Tvarování titanových plechů

Janina Adamus, Piotr Lacki
Technologická univerzita v Čenstochové

Výhody a nevýhody titanu a jeho slitin

Titanové materiály se vyznačují nízkým modulem pružnosti v tahu (Youngův modul), polovičním oproti oceli, což z nich činí vynikající materiál pro různé typy pružin. Stejně důležitou vlastností ve prospěch širokého použití titanu je jeho dobrá odolnost proti korozi. Transparentní oxidové vrstvy (hlavně TiO2) se spontánně tvoří na povrchu titanu a na rozdíl od železa poskytují pevnou ochranu proti další oxidaci vnitřních vrstev. V případě poškození má vrstva oxidu neuvěřitelnou schopnost obnovit se téměř okamžitě v přítomnosti kyslíku ze vzduchu nebo vody. Protože se ochranná schopnost oxidové vrstvy zvyšuje s její tloušťkou, často se záměrně zvyšuje v procesu eloxování, což ještě víc zvyšuje estetickou hodnotu a dává anodizovaným prvkům příslušnou barvu. Oxidové vrstvy se vyznačují speciálními optickými vlastnostmi. Oxid titaničitý je v přírodě transparentní, ale v důsledku interference odraženého a lomeného paprsku se vytvoří barevný efekt, což znamená, že barva oxidové vrstvy závisí na její tloušťce. Možnost získání široké škály barev v procesu anodizace umožňuje použití titanových prvků bez dalších nátěrových hmot. Kromě toho povrchová vrstva oxidů zlepšuje tribologické vlastnosti a snižuje koeficient tření. Další důležitou vlastností titanu je jeho vysoká teplota tání, až 1 668 °C.

Přes uvedené výhody má titan, a zejména jeho slitiny, značné nevýhody. Plechy vyrobené ze slitin titanu jsou při lisovacích procesech obtížně zpracovatelné. Problémy s lisováním se týkají hlavně trhlin, praskání a odpružení. Tažnost titanových plechů lze zlepšit zpracováním za zvýšených teplot, ale je třeba si uvědomit, že se zvyšující se teplotou se zvyšuje náchylnost titanu k absorpci plynů z prostředí, což vede ke strukturálním změnám, a v důsledku toho k praskání. Další nevýhodou je tendence tvořit titanové „usazeniny“ na tvarovacích nástrojích. Tento jev lze snížit nebo dokonce eliminovat správným mazáním a vhodnou povrchovou úpravou nástrojů.

Při výběru materiálu je jeho cena stejně důležitá jako jeho pevnost. Vzhledem k tomu, že náklady na výrobu a zpracování titanu jsou mnohem vyšší než u oceli, musí výhody použití titanových materiálů vyrovnat náklady na výrobu a zpracování.

Důvody zvýšení poptávky po titanových prvcích v leteckém průmyslu

Rostoucí ceny pohonných hmot podporují konstrukci lehkých letadel. Od roku 1960 se poptávka po prvcích vyrobených ze slitin titanu systematicky zvyšuje na úkor postupného snižování poptávky po hliníkových a ocelových prvcích. S nárůstem rychlosti pohybu letadel se mění požadavky na materiály používané pro pokovování trupu. Velké množství třecího tepla vyžaduje použití tepelně odolných materiálů. Tato výzva je podporována použitím slitin titanu, které stále více nahrazují slitiny hliníku, pro které je maximální provozní teplota kolem 130 °C. Některé slitiny titanu mohou pracovat až do přibližně 600 °C, a proto se používají pro výrobu kompresorů, lopatek turbínových motorů nebo ventilátorů. Bohužel, spolu se zvýšením teploty existují problémy s intenzivní oxidací povrchu titanových prvků, což způsobuje snížení tažnosti a únavové pevnosti, a proto se k zajištění bezpečnosti práce nad 600 °C používají slitiny niklu, i když jejich hustota je asi 1,7krát větší než hustota titanu.

Pouhé zaměření na dosažení co nejlehčí a nejsilnější struktury vzdušného vozidla nestačí. Prvním ukazatelem při výběru materiálu je samozřejmě poměr pevnosti k hmotnosti, ale konstrukční kritéria jsou mnohem složitější. Je velmi důležité umět kombinovat různé materiály, aby se zabránilo účinkům galvanické koroze. Slitiny titanu vykazují mnohem větší galvanickou kompatibilitu ve vztahu k uhlíkovým vláknům ve srovnání se slitinami hliníku. To je další důvod, proč se zvyšuje poptávka po slitinách titanu v leteckém a kosmickém průmyslu s rostoucím využitím kompozitů z uhlíkových vláken.

Poptávka po moderních technologiích

Poděkování:

Výzkum prováděný v rámci projektu „Moderní materiálové technologie používané v leteckém průmyslu“, č. POIG.01.01.02-00-015/08-00 v rámci operačního programu Inovativní ekonomika (OP IE). Projekt je spolufinancován Evropskou unií z Evropského fondu pro regionální rozvoj.

1. Adamus J.: Titan a jeho slitiny jako materiál používaný pro lisované prvky. Materiálové inženýrství, 30/5 (2009): 310-313

2. Adamus J.: Stamping of the Titanium Sheets. Key Engineering Materials, 410-411 (2009): 279-288;

3. Adamus J., Lacki P.: Possibility of the increase in titanium sheets’ drawability. Key Engineering Materials 549 (2013) 31-38

4. Adamus J., Lacki P.: Investigation of sheet-titanium forming with flexible tool – experiment and simulation. Archives of Metallurgy and Materials 57/4 (2012) 1247-1252

5. Adamus J., Lackner J.M., Major Ł.: A study of the impact of anti-adhesive coatings on the sheet-titanium forming processes. Archives of Civil and Mechanical Engineering 13 (2013) 64–71

OPERAČNÍ PROGRAM INOVATIVNÍ EKONOMIKA

Priorita 1. Výzkum a vývoj moderních technologií: Opatření 1.1. Podpora vědeckého výzkumu pro budování znalostní ekonomiky.

Další články