawaniem tego materiału powodują, że nie jest możliwe wykonanie narzędzia o złożonej geometrii opory i trzpienia, co w konsekwencji znacznie wpływa na generowanie ciepła, przepływ materiału, siłę potrzebną do utrzymania kontaktu z powierzchnią narzędzia, prędkością obrotową i prędkością przemieszczania narzędzia, a tym samym z całym procesem zgrzewania [19, 20]. Parametry geometryczne narzędzia decydują o zapoczątkowaniu i propagacji zjawiska uplastycznienia i wymieszania łączonych materiałów blach w strefie złącza. Opora narzędzia w procesie FSW wywołanym tarciem nagrzewa obszar powierzchni łączonych blach oraz wytwarza siłę skierowaną w dół ( rys. 1), która jest niezbędna do zgrzewania i zapobiega wypłynięciu uplastycznionego metalu powyżej powierzchni opory. Typowe rodzaje geometrii pobocznicy opory, kształty powierzchni roboczych oraz ich wykończenie zestawiono na rys. 3. A commonly used tool material for friction welding with mixing of titanium alloys is polycrystalline boron nitride with a regular structure (Polycrystalline Cubic Boron Nitride PCBN) [18]. It is recommended due to its high chemicalresistance and resistance to abrasion at temperature occurring during friction welding. However, the use of polycrystalline boron nitride has some limitations, among others difficulties in machining this material cause that it is not possible to obtain a tool with a complex shoulder and pin geometry, which consequently significantly affects the generation of heat, material flow, the force needed to maintain contact with the tool surface, rotational speed and tool speed, and thus, the entire welding process [19, 20]. The geometrical parameters of the tool determine the initiation and propagation of the plasticizing phenomenon and the mixing of the joined sheet materials in the joint zone. The tool shoulder in the FSW caused by friction heats the surface of the surface of the joined plates and creates a downward force (Fig. 1), which is necessary for welding and prevents the flow of plasticized metal from above the surface of the shoulder. Typical types of shoulder geometry, shapes of work surfaces and their finish are presented in Fig. 3. Rys. 3. Wieńce opory narzędzia FSW o różnych kształtach i cechach [21] Fig. 3. Shoulder shapes and features [21] Buszta Stanisław, Piotr Myśliwiec, Romana Ewa Śliwa, Robert Ostrowski. 2018. Możliwości wykorzystania materiału ceramicznego na narzędzia do realizacji procesu zgrzewania tarciowego z przemieszaniem cienkich blach tytanowych. Obróbka Plastyczna Metali XXIX (3): 253 276.

Possibilities of using ceramic material for tools to carry out... 259 Najczęściej spotykanym rodzajem narzędzi są narzędzia o cylindrycznej geometrii pobocznicy, ale czasami spotyka się też narzędzia z geometrią stożkową. Geometria pobocznicy (cylindryczna lub stożkowa) nie ma zbyt dużego wpływu na jakość zgrzeiny ze względu na to, żena to, że głębokość penetracji opory w głąb łączonych blach waha się w granicach 1 5% ich grubości [22]. Kształt powierzchni roboczej opory może być płaski, wklęsły lub wypukły. Najprostszym rozwiązaniem jest zastosowanie opory o powierzchni płaskiej, lecz wadą takiego rozwiązania jest to, że płaska powierzchnia niedostatecznie ogranicza uplastyczniony materiał, który może wydostawać się poza oporę, tworząc nadmierną wypływkę. W celu eliminacji tego zjawiska znacznie częściej używa się narzędzi z wklęsłą oporą, która powoduje, że podczas zagłębiania narzędzia materiał wypychany przez trzpień jest wprowadzany do wolnej przestrzeni pod oporą i jest przesuwany w kierunku linii zgrzewania, w trakcie trwania całego procesu. Dodatkowo efekt ten można poprawić poprzez wprowadzenie kąta pochylenia narzędzia względem osi zgrzewania o 1 3 stopnie. W praktyce narzędzia o wypukłej geometrii opory nie sprawdzają się i nie są stosowane, ponieważ powodują znaczne wypchnięcie uplastycznionego materiału ze strefy zgrzewania [23]. Wykończenia powierzchni roboczej opory może również zawierać pewne cechy zwiększające tarcie, ścinanie i deformację materiału w celu zwiększenia stopnia przemieszania, a tym samym otrzymania połączenia lepszej jakości. Geometria trzpienia (rys. 4) ma również bardzo duże znaczenie dla procesu FSW, ponieważ trzpień pełni główną rolę w odkształcaniu i mieszaniu materiału, narusza powierzchnie styku pomiędzy łączonymi blachami, inicjując ich łączenie, ścina materiał na przedzie narzędzia oraz przesuwa materiał za narzędziem. Podobnie jak dla opór, wydzielić można trzpienie o pobocznicy cylindrycznej i stożkowej, natomiast rodzaje wykończenia powierzchni bocznych i czołowych są znacznie bardziej skomplikowane ze względu na zastosowanie różnego rodzaju gwintowań, nacięć, rowków itp. Stosowanie tego rodzaju geometrii (np. trzpieni The most common type of tools are cylindrical shoulder geometries but sometimes tools with conical geometry are also found. The shoulder geometry (cylindrical or conical) does not have a large influence on the quality