Kształtowanie blach tytanowych

W ostatnich latach zmniejszenie ciężaru konstrukcji staje się sprawą priorytetową dla wielu gałęzi przemysłu. Kwestia ta jest szczególnie ważna dla przemysłu transportowego, a zwłaszcza lotniczego, gdyż obniżenie ciężaru pojazdów, w tym statków powietrznych, wpływa bezpośrednio na zmniejszenie zużycia paliwa, a to oznacza zmniejszenie emisji spalin, a co za tym idzie zanieczyszczenia środowiska. W związku z koniecznością poprawy ekonomiki paliwowej środków transportu poszukuje się nie tylko nowych, lżejszych materiałów, ale i nowoczesnych technologii ich przetwarzania. Wśród materiałów metalowych na szczególną uwagę zasługują tytan i jego stopy, głównie dzięki małemu ciężarowi właściwemu, dużej wytrzymałości i dobrej odporności na korozję w większości środowisk korozyjnych. Tytan i jego stopy stanowią materiał konstrukcyjny przewyższający pod wieloma względami dotychczas stosowane materiały inżynierskie. Niestety tytan należy do materiałów trudno obrabialnych, wymagających ciągłego rozwiązywania problemów technologicznych. Mimo wielu trudności wydaje się, że wykorzystanie nowoczesnej wiedzy i technologii pozwoli na przełamanie monopolu, jaki dotychczas ma stal i w coraz większym stopniu będą nam towarzyszyły wyroby tytanowe. Jedną z ważniejszych technologii kształtowania metali jest obróbka plastyczna, a wśród wielu jej odmian kształtowanie blach. Procesy tłoczenia blach umożliwiają wytwarzanie szerokiej gamy elementów – od drobnej galanterii metalowej po duże elementy poszyciowe samochodów i samolotów. Chociaż najchętniej stosowanym materiałem na elementy tłoczone są blachy stalowe, to żądania odnośnie zmniejszenia masy konstrukcji i zwiększenia odporności korozyjnej prowadzą do konieczności kształtowania blach nierdzewnych oraz blach z materiałów nieżelaznych, w tym tytanu i jego stopów. Niestety, biorąc pod uwagę procesy tłoczenia blach są to materiały trudno odkształcalne.

Zalety i wady tytanu i jego stopów

Niekwestionowaną zaletą tytanu jest lekkość i dobra odporność na korozję. Chociaż wiemy, że marzenia Wokulskiego o metalu lżejszym od powietrza są nierealne, to satysfakcjonujące jest to, że producenci tytanu i wytwórcy wyrobów tytanowych walcząc o szerszy rynek zbytu, wprowadzają nowe technologie, pozwalające na produkcję lżejszych i tańszych w eksploatacji konstrukcji. Na rysunku 1 porównano gęstość tytanu z wybranymi materiałami konstrukcyjnymi. Dzięki temu, że tytan ma najkorzystniejszy wskaźnik wytrzymałości do gęstości (Re/ρ), spośród wszystkich materiałów metalowych aż do temperatury 600oC, stopy tytanu znajdują zastosowanie tam, gdzie ciężar konstrukcji i jej wytrzymałość mają istotne znaczenie, tj. w lotnictwie i przemyśle kosmicznym. W tabeli 1 porównano niektóre właściwości materiałów tytanowych z wybranymi materiałami konstrukcyjnymi.

Tab. 1. Porównanie wybranych właściwości niektórych materiałów konstrukcyjnych

Właściwości	Tytan technicznie czysty	Stopy tytanu	Stale	Stale nierdzewne	Stopy niklu	Stopy aluminium
Gęstość [g/cm3]	4,51	4,1 ÷ 4,8	7,8	7,9	8,2 ÷ 8,9	2,6 ÷ 2,8
Umowna granica plastyczności	170 ÷ 500	400 ÷ 1400	200 ÷ 2000	250 ÷ 600	200 ÷ 1400	120 ÷ 400
Moduł Younga E, GPa	110	80 ÷ 115	210	195	200	65
Wsp. cieplnej rozszerzalności liniowej, °C	9	7,5 ÷ 10	11,7	17,3	11,4 ÷ 14	21 ÷ 24
Przewodoność cieplna W/(m K)	22	6 ÷ 13	65	14	15	160

