16 października 2021

Układy trójskładnikowe stopów tytanu
W stopach tytanu pierwiastki stopowe występują wraz z glinem (wykres tytan-glin odpowiada wykresowi żelazo-węgiel w stali). Na rysunku 6 przedstawiono równowagowe układy potrójne trzech stopów tytanu z aluminium i innymi pierwiastkami (Ti-Al-Fe, Ti-Al-Mo, Ti-Al-V) w temperaturze 1000 °C.

Ti Al Fe 1000
Rys. 6    Układy trójskładnikowe stopów tytanu w temp. 1000°C, a)Ti-Al-Fe, b)Ti-Al-Mo, c)Ti-Al-V

W układach potrójnych, zamiast linii likwidusu i solidusu, występują powierzchnie likwidusu i solidusu, a zamiast poziomej linii eutektycznej – płaszczyzna eutektyczna odpowiadająca potrójnej eutektyce, której temperatura topnienia jest niższa od każdej z trzech eutektyk dwuskładnikowych. Na wykresie potrójnym wierzchołki trójkąta oznaczają czyste składniki (np. Ti, Al, Fe). Na bokach trójkąta odniesione są układy dwuskładnikowe (Ti-Fe, Fe-Al, Al-Ti). Mieszaniny trójskładnikowe, tzn. zawierające wszystkie składniki, leżą wewnątrz trójkąta. Punkty leżące na prostej równoległej do któregokolwiek boku trójkąta, oznaczają taki sam udział tego składnika, którego 100% reprezentuje przeciwległy wierzchołek trójkąta. Składniki układów potrójnych mogą parami tworzyć rozmaite struktury fazowe – ilość możliwych typów układów jest bardzo duża. Wykresy tworzy się warstwowo dla poszczególnych temperatur – są to przekroje izotermiczne.
W układzie potrójnym Ti-Al-Fe (Rys. 6a) w temperaturze 1000 °C mamy zobrazowane tworzenie się wielu kompleksowych faz międzymetalicznych w całym obszarze. Te które nas najbardziej interesują leżą wzdłuż boku trójkąta Ti-Al, przy niewielkich zawartościach żelaza. Najpowszechniejsze tego typu stopy (z dodatkiem innych pierwiastków) zawierają do 5% Fe. W obszarze wierzchołka Ti (tzn. przy niewielkich zawartościach Al i Fe) są to głównie stopy beta.
W układzie potrójnym Ti-Al-Mo (Rys. 6b) w temp. 1000 °C mamy duże obszary występowania faz beta (pierwotnych i wtórnych) w kierunku dużych zawartości Mo. W stopach tych zawartość molibdenu sięga 8%, a przeważnie jest to 2-3% stąd też należy się spodziewać struktury alfa+beta.
Podobna sytuacja występuje na wykresie Ti-Al-V (Rys. 6c) w temp. 1000 °C. Stopy przy większych zawartościach wanadu (8-13% V) będą miały strukturę beta, przy mniejszych 1-4% V, przy jednoczesnych 3-7% Al – strukturę alfa+beta.

Układy Ti-Al-O oraz Ti-Al-N
W układach potrójnych Ti-Al-N (Rys. 7a) oraz Ti-Al-O (Rys. 7b) udziały tych gazów sięgają 1%, a głównym efektem, jaki powodują jest wzrost twardości stopu. Zarówno azot, jak i tlen poszerzają obszar dwufazowy alfa+beta, przy czym wpływ azotu jest większy niż tlenu. Jednakże w przypadku szybkiego schłodzenia wodą faza beta się nie zachowa, ale przemieni w iglastą strukturę alfa prim – stąd wzrost własności mechanicznych [2].

Ti N Al 900
Rys. 7 Wykresy trójskładnikowe stopów tytanu i aluminium z azotem (a) -900 °C, tlenem (b) -900 °C i węglem (c) -1300 °C

 

Układ Ti-Al-C
Stopy tytanu Ti-Al z węglem bada się laboratoryjnie najczęściej do zawartości ok. 30% C, jednakże w praktyce przemysłowej zawartość ta nie przekracza 1%, przy ok. 10% Al. Na wykresie potrójnym Ti-Al-C w temperaturze 1300 °C (Rys. 7c) zaznaczone mamy pojawienie się złożonych faz (węglików) typu Ti-3Al-C2, Ti-2Al-C, Ti-3Al-C. Interesujący nas obszar przy wierzchołku trójkąta Ti jest dwufazowy – alfa+TiC. Większa zawartość aluminium daje większą rozpuszczalność węgla w fazie alfa, a przede wszystkim ten pierwiastek jest tu odpowiedzialny za wysoką wytrzymałość (twardość) stopu [2].
Na rysunku 7 przedstawiono wykres Ti-Al-Ni  wykres Ti-Al-O. Faza alfa przekształca się na fazę alfa prim podczas chłodzenia wodą. Twardość stopów trójskładnikowych zwiększa się przez dodanie tlenu lub azotu.
Wykres przemian fazowych Ti-Al jest nie do końca przebadany, zwłaszcza powyżej 50% zawartości glinu. Nowe stopy z Ti-Al dają coraz większe możliwości. Na wykresie przemian fazowych Ti-Al występują glinki tytanu Ti-3Al w postaci fazy alfa2, linki tytanu Ti-Al i w postaci fazy gamma i glinki Ti-Al2 (Rys. 8).