of the weld due to the fact that the penetration depth of the shoulder into the joined sheets varies within 1 5% of their thickness [22]. The shape of the working surface of the shoulder may be flat, concave or convex. The simplest solution is to use a shoulder with a flat surface, but the disadvantage of such a solution is that the flat surface does not sufficiently restrict the plasticized material that can escape beyond the resistance creating an excessive flash. In order to eliminate this phenomenon, tools with a concave shoulder are much more often used, which causes the material pushed through the pin to enter the free space under the shoulder during the penetration of the tool and is moved towards the welding line during the whole process. In addition, this effect can be improved by entering the angle of inclination of the tool relative to the welding axis by 1 3 degrees. In practice, tools with convex shoulder geometry do not work well and are not used because they cause a significant push out of the plasticized material from the welding zone [23]. The finishing of the working surface of the shoulder may also include certain features that increase friction, shear and deformation of the material to increase the degree of material mixing and thus obtain a better quality combination. The pin geometry (Fig. 4) is also very important for the FSW process because the pin plays a major role in deforming and mixing the material, breaking the contact surfaces between the joined plates initiating their joining, cutting the material at the front of the tool and moving the material behind the tool. Similarly to the shoulder, there are cylindrical and conical pins, while the types of finishing of the side and front surfaces are much more complicated due to the use of various types of threading, cuts, grooves, etc. The use of such geometries (e.g. pins with a thread in the direction of rotation of the tool) Buszta Stanisław, Piotr Myśliwiec, Romana Ewa Śliwa, Robert Ostrowski. 2018. Possibilities of using ceramic material for tools to carry out the friction welding process of thin titanium sheets. Obróbka Plastyczna Metali XXIX (3): 253 276.

260 Możliwości wykorzystania materiału ceramicznego na narzędzia do realizacji procesu... z gwintem zgodnym z kierunkiem obrotów narzędzia) powoduje, że materiał jest ciągniony przez gwinty wzdłuż powierzchni trzpienia i może krążyć wielokrotnie wokół narzędzia zanim zostanie osadzony za narzędziem, co znacznie polepsza przemieszanie materiału [24]. causes the material to be drawn by the threads along the surface of the pin and can circulate many times around the tool before it is inserted behind the tool, which significantly improves the mixing of the material [24]. Rys. 4. Różne typy trzpieni narzędzi FSW [21] Fig. 4. FSW tool pins [21] Dzięki zastosowaniu technologii FSW można ograniczyć konwencjonalne łączenie elementów ze stopów tytanu i powiązane z tym problemy [25, 26]. Do tej pory technologia FSW była szeroko stosowana do łączenia materiałów o stosunkowo niskiej temperaturze topnienia takich, jak stopy aluminium i magnezu [27 31]. Jednak zastosowanie technologii FSW do łączenia materiałów o wysokiej temperaturze topnienia takich, jak stopy tytanu, niesie za sobą pewne ograniczenia spowodowane zastosowaniem narzędzi z materiałów odpornych na wysoką temperaturę powstającą w procesie zgrzewania. Biorąc pod uwagę ciężkie warunki pracy, narzędzia do procesu FSW są zwykle wytwarzane z materiałów odpornych na wysokie temperatury takich, jak: materiały na bazie wolframu, kobaltu, molibdenu i na bazie niklu [32 44]. Nie zaleca się jednak stosowania narzędzi z polikrystalicznego azotku boru PCBN z powodu ich dużego zużycia w procesie zgrzewania metodą FSW elementów ze stopów tytanu [45]. By using FSW technology can reduce the conventional switching of titanium alloys, and related problems [25, 26]. Until now, FSW technology has been widely used to combine materials with a relatively low melting point such as aluminum and magnesium alloys [27 31]. However, the use of FSW technology for joining materials with a high melting point, such as titanium alloys, carries certain limitations due to the use of tools from materials resistant to high temperatures resulting from the welding process. Considering the hard working conditions, tools for the FSW process are usually made of materials resistant to high temperatures, such as tungsten, cobalt, molybdenum and nickel based materials [32 44]. However, it is not recommended to use tools made of polycrystalline PCBN boron nitride due to their high consumption in the process of welding with elements made of titanium alloys by the FSW method [45]. Buszta Stanisław, Piotr Myśliwiec, Romana Ewa Śliwa, Robert Ostrowski. 2018. Możliwości wykorzystania materiału ceramicznego na narzędzia do realizacji procesu zgrzewania tarciowego z przemieszaniem cienkich blach tytanowych. Obróbka Plastyczna Metali XXIX (3): 253 276.

