16 października 2021

Metastabilne stopy β wydzielają fazę α i związki międzymetaliczne, dlatego ich podatność na starzenie jest bardzo wysoka. Dzięki odpowiedniej obróbce cieplnej można uzyskiwać materiały o wysokiej wytrzymałości, bliskiej 1000 MPa. Tak jak w przypadku stopów α+β w wyniku obróbki cieplnej następuje kruchość materiału, ale zazwyczaj obrabialność na zimno i spawalność jest dobra. Przykładem takiego stopu jest Ti-3Al-15V-11Cr. Ponadto tytan z takimi pierwiastkami jak Fe, Ni czy Cr tworzy bardzo kruche związki międzymetalicznie i spawanie z tymi substancjami jest praktycznie niemożliwe.

Stopy dwufazowe α+β
Stopy te stanowią najliczniejszą stosowaną grupę stopów konstrukcyjnych tytanu. Dwufazową strukturę uzyskuje się przez odpowiednią ilość pierwiastków stabilizujących fazę β (Mo, V, Ta, Nb, Fe, Mn, Co, Cu, Cr) oraz aluminium rozpuszczające się dobrze zarówno w Ti-α, jak i w Ti-β. Typowe przemiany fazowe stopów α+β przedstawiono na rysunku 4.

tytan z pierwiastkami stabilizujacymi alfa beta s
Rys. 4    Typowe wykresy przemian fazowych tytanu z pierwiastkami stabilizującymi fazę a+b (2)

Stopy α+β mają podobne do stali właściwości dotyczące obróbki termicznej. Jeżeli przeprowadzimy hartowanie z obszaru β, to na skutek przemiany martenzytycznej następuje utwardzenie, a plastyczność spada. Przemiana zachodzi w zakresie temperatur, ale zakres ten obniża się wraz z większą zawartością składników stopowych.
Powstały martenzyt jest przesyconym roztworem stałym pierwiastków w Ti-α i oznacza się go α’ (budowa iglasta). Ma strukturę krystaliczną heksagonalną.
Jeżeli odpuścimy pozostającą fazę β, to w wyniku wydzielania się α bądź związków międzymetalicznych (faza g) uzyskamy stopy wysokiej jakości, w wyniku następującego w nim utwardzenia wydzieleniowego. Jednakże w niektórych stopach może zachodzić w wyniku tego procesu faza przejściowa ω (zwłaszcza z Cr, Mn, Zr, Nb) i istnieje ryzyko, że wraz z bardzo dużym utwardzeniem pojawi się kruchość.
Typowym stopem α+β jest Ti-6Al-4V. Wykazuje on dobrą równowagę między obrabialnością cieplną, obrabialnością mechaniczną oraz spawalnością. W porównaniu ze stalą ma dwa razy wyższy współczynnik wytrzymałości (granica plastyczności/gęstość), a także bardzo dobrą odporność na korozję i jest wykorzystywany jako materiał do budowy elementów łodzi głębinowych, łodzi badawczych oraz samolotów.
Jeżeli chodzi o wykresy przemian fazowych to poza wymienionymi tutaj istnieje również typ ciągłego roztworu stałego α+β, ale ogranicza się on tylko do Zr i Hf, które mają dokładnie takie same własności dotyczące przemian jak tytan.
Stopy α+β mają tę zaletę, że za pomocą obróbki cieplnej i odpowiedniej ilości pierwiastków stopowych można uzyskać stop o potrzebnej wytrzymałości, ale zazwyczaj są bardziej niestabilne termicznie i mają gorszą spawalność. Typowym przykładem takiego stopu jest wspomniany Ti-6Al-4V.

Spawanie tytanu i jego stopów
W trakcie spawania tytanu należy odpowiednio osłonić jeziorko przed powietrzem, aby zapobiec dostawaniu się zanieczyszczeń z powietrza. W tym celu stosuje się przednią dyszę (osłona prowadząca) i tylną dyszę (osłona wspomagająca), które zapobiegają wtrąceniom z powietrza do stref podgrzanych do wysokiej temperatury. Rysunek 5 przedstawia schemat i przykład urządzenia z tylną dyszą. Spoinę należy odpowiednio osłaniać, dopóki nie schłodzi się jej do ok. 500 °C.

urzadzenie tig tytan
Rys. 5    Budowa typowego urządzenia do spawania TIG stopów tytanu. Obok zdjęcie dodatkowej dyszy do tylnej osłony nagrzanej spoiny (1).