8
Rys. 8    Wykres przemian fazowych Ti-Al (5)

Stopy te są odporne na działanie tlenu i można je spawać bez stosowania namiotów wypełnionych argonem (4).

Spawanie stopów tytanu metodą MIG
Metoda spawania MIG dla połączeń stopów tytanu jest używana raczej w mniejszym stopniu niż spawanie TIG. Metoda jest szczególnie użyteczna w spawaniu grubszych części (blach) tytanowych. Jest bardzo ekonomiczna dla tego typu prac ze względu na wysoką jakość złącza. Jednakże MIG może być prawie tak samo dobrze stosowany do cieńszych przekrojów. Głównie spawa się w pozycji podolnej, chociaż, jeżeli wymaga tego sytuacja, można spawać w innych pozycjach. Przed spawaniem, niezależnie od pozycji, trzeba się upewnić, że jest dostarczany odpowiedni gaz ochronny. Przy czym zapewnienie dobrej osłony gazowej sprawia pewne trudności przy spawaniu w pozycji innej niż podolna. Metoda spawania MIG stosowana jest do czystego tytanu oraz ograniczonej liczby jego stopów, np.:
– technicznie czysty Ti
– Ti-5Al-2,5Sn (stop alfa)
– Ti-3Al-13V-11Cr (stop beta)
– Ti-4Al-4V to stop alfa+beta spawany drutem z czystego tytanu
– Ti-6Al-4V  to stop alfa+beta spawany drutem z czystego Ti oraz Ti-6Al-4V
– Ti-7Al-2Cb-1Ta to stop spawany drutem o podobnej lub niższej zawartości Al.
Bardzo istotnym elementem w spawaniu MIG jest drut spawalniczy.
Należy stosować druty wyżarzane w próżni. Po przerwaniu spawania zagazowane krople na końcu drutu należy obcinać.
Powszechnie używane są druty z technicznego tytanu i stopów Ti odpowiadających materiałom łączonym. Drut dostarcza się z kręgów, bowiem inne metody podawania są tu niepraktyczne. Wymagania jakościowe dla drutu są wyższe niż w metodzie TIG. Przykładowo, bardzo dobre rezultaty spawania MIG otrzymuje się na wyżarzonych blachach z Ti-6Al-4V o grubości 50 mm, z użyciem drutu z tego samego materiału lub z technicznego tytanu. Wytworzenie złącza przy pomocy niestopowego spoiwa jest osiągalne bez trudu, jednakże dla spoiwa stopowego zaleca się wstępne podgrzanie do 80 °C.

dr inż. Krzysztof Emerla
Elektrokontel

Michał Kleban
Instytut Łączenia Metali

Ryszard Jastrzębski, Adam Wiora
SKM Sp. z o.o.

prof. dr inż. Zbigniew Prusak
Central Connecticut State University

Literatura
1. R. Jastrzębski, K. Emerla, P. Szpyt, P. Szczepański, M. Jaworski, J. Zieliński: Spawalność tytanu i jego stopów, część 1, Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie, lipiec-sierpień 2016, str. 16-22
2. H. D. Kessler, W.Rostoker, R. J. Van Thyne: Titanium phase diagrams, Armour Reserch, Foundation Illinois Institute Of Technology, 1953
3. T. Ahmed, H. J. Rack: Phase transformations during cooling in α+β titanium alloys, Materials Science and Engineering, 243 (1998), str. 206–211
4. E. Ranatowski: Weldability of titanium and alloys – progres in join, Materials Science Vol 8, No 2 (16), 2008, str. 69-76
5. D. Batalu, G. Cosmeleata, A. Aloman: Critical Analysis of the Ti-Al phase diagrams, U.P.B. Sci. Bull., Series B, Vol. 68, No. 4, 2006
5. G. Eiffenberg, S. Ilyenko: Termary alloy system phase diagrams, crystallographic and thermodynamic data, Landolt-Bornestien, Subvol. D, Springer, 2008
6. J.J. Vagi, R.E. Monroe, R. M. Evans, D. C. Martin: Welding procedures for titanium and titanium alloys, Huntsvill Alabama 1965
7. H. Suzuki, H. Tamura: Metalurgia spawania, Wydawnictwo Sanpō 1978, Japonia
8. Japan Welding Society: Metody spawania oraz urządzenia spawalnicze, Wydawnictwo Sanpō, 2008, Japonia.
9. J. Pilarczyk (red.): Poradnik inżyniera 1 – Spawalnictwo, WNT, Warszawa 2003

Autorzy dziękują Sławomirowi Kwiecieniowi, Wiesławowi Waligórskiemu, Bronisławowi Fornalakowi, Leszkowi Karlikowi, Grzegorzowi Denisewiczowi, Januszowi Szyszce, Piotrowi Woźniakowi i Maciejowi Basiurze za cenne uwagi.


artykuł pochodzi z wydania 4 (115) kwiecień 2017