Possibilities of using ceramic material for tools to carry out... 261 Z uwagi na sprostanie warunkom eksploatacyjnym procesu, głównym wyzwaniem jest odpowiednie zaprojektowanie, wykonanie i zastosowanie ceramicznego narzędzia odpornego na pracę w wysokiej temperaturze, jaka powstaje podczas zgrzewania tarciowego z przemieszaniem cienkich blach ze stopu tytanu Grade 3 oraz Grade 5, pozwalającego na uzyskanie dobrego połączenia blach z materiałów o wysokiej temperaturze topnienia. Wyniki badań w tym zakresie prezentuje niniejsza praca. Due to meeting the operating conditions of the process, the main challenge is the proper design, execution and use of a ceramic tool resistant to high temperature work that arises during the friction welding process of thin sheets of Grade 3 and Grade 5 titanium alloys and enables enables a good joint of sheet metal with materials high melting temperature. The results of research in this area are presented in this work. 2. BADANIA EKSPERYMENTALNE Celem pracy było zastosowanie zaawansowanych materiałów narzędziowych, w tym ceramicznych, na oprzyrządowanie w procesie FSW, zdolnych pracować w temperaturze przekraczającej 1000 C. Materiał badań skuteczności zastosowania proponowanego narzędzia stanowiły cienkie blachy ze stopów w tytanu Grade 3 o grubości 0,4 mm oraz Grade 5 o grubości 0,8 mm. W tab. 1 przedstawiono właściwości fizyczne gatunków tytanu użytych do badań. 2. EXPERIMENTAL PROCEDURE The purpose of the work was to use advanced tool materials, including ceramic, for tooling in the FSW process capable of operating at temperatures exceeding 1000 C. The material for testing the effectiveness of the application of the proposed tool were thin sheets of alloys in titanium Grade 3 with a thickness of 0.4 mm and Grade 5 with a thickness of 0.8 mm. Tab. 1 shows the physical properties of the titanium species used for the tests. Tab. 1 Wybrane właściwości stopów tytanu Grade 3 oraz Grade 5 [46] Tab. 1 Selected properties of titanium Grade 3 and Grade 5 alloys [46] Właściwości Properties Grade 5 Grade 3 Gęstość Density 4.43 g/cc 4.5 g/cc Twardość Brinella Hardness, Brinell 334 225 Twardość Knoopa Hardness, Knoop 363 220 Twardość Rockwella C Hardness, Rockwell C 36 16 Granica wytrzymałości Tensile Strength, Ultimate 900 MPa 440 MPa Granica plastyczności Tensile Strength, Yield 830 MPa 377-520 MPa Wydłużenie całkowite Elongation at Break 10 % 18 % Moduł Younga Modulus of Elasticity 114 GPa 105 GPa Wytrzymałość na ściskanie Compressive Yield Strength 860 MPa 450 MPa Współczynnik Poissona Poisson's Ratio 0.33 0.37 Wytrzymałość zmęczeniowa Fatigue Strength 510 MPa 289 MPa Współczynnik sprężystości postaciowej Shear Modulus 44 GPa 45 GPa Buszta Stanisław, Piotr Myśliwiec, Romana Ewa Śliwa, Robert Ostrowski. 2018. Possibilities of using ceramic material for tools to carry out the friction welding process of thin titanium sheets. Obróbka Plastyczna Metali XXIX (3): 253 276.