Materiały tytanowe cechuje niski moduł Young’a, o połowę mniejszy niż stali, co czyni je doskonałym materiałem na różnego rodzaju sprężyny. Równie ważną cechą, przemawiającą za szerokim stosowaniem tytanu jest dobra odporność na korozję. Przezroczyste warstewki tlenków (głównie TiO2), tworzące się niejako samoistnie na powierzchni tytanu, w przeciwieństwie do żelaza, stanowią szczelną ochronę przed dalszym utlenianiem warstw wewnętrznych. W przypadku uszkodzenia, warstewka tlenkowa posiada niebywałą zdolność, niemal natychmiastowego odbudowywania się w obecności tlenu z powietrza lub wody. Ponieważ zdolność ochronna warstwy tlenkowej rośnie wraz z jej grubością, to często celowo jest zwiększana w procesie utleniania anodowego, który dodatkowo podnosi walory estetyczne, nadając elementom anodowanym odpowiedni kolor. Warstwy tlenkowe charakteryzują się szczególnymi właściwościami optycznymi. Dwutlenek tytanu jest z natury transparentny, ale w wyniku interferencji promieni odbitych i załamanych powstaje efekt kolorystyczny, co oznacza że barwa warstwy tlenkowej zależy od jej grubości. Możliwość uzyskiwania różnorodnej gamy barw w procesie utleniania anodowego pozwala na stosowanie elementów tytanowych bez dodatkowych powłok malarskich. Ponadto powierzchniowa warstwa tlenków poprawia właściwości tribologiczne, zmniejszając współczynnik tarcia. Jeszcze jedną ważną cechą tytanu, z uwagi na przemysł lotniczy, jest wysoka temperatura topnienia – 1668oC, co sprawia, że tytan może być wykorzystywany do budowy zapór ogniowych. Mimo wymienionych zalet tytan, a zwłaszcza jego stopy, jako materiał stosowany na wytłoczki posiada istotne wady. Blachy ze stopów tytanu należą do materiałów trudno odkształcalnych w procesach tłoczenia [1-4]. Problemy tłoczenia dotyczą głównie pękania wytłoczek, fałdowania i sprężynowania powrotnego. Tłoczność blach tytanowych można polepszyć przeprowadzając obróbkę w podwyższonych temperaturach, ale należy pamiętać, że wraz ze wzrostem temperatury rośnie podatność tytanu do pochłaniania gazów z otoczenia, co prowadzi do zmian strukturalnych, a w efekcie pękania. Kolejną wadą jest skłonność do tworzenia tytanowych „narostów” na narzędziach kształtujących. Nalepienia te można ograniczyć, a nawet wyeliminować poprzez właściwe smarowanie i odpowiednią obróbkę powierzchniową narzędzi [1,2,5]. Przy wyborze materiału na dany element równie ważnym czynnikiem, jak względy wytrzymałościowe, jest jego cena. Ponieważ koszt wytwarzania i przetwarzania tytanu jest znacznie większy niż stli, to korzyści płynące ze stosowania materiałów tytanowych muszą kompensować koszty wytwarzania i przetwarzania.

Rosnące ceny paliw zachęcają do budowy samolotów lekkich. Od 1960 roku systematycznie wzrasta zapotrzebowanie na elementy wykonywane ze stopów tytanu kosztem stopniowego spadku zapotrzebowania na elementy aluminiowe i stalowe. Wraz ze wzrostem prędkości poruszania się samolotów, zmieniają się wymagania wobec materiałów stosowanych na poszycia kadłubów. Duża ilość ciepła tarcia wymaga stosowania materiałów odpornych na działanie wysokich temperatur. Temu wyzwaniu sprzyja stosowanie stopów tytanu, które coraz częściej zastępują stopy aluminium, dla których maksymalna temperatura pracy wynosi około 130oC. Niektóre stopy tytanu mogą pracować do około 600oC, dlatego stosuje się je na obudowy i wsporniki kompresorów, łopatki silników turbinowych czy wentylatorów. Niestety wraz ze wzrostem temperatury pojawiają się problemy z intensywnym utlenianiem powierzchni elementów tytanowych, co powoduje spadek ciągliwości i wytrzymałości zmęczeniowej, a zatem dla zapewnienia bezpieczeństwa pracy powyżej 600oC stosowane są stopy niklu, mimo iż ich gęstość jest około 1,7 razy większa niż tytanu. Samo skupienie uwagi na osiąganiu jak najlżejszej i najwytrzymalszej konstrukcji pojazdu powietrznego jest niewystarczające. Oczywiście stosunek wytrzymałości do ciężaru jest pierwszym wskaźnikiem przy wyborze materiału, ale kryteria projektowania są znacznie bardziej złożone. Bardzo ważna jest umiejętność łączenia różnych materiałów tak, by uniknąć skutków korozji galwanicznej. Stopy tytanu wykazują dużo większą zgodność galwaniczną w stosunku do włókien węglowych w porównaniu ze stopami aluminium. Jest to jeszcze jeden powód, dla którego wzrasta zapotrzebowanie na stopy tytanu w lotnictwie, gdy wzrasta zastosowanie kompozytów z włóknami węglowymi.

Zapotrzebowanie na nowoczesne technologie

Wzrastające zapotrzebowanie na tytanowe elementy powłokowe z uwagi na konieczność ciągłego obniżania ciężaru konstrukcji i niską zdolność stopów tytanu do kształtowania tradycyjnymi metodami powodują wzrost zapotrzebowania na nowoczesne technologie wytwarzania. Szczególnie ważne są technologie, które pozwalają na kształtowanie elementów niemal na gotowo (tzw. „near net-shape manufacturing”) bez konieczności dodatkowej obróbki wykańczającej. Takie możliwości dają procesy tłoczenia blach prowadzone w specjalnych warunkach. W ramach zadania ZB8 Projektu „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” Nr POIG.0101.02-00-015/08 zespół badawczy Politechniki Częstochowskiej opracował m.in. kilka technologii umożliwiających kształtowanie na zimno elementów typu czasza kulista bądź dużych paneli z przetłoczeniami usztywniającymi z trudno odkształcalnych blach tytanowych np. ze stopu Ti6Al4V.

Podziękowania:

Badania realizowane w ramach Projektu „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym”, Nr POIG.01.01.02-00-015/08-00 w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka (PO IG). Projekt współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego.

1. Adamus J.: Tytan i jego stopy jako materiał stosowany na elementy tłoczone. Inżynieria Materiałowa, 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

 

PROGRAM OPERACYJNY INNOWACYJNA GOSPODARKA

Priorytet 1. Badania i rozwój nowoczesnych technologii: Działanie 1.1. Wsparcie badań naukowych dla budowy gospodarki opartej na wiedzy.