Kształtowanie blach tytanowych

Janina Adamus, Piotr Lacki
Politechnika Częstochowska

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.

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.

Przyczyny wzrostu zapotrzebowania na elementy tytanowe w przemyśle lotniczym

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.

Pozostałe wpisy