262 Możliwości wykorzystania materiału ceramicznego na narzędzia do realizacji procesu... Narzędzia użyte do procesu zgrzewania wykonano ze specjalnej ceramiki narzędziowej oraz węglika spiekanego o oznaczeniu CKI 10 firmy Hartmetalle. Wybrane właściwości węglika zawarto w tab. 2. The tools used for the welding process were made of a special tool ceramic and a tungsten carbide designated CKI 10 by Hartmetalle. Selected properties of the carbide are included in Tab. 2. Tab. 2 Właściwości węglika CKI 10 [47] Tab. 2 Properties of CKI 10 carbide [47] ISO K30-K40 WC% 90,0 Co% 10 TiC/Ta (Nb)C % - Density [g/cm3] 14,45 Hardness [HV30] 1610 Bending strength [N/mm2] 3600 Grain size [µm] 0,6 Wybrane właściwości mechaniczne ceramiki zdolnej do pracy w wysokiej temperaturze zawarto w tab. 3. Selected mechanical properties of high-temperature ceramics are included in Tab. 3. Tab. 3 Wybrane właściwości mechaniczne różnych wariantów ceramiki SIALON [wg 48] Tab. 3 Selected mechanical properties of SIALON ceramics [48] Syalon 050 Syalon 101 Syalon 110 Syalon 201 Syalon 501 Jednostki (Units) Skład fazowy Composition α/β- β- β- β-sialon β- - Sialon Sialon Sialon/BN Sialon/TiN Gęstość Density 3.23 3.24 2.65 3.24 4.01 g/cc Porowatość Porosity 0 0 10 0 0 % Wytrzymałość na Modulus of 800 945 500 825 825 MPa zginanie przy 20 C Rapture at 20 C Wytrzymałość na Modulus of 750 700 400 750 - MPa zginanie przy 1000 C Rapture at 1000 C Moduł Weibulla Weibull Modulus 12 15 10 10 11 - Moduł Younga Young s Modulus 290 288 139 290 340 GPa of Elasticity Współczynnik Poisson s Ratio 0.23 0.23 0.19 0.23 0.31 - Poissona Twardość (HRA) Hardness (HRA) 94 92 88 92.7 90.5 - Twardość Vickersa (HV50) Hardness (Vickers HV50) 19.81 (2020) 14.71 (1500) 11.77 (1200) 16.18 (1650) 13.24 (1350) GPa (kg/mm 2 ) Odporność na Fracture 6.5 7.7 3.5 4.5 5.7 MPa*m½ pękanie K1C Współczynnik rozszerzalności cieplnej (0-1200 C) Przewodność cieplna Odporność na szok termiczny Toughness K1C Thermal Expansion Coefficient (0-1200 C) Thermal Conductivity Thermal Shock Resistance 3.2 x 3.0 x 10-6 10-6 3.0 x 10-6 3.0 x 10-6 5.6 x 10-6 K -1 20 28 27 21 19 W/(m*K) 600 900 800 600 400 ΔT C Buszta Stanisław, Piotr Myśliwiec, Romana Ewa Śliwa, Robert Ostrowski. 2018. Możliwości wykorzystania materiału ceramicznego na narzędzia do realizacji procesu zgrzewania tarciowego z przemieszaniem cienkich blach tytanowych. Obróbka Plastyczna Metali XXIX (3): 253 276.

Possibilities of using ceramic material for tools to carry out... 263 Syalon 050 Syalon 101 Syalon 110 Syalon 201 Syalon 501 Jednostki (Units) Skład fazowy Composition α/β- β- β- β-sialon β- - Sialon Sialon Sialon/BN Sialon/TiN Maksymalna temp. Max. Use Temp. 1450 1200 1450 1450 700 C pracy Rezystancja Electrical Resistivity 1012 1012 1012 1012 7.2 x 10-4 Ω * cm Opracowano proces zgrzewania tarciowego z przemieszaniem oraz dokonano analizy efektu uplastycznienia materiałów w obszarze złącza cienkich blach ze stopów tytanu Grade 3 oraz Grade 5. Złącza liniowe wykonano z użyciem próbek blach o wymiarach 100x200 mm łączonych doczołowo. Proces zgrzewania tarciowego z przemieszaniem realizowano na frezarce numerycznej wyposażonej w siłomierz piezoelektryczny z odpowiednim oprzyrządowaniem mocującym pokazanym na rys. 5. The friction welding process was developed and the effect of plasticizing the materials in the area of the joint of thin plates from titanium Grade 3 and Grade 5 alloys was analyzed. Linear butt joints were made using 100x200 mm steel plates. The process of friction stir welding was carried out on a numerical milling machine equipped with a piezoelectric dynamometer with a suitable fastening tool shown in Fig. 5. a b c Rys. 5. Stanowisko do realizacji procesu Makino PS95 a) wrzeciono obrabiarki, b) uchwyt do mocowania próbek, c) płyta siłomierza Fig. 5. Stand for the implementation of FSW method based on Makino PS 95 process a) machine tool spindle, b) sample clamp holder, c) dynamometer plate Narzędzia do realizacji procesu zaprojektowano i wykonano ze specjalnej ceramiki narzędziowej, dostosowując parametry geometryczne Tools for the implementation of the process were designed and made of special tool ceramics adjusting geometrical parameters to the thick- Buszta Stanisław, Piotr Myśliwiec, Romana Ewa Śliwa, Robert Ostrowski. 2018. Possibilities of using ceramic material for tools to carry out the friction welding process of thin titanium sheets. Obróbka Plastyczna Metali XXIX (3): 253 276.

