Stopy tytanu
Transkrypt
Stopy tytanu
Stopy tytanu Stopy tytanu i niklu 1 Tytan i jego stopy liczba at. struktura kryst. ρ, kg⋅⋅m-3 Tt, °C α, 10-6⋅K-1 λ, W·m-1·K-1 µ, nΩ Ω·m E, GPa Rm, MPa R0,2, MPa A, % Stopy tytanu i niklu Al Ti Cu Ni 13 A1 2700 660 18 247 28,2 78 45 10 50 22 αA3/βA2 4500 1668 8,4 11,4 420 115(α) 235 140 54 29 A1 8930 1085 26 398 16,7 125 209 33 60 28 A1 8900 1453 13,3 82,9 68,4 207 317 59 30 2 Stopy tytanu ⇒ temperatura przemiany Tiα↔Tiβ – 882,5°C Tiα Tiβ (900°C) c/a = 1,587 Stopy tytanu i niklu 3 Stopy tytanu ⇒ podstawowe właściwości tytanu i jego stopów decydujące o ich zastosowaniu to: → duŜa wytrzymałość względna, → duŜa odporność na korozję; Wytrzymałość względna ⇒ metaliczny tytan jest drogi ze względu na duŜe zuŜycie energii i surowców w procesie otrzymywania; Stopy tytanu Stopy niklu Stopy aluminium Stal Temperatura Stopy tytanu i niklu 4 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 β-izomorficzne β-eutektoidalne temperatura stabilizatory α zawartość pierwiastka stopowego Stopy tytanu i niklu 5 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 α2 (Ti3Al) utrudniającej lub uniemoŜliwiającej przeróbkę plastyczną; ⇒ faza β: → roztwór stały międzywęzłowy (H) lub róŜnowęzłowy dodatków stopowych w tytanie β Stopy tytanu i niklu 6 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 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 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 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 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 Mikrostruktura stopów tytanu stop Ti-6Al-4V równoosiowa (globularna) płytkowa powstaje w wyniku rekrystalizacji powstaje w wyniku chłodzenia z temperatury stabilności fazy β Stopy tytanu i niklu 12 Mikrostruktura stopów tytanu stop Ti-6Al-4V równoosiowa (globularna) płytkowa wytrzymałość ciągliwość odporność na pękanie inicjacja pęknięcia zmęcz. propagacja pęknięcia zmęcz. odporność na pełzanie odporność na utlenianie Stopy tytanu i niklu 13 Mikrostruktura stopów tytanu bi-modalna Stopy tytanu i niklu 14 Mikrostruktura stopów tytanu stop Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 1°C/min Stopy tytanu i niklu 100°C/min 8000°C/min 15 Zastosowanie stopów tytanu ⇒ przemysł lotniczy, → silniki → płatowce → przemysł Stopy tytanu i niklu EUR USA JAP 37% 33% 30% 42% 38% 20% 90% 16 Zastosowanie stopów tytanu ⇒ górne dźwigary skrzydeł – Boeing 787 Stopy tytanu i niklu 17 Zastosowanie stopów tytanu ⇒ podzespół podwozia samolotu Boeing 777 (element poziomy ze stopu Ti-10-2-3 – największy z wykonywanych dotychczas metodą kucia ze stopu typu β) Ti-10V-2Fe-3Al Stopy tytanu i niklu 18 Zastosowanie stopów tytanu 1% 4% 1% 2% 6% 13% ⇒ płatowiec 18% B747 7% A340 8% 65% 81% 4,5% ⇒ silnik turbinowy 5,5% Aluminium Nikiel 36% 39% 15% Stal Tytan Kompozyty Inne Stopy tytanu i niklu 19 Zastosowanie stopów tytanu ⇒ Lockheed SR-71 Blackbird – 93% masy płatowca (gł. stop B120VCA – Ti-13V-11Cr-3Al) Stopy tytanu i niklu 20 Zastosowanie stopów tytanu ⇒ przemysł chemiczny – głównie tytan techniczny, który stanowi 20-30% produkowanych stopów tytanu; Rm ≈ 240-740 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 Zastosowanie stopów tytanu ⇒ sport i rekreacja, ⇒ architektura – np. muzeum Guggenheima w Bilbao; Stopy tytanu i niklu 23 Fazy międzymetaliczne TiAl γ układ tetragonalny a=0,4005nm c=0,4070nm Stopy tytanu i niklu Ti3Al α2 układ heksagonalny a=0,5782nm c=0,4629nm 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 Stopy na osnowie faz międzymetalicznych Ti-48Al-2Cr Stopy tytanu i niklu 26 Stopy na osnowie faz międzymetalicznych Stopy tytanu i niklu 27 Stopy na osnowie faz międzymetalicznych Odlewane łopatki turbiny niskiego ciśnienia (Boeing 747) (GE Aircraft Engines) Stopy tytanu i niklu 28 Stop tytanu + włókna SiC włókno osnowa Stopy tytanu i niklu 29 Stop tytanu + włókna SiC blisk – bladed disk Stopy tytanu i niklu bling – bladed ring 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 Rm = 2400MPa. Stopy tytanu i niklu 31