Janina Adamus, Piotr Lacki
Technologická univerzita v Čenstochové

Tvarování titanových plechů
V posledních letech se snižování hmotnosti konstrukcí stalo prioritou mnoha průmyslových odvětví. Tato otázka je zvláště důležitá pro dopravní průmysl, zejména letecký, protože snižování hmotnosti letadel přímo snižuje spotřebu paliva a tím i emise výfukových plynů a znečištění životního prostředí. Vzhledem k potřebě zlepšování palivové hospodárnosti dopravních prostředků se hledají nejen nové, lehčí materiály, ale také moderní technologie jejich zpracování. Mezi kovovými materiály si zaslouží zvláštní pozornost titan a jeho slitiny, zejména kvůli jejich nízké hmotnosti, vysoké pevnosti a dobré korozní odolnosti ve většině korozivních prostředí. Titan a jeho slitiny jsou konstrukčním materiálem, který v mnoha ohledech předčí dosud používané technické materiály. Titan je bohužel jedním z těžko obrobitelných materiálů, které vyžadují neustálé řešení technologických problémů. Navzdory mnoha obtížím se zdá, že použití moderních znalostí a technologií umožní prolomit monopol, který dosud pevně drží ocel. Jednou z nejdůležitějších technologií tváření kovů je jejich plastické zpracování a mezi jeho mnoha druhy tváření plechů. Procesy lisování plechů umožňují výrobu široké škály prvků – od drobných kovových doplňků až po velké oplášťovací prvky automobilů a letadel. Ačkoli jsou ocelové plechy nejčastěji používaným materiálem pro lisované díly, požadavky na snížení hmotnosti konstrukce a zvýšení odolnosti proti korozi vedou k potřebě tvarovat plechy z nerezové oceli nebo neželezných materiálů, včetně titanu a jeho slitin. Bohužel, s přihlédnutím k procesům lisování plechů jsou tyto materiály obtížně zpracovatelné.
Tvarování titanových plechů

Výhody a nevýhody titanu a jeho slitin

Nespornou výhodou titanu je jeho lehkost a dobrá odolnost proti korozi. I když víme, že sny o kovu lehčím než vzduch jsou nereálné, je uspokojivé, že výrobci titanu zavádějí nové technologie umožňující provoz lehčích a zároveň levnějších struktur. Vzhledem k tomu, že titan má nejpříznivější poměr pevnosti k hustotě (Re/ρ), ze všech kovových materiálů využívaných v teplotách do 600 °C se používají hlavně slitiny titanu. Týká se to především těch aplikací, kde je důležitý poměr hmotnosti konstrukce a její pevnosti, tj. v leteckém a kosmickém průmyslu. Tabulka 1 porovnává některé vlastnosti titanových materiálů s vybranými konstrukčními materiály.
Tab. 1. Srovnání vybraných vlastností některých stavebních materiálů
Vlastnosti Technicky čistý titan Slitiny titanu Ocel Nerezová ocel Slitiny niklu Slitiny hliníku
Hustota [g/cm3] 4,51 4,1 ÷ 4,8 7,8 7,9 8,2 ÷ 8,9 2,6 ÷ 2,8
Smluvní mez kluzu 170 ÷ 500 400 ÷ 1400 200 ÷ 2000 250 ÷ 600 200 ÷ 1400 120 ÷ 400
Youngův modul E, GPa 110 80 ÷ 115 210 195 200 65
Koeficient tepelné lineární roztažnosti, °C 9 7,5 ÷ 10 11,7 17,3 11,4 ÷ 14 21 ÷ 24
Tepelná vodivost W/(m K) 22 6 ÷ 13 65 14 15 160

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.

Tvarování titanových plechů

Poptávka po moderních technologiích

Rostoucí poptávka po titanových povlakových elementech v důsledku potřeby neustálého snižování hmotnosti konstrukce a nízké schopnosti tvarování slitin titanu tradičními metodami vede ke zvýšené poptávce po moderních výrobních technologiích. Obzvláště důležité jsou technologie, které umožňují výrobu prvků bez nutnosti dalšího zpracovávání. Tyto možnosti poskytuje lisovací proces plechů prováděný za zvláštních podmínek. V rámci projektu ZB8 „Moderní materiálové technologie používané v leteckém průmyslu“ vyvinul výzkumný tým Technické univerzity v Čenstochové několik technologií umožňujících tvarování zastudena takových prvků, jako jsou např. sférické koule nebo velké panely s výztužnými žebry z tvrdě deformujících titanových plechů (Ti6Al4V).

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.

inovativní ekonomika

Další články

Trvale udržitelné ekologické technologie a metalurgie

Trvale udržitelné ekologické technologie a metalurgie

Může být metalurgie považována za udržitelnou (sustainable) ekologickou technologii? To je otázka, která se stále častěji objevuje na rtech nejen ekologických aktivistů, ale i lidí, kterým není vliv lidské činnosti na přírodní prostředí lhostejný.

číst více
Koroze

Koroze

Co je to za neviditelné monstrum, které se nebojí ani těch nejtvrdších materiálů? V případě kovů to lze definovat jako elektrochemický proces probíhající mezi povrchem a prostředím, spojený s přírodním jevem změny, během níž kov nabývá chemicky stabilnější formy.

číst více