264 Możliwości wykorzystania materiału ceramicznego na narzędzia do realizacji procesu... do grubości zgrzewanych blach wg zależności przedstawionych w literaturze [49 52]: średnica Ø trzpienia: ~0,8 x grubość łączonego materiału + 2,2mm, średnica Ø kołnierza: ~2,2 x grubość materiału łączonego + 7,3mm. Po uwzględnieniu powyższych zależności zaproponowano narzędzia do zgrzewania blach o grubości 0,4 mm o średnicach odpowiednio: dla kołnierza 8,2 mm i 2,6 mm dla trzpienia. Natomiast do zgrzewania blach o grubości 0,8 mm zaproponowano narzędzia z kołnierzem o średnicy 9,1 mm i trzpieniem o średnicy 2,9 mm. Zaprojektowane narzędzia kształtowano na wieloosiowej szlifierce numerycznej z odpowiednio dobranymi parametrami obróbkowymi, w celu uzyskania odpowiedniej dokładności wymiarowo-kształtowej oraz odpowiedniej jakości powierzchni kształtowanych narzędzi, pakietem dwóch ściernic 1A1 D150 T8 D126 C100 BXT oraz 11V9 D100 T35 U10 D54 BMX. Zasadniczym testem jakości narzędzia do realizacji procesu FSW w trudnych warunkach, zwłaszcza w wysokiej temperaturze, jest jakość otrzymanego z jego użyciem złącza, jego skuteczność i stopień ewentualnego zużycia. Zgrzewanie realizowano w atmosferze ochronnej wytworzonej przez argon dostarczany specjalnie skonstruowaną dyszą, pierścieniową. Na rys. 6 pokazano dyszę do atmosfery ochronnej oraz ceramiczne narzędzie użyte do badań. ness of welded sheets according to the dependencies presented in the literature [49 52]: pin diameter : ~0,8 x thickness of welded material + 2,2mm, shoulder diameter: ~2,2 x thickness of welded material + 7,3mm. After taking into account the above relationships, tools for welding sheets of 0.4 mm in thickness were made with the following diameters: for the shoulder of 8.2 mm and 2.6 mm for the pin. For the welding of sheets of 0.8 mm in thickness, were made tools with 9.1 of shoulder mm and a pin with a diameter of 2.9 mm. Tools for FSW were made on a multi-axis numerical grinder with appropriately selected machining parameters, in order to obtain the appropriate dimensional and shape accuracy and appropriate surface quality of shaped tools, a package of two grinding wheels 1A1 D150 T8 D126 C100 BXT and 11V9 D100 T35 U10 D54 BMX. The basic test of the quality of the tool for implementing the FSW process in difficult conditions, especially at high temperature is the quality of the joint obtained with its use, its effectiveness and the degree of possible wear. The FSW welding was carried out in a shielding gases atmosphere created by argon suppliedby a specially constructed nozzle, in Fig. 6 there is shown a nozzle for the shielding gases atmo-sphere and a ceramic tool used for testing. b a Rys. 6. Narzędzie ceramiczne zastosowane w procesie FSW przy zgrzewaniu blach ze stopu tytanu Grade 3 i Grade 5 a) narzędzie ceramiczne, b) dysza pierścieniowa Fig. 6. Ceramic tool used in the FSW process for welding of Grade 3 and Grade 5 titanium alloys a) ceramic tool, b) nozzle Buszta Stanisław, Piotr Myśliwiec, Romana Ewa Śliwa, Robert Ostrowski. 2018. Możliwości wykorzystania materiału ceramicznego na narzędzia do realizacji procesu zgrzewania tarciowego z przemieszaniem cienkich blach tytanowych. Obróbka Plastyczna Metali XXIX (3): 253 276.

Possibilities of using ceramic material for tools to carry out... 265 Oceny jakości otrzymanych złączy dokonano, porównując wyniki badań wytrzymałości próbek wyciętych z materiału rodzimego oraz próbki zgrzein uzyskanych w procesie FSW, w warunkach statycznej próby rozciągania. Wyznaczono stosunek maksymalnej siły zrywającej złącza do materiału rodzimego, który wskazuje na jakość i wytrzymałość wykonanego połączenia. Efekty łączenia doczołowego blach tytanowych Grade 3 oceniono w statycznej próbie rozciągania. Badania wykonano w temperaturze pokojowej na maszynie wytrzymałościowej Zwick/Roell Z100, zgodnie z normą ISO 6892-1:2009. Na wartość parametrów technologicznych zgrzewania ma wpływ rodzaj i grubość blachy materiału łączonego oraz typ złącza. Parametry technologiczne zostały dobrane doświadczalnie tak, aby jakość i wytrzymałość zgrzein była jak największa. Na rys. 7 przedstawiono zgrzeinę liniową wykonaną technologią FSW stopu tytanu Grade 3 o grubości 0,4 mm. Na