Poziom zanieczyszczenia powietrzem możemy wyznaczyć na podstawie koloru spoiny. Przy utrzymywaniu wysokiej temperatury podgrzewania kolory zmieniają się w czasie w następującej kolejności (od niskiej temperatury do wysokiej): srebrny, złoty, fioletowy, niebieski, jasnoniebieski, szary, biały, żółtobiały.
Jeżeli powierzchnia będzie miała kolor jasnoniebieski, szary lub biały, to metal spoiny również straci połysk i będzie to wskazywało na to, że w spoinie nastąpiło utwardzenie i wzrost kruchości. Według japońskiej normy dotyczącej kontroli technologii WES 8104 spoina do koloru niebieskiego jest dopuszczana.
Jeżeli osłona gazowa jest niedostateczna w przypadku spawania spoin sczepnych, to metal spoiny tych złączy ulega utwardzeniu i wzrostowi kruchości, dlatego nawet jeśli kolor powierzchni spoiny właściwej jest dobry, to może to spowodować problemy z samym złączem. Należy stosować odpowiednią osłonę już w trakcie spawania spoin sczepnych. Największym problemem przy spawaniu tytanu oraz stopów tytanu jest występowanie pęcherzyków oraz kruchości zanieczyszczeniowej wywołanej powietrzem.
Podczas spawania tytanu łatwo powstają małe pęcherzyki. Jeżeli wystąpią, to nawet po ponownym przetopieniu ich usunięcie jest trudne. Dlatego najważniejsze jest niedopuszczenie do ich powstania Przyczynami powstawania pęcherzyków są wtrącenia gazów nieoczyszczonych, zanieczyszczenia znajdujące się w materiale dodatkowym lub na powierzchni rowka i dlatego do zapobiegania pęcherzykom, należy odpowiednio dobrać parametry spawania oraz oczyścić powierzchnię spawania i materiały dodatkowe.
Jeśli chodzi o gazy osłonowe, to nie ma problemu z uży­waniem argonu klasy 4.5 (99,99%), ale przy spawaniu rur nie można dopuścić do zanieczyszczeń oraz wycieków wewnątrz rury. Tytan i stopy tytanu w wysokiej temperaturze bardzo łatwo i silnie reagują z pierwiastkami znajdującymi się w powietrzu, takimi jak tlen, azot i wodór. Jeżeli wystąpią wtrącenia tych pierwiastków, to spadnie udarność oraz plastyczność. W celu zapobiegania zanieczyszczeniom z powietrza części nagrzewane do wysokich temperatur oraz części roztopione należy osłaniać nieaktywnymi gazami. Trzeba jednak pamiętać, że w takim przypadku istnieje również niebezpieczeństwo zanieczyszczenia spoiny poprzez nieczystości znajdujące się w gazie lub wtrącenia powietrza. Rysunek 6 przedsta­wia zależność własności mechanicznych od twardości spoiny.

Zaleznosc wlasnosci mechanicznych od twardosci metalu spoiny
Rys. 6    Zależność własności mechanicznych od twardości metalu spoiny (1)

Jeżeli w spoinie z czystego tytanu wzrośnie zawartość azotu i tlenu, to wzrośnie również prawdopodobieństwo wystąpienia kruchości związanej z utwardzeniem. Materiały dodatkowe do tytanu omówione są w normie JIS Z 3331. Tytan najczęściej spawany jest metodą TIG, ale wykorzystuje się również spawanie wiązką elektronów w próżni.
Na rysunku 7 pokazano technologię spawania w namiocie wypełnionym argonem wymiennika ciepła z tytanu 51 acc. To ISO/TR 15608 ASTM B348 Gr. 2.

Parametry spawania tytanowego wymiennika ciepla
Rys. 7    Parametry spawania tytanowego wymiennika ciepła

Spawanie przeprowadzono w szczelnej komorze wypełnionej argonem o czystości 5.0. Zmierzona zawartość tlenu w komorze – max 0,02%. Podczas spawania obserwowano powstawanie barw nalotowych. Dopuszczalna była barwa słomkowa.

Ryszard Jastrzębski
Instytut Łączenia Metali w Krakowie

dr inż. Krzysztof Emerla
Elektrokontel Kraków

Paweł Szpyt
FAMI Bychawa

Paweł Szczepański
Mostostal Zabrze Realizacje Przemysłowe
oddział Czechowice

Mariusz Jaworski
Spaw Serwis Grabie k. Wieliczki

Janusz Zieliński
Protec Kraków

Autorzy dziękują Sławomirowi Kwiecieniowi z firmy Halmont i Krzysztofowi Jaskólskiemu z firmy Just-Mar za cenne uwagi.

Literatura:
H. Suzuki, H. Tamura: „Metalurgia spawania (Spawalnictwo - nauka o spawaniu)”, Wydawnictwo Sanpō 1978, Japonia
Japan Welding Society: 溶接学会偏 溶接接合技術特論 新版 – metody spawania oraz urządzenia spawalnicze, japoński podręcznik międzynarodowego inżyniera spawalnictwa IIW, Wydawnictwo Sanpō, 2008, Japonia
M. Tokarski: „Metaloznawstwo metali i stopów nieżelaznych”, Wyd. Śląsk 1985
S. Prowans: „Metaloznawstwo”, PWN 1988
PN-EN ISO 9606-5:2002 - Egzaminowanie spawaczy. Część 5: Tytan i stopy tytanu, cyrkon i stopy cyrkonu

 

artykuł pochodzi z wydania 7/8 (106/107) lipiec-sierpień 2016