podstawie wizualnej oceny powierzchni otrzymanej zgrzeiny można stwierdzić, że złącze jest jednorodne i wolne od wad, zarówno od strony lica, jak i grani. Do wykonania zgrzeiny użyto narzędzia wykonanego ze specjalnej ceramiki narzędziowej. Parametry technologiczne procesu zgrzewania zostały dobrane doświadczalnie i oscylowały w granicach: prędkość zgrzewania od 90 do 110 mm/min, obroty narzędzia od 3500 do 5500 obr/min, a czas zapoczątkowania procesu uplastycznienia łączonego materiału (dwell time) wynosił 20 s. Proces zgrzewania realizowano w osłonie argonu. Evaluation of the quality of the joints was carry out by comparing the results of FSW joint strength to parent material based of static tensile test. The ratio of the maximum breaking force of the obtained FSW joints to the parent material was determined. Such a comparison indicates the quality and strength of the FSW joints. The quality of FSW joints Grade 3 titanium sheets was evaluated in a static tensile test. The tests were carried out at room temperature on a Zwick/Roell Z100 testing machine in accordance with ISO 6892-1: 2009. The technological parameters of FSW welding are influenced by the type and thickness of the sheet metal of the combined material and the type of joint. Technological parameters have been selected experimentally so that the quality and strength of the welds is as large as possible. Fig. 7 shows a linear weld made of FSW titanium Grade 3 of 0.4 mm in thickness. On the basis of a visual assessment of the surface of the weld obtained, it can be concluded that the joint is homogeneous and defects free both on the faces and the ridge sides. A ceramic tool was used to make the weld. The technological parameters of the welding process were selected experimentally and fluctuated within the limits of: welding speedfrom 90 to 110 mm / min, tool rotations from 4200 to 5500 rpm The dwell time was 20 s. Weld-ing process was carried out in argon shield. a) Buszta Stanisław, Piotr Myśliwiec, Romana Ewa Śliwa, Robert Ostrowski. 2018. Possibilities of using ceramic material for tools to carry out the friction welding process of thin titanium sheets. Obróbka Plastyczna Metali XXIX (3): 253 276.

266 Możliwości wykorzystania materiału ceramicznego na narzędzia do realizacji procesu... b) Rys. 7. Widok złącza FSW z blach tytanu Grade 3 o grubości 0,4 mm a) lico, b) grań Fig. 7. FSW joint of Grade 3 titanium sheets of 0.4 mm in thickness a) face, b) ridge Na rys. 8 przedstawiono wykres rozciąga-nia dla materiału rodzimego oraz złącza FSW stopu tytanu Grade 3 o grubości 0,4 mm. Wytrzymałość na rozciąganie stopu tytanu Grade 3 w temperaturze pokojowej wynosi ok. 600 MPa, natomiast otrzymanej zgrzeiny FSW ok. 505 MPa, co daje efektywność połączenia na poziomie 84%. Fig. 8 shows the tensile test diagram for the parent material and the FSW joint of Grade 3 titanium alloy of 0.4 mm in thickness. The tensile strength of Grade 3 titanium alloy at room temperature is about 600 MPa, while the obtained FSW weld approx. 505 MPa, which gives a joint efficiency of 84%. Rys. 8. Wykresy rozciągania materiału rodzimego oraz złącza otrzymanego w procesie FSW tytanu, stopu Grade 3 o grubości 0,4 mm; warunki procesu: prędkość zgrzewania 100 mm/min, obroty narzędzia od 4000 obr/min, atmosfera ochronna argonu Fig. 8. Graphs of tensile strength of parent material and joints of titanium Grade 3 of 0.4 mm in thickness, obtained in the FSW process Głównymi parametrami procesu wpływającymi na jakość połączenia FSW są: posuw, obroty i pochylenie narzędzia; warunki pracy wpływają na poziom sił w procesie. Przykładowe wyniki pomiarów siły osiowej i promieniowej pokazano na rys. 9. The main process parameters affecting the quality of the FSW connection are: feed (welding speed), rotational speed and tool tilt angle. Working conditions affect the level of forces in the process. Sample results of axial and radial force measurements are shown in Fig. 9. Buszta Stanisław, Piotr Myśliwiec, Romana Ewa Śliwa, Robert Ostrowski. 2018. Możliwości wykorzystania materiału ceramicznego na narzędzia do realizacji procesu zgrzewania tarciowego z przemieszaniem cienkich blach tytanowych. Obróbka Plastyczna Metali XXIX (3): 253 276.

Possibilities of using ceramic material for tools to carry out... 267 Rys. 9. Przebieg siły osiowej Z i siły promieniowej w osi X i Y w czasie procesu łączenia blach ze stopu tytanu Grade 3 o grubości 0,4 mm metodą FSW Fig. 9. Graph of axial force Z and radial force the X and Y axes during the process of joining of sheets made of Grade 3 titanium alloy of 0.4 mm in thickness using the FSW method Zarejestrowany przebieg siły jest charakterystyczny dla przebiegu sił procesu FSW. Na początku następuje duży wzrost wartości sił podczas zagłębiania się narzędzia w łączony materiał, następnie siły maleją, gdyż obracające się wokół własnej osi narzędzie pozostaje w materiale łączonym przez określony czas w celu jego nagrzania do odpowiedniej temperatury, aby mogło wystąpić uplastycznienie materiału w strefie złącza. W kolejnym kroku narzędzie zaczyna się przemieszczać wzdłuż linii styku łączonych blach. Na tym etapie następuje zgrzewanie materiału z jednoczesną stabilizacją wartości mierzonych sił. Przykładowe efekty łączenia doczołowego blach tytanowych Grade 5 pokazano na rys. 10, gdzie przedstawiono zgrzeinę liniową wykonaną technologią FSW stopu tytanu Grade 5 o grubości 0,8 mm. Na podstawie wizualnej oceny powierzchni otrzymanej zgrzeiny można stwierdzić, że złącze jest jednorodne i wolne od wad od strony lica oraz grani. Jakość zgrzeiny oceniano również na podstawie analizy mikrostruktury strefy złącza, badań wytrzymałości oraz mikrotwardości w strefie złącza i materiale rodzimym. Do wykonania zgrzeiny również użyto narzędzia wykonanego ze specjalnej ceramiki narzędziowej. Parametry technologiczne procesu zgrzewania, tak samo jak w poprzednim przypadku, zostały dobrane doświadczalnie i oscy- The recorded graph of force is characteristic for FSW process. At the beginning there is a large increase in the value of forces when the tool is plunging into the joined material. Then, the forces decrease as the rotating tool stays in the material being joined for a certain time in order to heat it up to a suitable temperature so that the plasticizing of the material can occur. In the next step, the tool begins to move along the contact line of the joined plates. At this stage, the material is welded and the forces values are stabilized.on this basis, we are able to determine the homogeneity of the joint obtained in the FSW process. Selected results of butt joint of Grade 5 titanium plates of 0.8 mm in thickness are shown in Fig. 10. On the basis of a visual assessment of the surface of the weld, it can be concluded that the joint is homogeneous and defects free. The quality of the weld was also evaluated based on the analysis of the joint zone microstructure, strength tests and microhardness in the joint zone and the parent material. FSW joints were made with a ceramic tool. The technological parameters of the welding process were selected experimentally and fluctuated within the limits of: welding speed from 90 to 110 Buszta Stanisław, Piotr Myśliwiec, Romana Ewa Śliwa, Robert Ostrowski. 2018. Possibilities of using ceramic material for tools to carry out the friction welding process of thin titanium sheets. Obróbka Plastyczna Metali XXIX (3): 253 276.

268 Możliwości wykorzystania materiału ceramicznego na narzędzia do realizacji procesu... lowały w granicach: prędkość zgrzewania od 90 do 110 mm/min, obroty narzędzia od 1500 do 2500 obr/min, a czas zapoczątkowania procesu uplastycznienia łączonego materiału (dwell time) wynosił 20 s. Proces zgrzewania realizowano w atmosferze powietrza. mm/min, tool revolutions from 1500 to 2500 rpm and the dwell time was 20 s. Welding process was carried out in argon shield. a) b) Rys. 10. Złącze FSW blach tytanu Grade 5 o grubości 0,8 mm a) lico, b) grań Fig. 10. FSW joint of Grade 5 titanium sheets of 0.8 mm in thickness a) face, b) ridge Efektywność złącza oceniano na podstawie wyników badań wytrzymałości złącza w stosunku do wytrzymałości materiału rodzimego. Na rys. 11 przedstawiono wykres rozciągania dla materiału rodzimego oraz złącza FSW stopu tytanu Grade 5 o grubości 0,8 mm. The effectiveness of the joint was evaluated on the basis of the joint tensile strength test results in relation to the parent material. Fig. 11 shows the tensile stench test diagram for the parent material and FSW joints of Grade 5 titanium alloy of 0.8 mm in thickness. Rys. 11. Wykres rozciągania materiału rodzimego oraz złącza otrzymanego w procesie FSW tytanu stopu Grade 5 o grubości 0,8 mm Fig. 11. Graphs of tensile strength of parent material and joints of titanium Grade 5 of 0.8 mm in thickness, obtained in the FSW process Buszta Stanisław, Piotr Myśliwiec, Romana Ewa Śliwa, Robert Ostrowski. 2018. Możliwości wykorzystania materiału ceramicznego na narzędzia do realizacji procesu zgrzewania tarciowego z przemieszaniem cienkich blach tytanowych. Obróbka Plastyczna Metali XXIX (3): 253 276.

Possibilities of using ceramic material for tools to carry out... 269 Wytrzymałość na rozciąganie stopu tytanu Grade 5 w temperaturze pokojowej wynosi ok. 1000 MPa, natomiast otrzymanej zgrzeiny FSW ok. 870 MPa, co daje efektywność połączenia na poziomie 87%. Na rys. 12 przedstawiono wykres pomiaru mikrotwardości złącza wykonanego technologią FSW oraz materiału rodzimego. Na wykresie wyraźnie widać, że obszar centralny zgrzeiny posiada większą twardość w stosunku do materiału rodzimego. The tensile strength of Grade 5 titanium alloy at room temperature is approx. 1000 MPa, while the obtained FSW weld approx. 870 MPa, which gives a joint efficiency of 87%. Fig. 12 shows a graph of the micro-hardness measurement of the FSW joint and in the parent material. The graph clearly shows that the central area of the weld has a greater hardness compared to the parent material. 4 0 0 T w a r d ość, H V 0.3 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0-10 -8-6 -4-2 0 2 4 6 8 1 0 O d c in ek po m iar o w y, m m Rys. 12. Wykres pomiaru mikrotwardości w złączu i materiale rodzimym stopu tytanu Grade 5 Rys. 12. Wykres pomiaru mikrotwardości w złączu i materiale rodzimym stopu tytanu Grade 5 Potwierdzają to wyniki badań próbek złączy w statycznej próbie rozciągania, gdyż zerwanie materiału następowało po stronie spływu (rys. 13), w strefie wpływu ciepła. This is confirmed by the results of the FSW joint tensile strength tests because the materials rupture occurred on the retreating side (Fig. 13), in the heat affected zone. a) b) Rys. 13.Widoki próbek po wykonaniu badań wytrzymałościowych; w wszystkich próbkach zerwanie nastąpiło po stronie spływu a) stop tytanu Grade 3, b) stop tytanu Grade 5 Fig. 13. Visible specimens after strength tests; in all specimens the rupture occurred on the retreating side a) Grade 3 titanium alloy, b) Grade 5 titanium alloy Buszta Stanisław, Piotr Myśliwiec, Romana Ewa Śliwa, Robert Ostrowski. 2018. Possibilities of using ceramic material for tools to carry out the friction welding process of thin titanium sheets. Obróbka Plastyczna Metali XXIX (3): 253 276.

270 Możliwości wykorzystania materiału ceramicznego na narzędzia do realizacji procesu... Istotnym elementem w doborze rodzaju materiału narzędzia są wyniki badań zużycia narzędzia. Badaniu poddano narzędzia użyte do łączenia blach ze stopów tytanu Grade 3 i Grade 5 metodą FSW. Ocenie poddano narzędzie wykonane z węglika wolframu oraz ceramiki pokazane na rys. 14. An important element in choosing the type of tool material are the results of the tool wear tests. The tools for joining the titanium Grade 3 and Grade 5 plates with FSW method were tested. Evaluated tool made of tungsten carbide and ceramic shown in Fig. 14. a) b) c) Rys. 14. Widok narzędzia po wykonaniu 200 mm zgrzeiny w procesie FSW blachy o grubości 0,8 mm ze stopu tytanu Grade 5: a) narzędzie z węglika wolframu, b) narzędzie ceramiczne, c) gorące narzędzie ceramiczne bezpośrednio po wykonaniu zgrzeiny Fig. 14. Tool after FSW process a) tungsten carbide tool, b) ceramic tool, c) hot ceramic tool just after the process Wykazano, że narzędzie wykonane z węglika wolframu uległo widocznemu zużyciu po wykonaniu już 200 mm zgrzeiny, podczas gdy minimalny, śladowy efekt zużycia narzędzia ceramicznego zaobserwowano po wykonaniu ponad 1000 mm zgrzeiny. It was shown that the FSW tool made of tungsten carbide shown visibly wear after making a 200 mm long weld. For comparison of the wear of the ceramic tool was observed after making 1000 mm long weld. 3. WNIOSKI KOŃCOWE Wykonane badania eksperymentalne pozwalają na stwierdzenie, że: metoda FSW pozwala na wykonanie trwałego, wolnego od wad połączenia cienkich blach ze stopów tytanu Grade 3 i Grade 5; efektywność łączenia blach ze stopów tytanu Grade 3 i Grade 5 mierzona na podstawie statycznej próby rozciągania wynosiła 85% w porównaniu do wytrzymałości materiału rodzimego; 3. CONCLUSIONS After the experimental tests, it was found: the FSW method allows to make a durable, defect-free joints of thin sheets of Grade 3 and Grade 5 titanium alloys; the efficiency of joining plates from Grade 3 and Grade 5 titanium alloys, measured on the basis of a static tensile test, was 85% compared to the strength of the parent material; Buszta Stanisław, Piotr Myśliwiec, Romana Ewa Śliwa, Robert Ostrowski. 2018. Możliwości wykorzystania materiału ceramicznego na narzędzia do realizacji procesu zgrzewania tarciowego z przemieszaniem cienkich blach tytanowych. Obróbka Plastyczna Metali XXIX (3): 253 276.