Aliaje de titan

Aliaje de titan

Criterii de alegere a aliajelor de titan

Rezistenta specifica constituie in conditii precise de temperatura si solicitari,un criteriu de utilizare optima a aliajelor de titan.

Alegerea aliajelor de titan poate fi efectuata si in functie de comportarea la temperaturi ridicate,pentru ca fluajul este criteriul cel mai selectiv.

Clasificarea aliajelor de titan din punct de vedere stuctural

Din punct de vedere al structurii aliajele industriale de titan pot fi grupate in:

1) aliaje cu structura α (alfa);

2) aliaje cu structura β (beta)

3) aliaje cu structura α+β

Aliaje de titan de tip α

Aliajele din aceasta clasa nu se durifica prin tratament termic ,fiind stabile pana la temperaturi de 300-500^oC.Elementul de baza de aliere este aluminiu (2-7%),care duce la cresterea rezistentei aliajelor,dar scade plasticitatea.Prezenta aluminiului modifica temperatura de transformare alotropica de la 882^oC la 1100^oC,ceea ce favorizeaza formarea unui domeniu larg de faza α.

Aliaje de titan de tip α+β

Aliajele din aceasta grupa au caracteristici de rezistenta intermediare intre cele doua tipuri α si β.Ele sufera tratamente termice de calire si revenire,se prelucreaza mai usor decat aliajele de tip α,dar se sudeaza mai dificil decat acestea si au o rezistenta la fluaj mai mica,fiind stabile sub sarcina pana la temperaturi de ordin 450-550^oC.Pentru fixarea unei proportii mari de faza β la temperatura camerei in compozitia chimica a aliajelor de tip α si β se introduc elemente de tranzitie care se dizolva in solutia solida β marindu-i stabilitatea.Aceste elemente sunt Ta,Nb,V,Mo,Mn,Cr,Fe,concentratiile critice fiind 4-6 Fe; 4-6,5 Mn; 5,5-7 Cr; 11%Mo; 16%V.

Aliajele de titan α+β sunt clasificate dupa structura obtinuta dupa aplicarea tratamentelor termice de recoacere (I) si de calire (II).

In primul caz (I) aliajele (α+β) sunt clasificate in trei subgrupe:

-aliaje de titan aliate numai cu elemente de tranzitie :TiβMn,Ti14OA;

-aliaje aliate cu elemente β izomorfe si aluminiu : VT6; VT6-S,VT8; VT14;

-aliaje aliate cu elemente care dau transformari eutectoide si cu aluminiu VT3

Aliaje de titan de tip β

Aliajele de titan cu structura β prezinta o serie de caracteristici importante:

1 Plasticitate ridicata in stare calita. Aceasta se explica prin aceea ca faza β avand o structura de retea C.V.C are plasticitate superioara fazei α (HC),la aproximativ acelasi grad de aliere.In stare calita,aliajele β au o rezistenta mecanica redusa si valori mari pentru alungire relative si gatuire,astfel ca ele se prelucreaza usor prin deformare plastic la rece (table si benzi).

2 Durificare prin tratament termic. (calire +imbatranire);datorita instabilitatii fazei β,in stare calita are loc descompunerea ei prin imbatranire artificial,asigurand cresterea rezistentei aliajelor de 1,5-1,7 ori;

3 Rezistenta la coroziune in medii lichide si gazoase;

4 Sensibilitatea scazuta la fargilitate de hidrogen.

La temperature camerei si la concentratii de hidrogen intalnite in mod curent in conditiile practice de utilizare.

5 Sudabilitate buna

Neajunsurile aliajelor industriale de titan de tip β sunt urmatoarele:

-stabilitate termica redusa ceea ce limiteaza utilizarea acestor aliaje pana la 350^oC.

-sensibilitate accentuata la cresterea grauntilor,ceea ce duce la dificultati de sudare.

-dispersie mare a proprietatilor mecanice datorita neomogenitatii chimice a aliajelor inalt aliate si influentei impuritatilor interstitiale.

-fragilitate sub 50-70^oC cauzata (ca si in otel) de tipul structurii cvc.

Aliajele de tip β se clasifica in doua grupe:

a)     Aliaje β cu faza β termodinamic stabila;

b)     Aliaje β cu faza β temodinamic nestabila;

Aliajele din prima grupa au faza β fixata prin aliere din domeniul β si sunt aliate cu elemente de tranzitie la concentratiile necesare stabilizarii fazei β.

Aliajele cu faza β termodinamic nestabila,au structura metastabila care se descompune prin tratament ulterior de imbatranire artificiala cu precipitarea altor faze ale caror caracteristici sunt determinate de temperatura de tratament termic.

In cazul imbatranirii la 300-350^oC poate sa precipite faza ω cu scaderea rapida a plasticitatii aliajelor.La temperaturi peste 400^oC se formeaza un amestec fin,dispers de faza β si faza α.

Aliaje de titan din sistemul Ti Al Mo

Aliajele pe baza de titan Ti-Al-Mo,cu structura tip α+β,sunt caracterizate prin rezistenta mecanica ridicata,refractaritate si rezistenta inalta la coroziune.

Molibdenul este introdus in aliajele de titan pentru cresterea refractaritatii si obtinerea unor proprietati mecanice superioare si usureaza prelucrarea prin deformare plastica.Fiecare procent de molibden adaugat duce la cresterea rezistentei mecanice a titanului cu 5 daN/mm².

Combinatiile intermetalice TiAl,TiMo,Mo₃Al (care stau la baza solutiilor solide) asigura in urma tratamentului termic valori mari ale rezistentei la rupere si a limitei de curgere.

In sistemul Ti-Al-Mo se pot obtine proprietati mecanice obtime pentru aliaje ce contin faza Ti₃Al(α₂) prin precipitarea dispersa a fazei α₂ in matricea α sau β.

Faza γ are proprietati mecanice bune la temperaturi ridicate,dar este extrem de fagila la temperatura camerei.

Reactia peritectoida β+α₂→γ devine pentru aliaje cu 13-15% Mo si 31% Al.

Fig.3.3. Diagrama de echilibru fazic Ti-Al-Mo (dupa GE DHZHI-MIN si PYLAEVA)

a.sectiune verticala pentru 30% Al ;

b.sectiune verticala pentru 35% Al ;

c.sectiune izoterma la 873*

Stabilitatea termica a aliajelor de titan tip α+β

Aliajele (α+β) contin pe langa adaosurile alfagene (Al,Sn,Zr) si neutre o serie de elemente betogene (Mo,V,Cr,Si) in cantitati suficiente (≥10%) dar fara a atinge continutul critic global care permite conservarea prin calire a unei structuri monofazice de faza metastabila.

Structira de echilibru a aliajelor din sistemul Ti Al Mo este prezentat in diagrama Al_echiv-Mo_echiv in care sunt analizate domeniile aproximative ale diferitelor clase de aliaje,zonele de fragilitate si de instabilitate termica.

Baza de echivalenta

a)  Pentru elemente α_gene sau neutre echivalentele sunt:

1.Al-2Sn 6Zr,tinand seama de capacitatea de durificare in solutie a acestor trei elemente si de asemenea de tendinte de a forma structuri ordonate;

b) pentru elemente β_gene echivalentele sunt:

15 Mo- 15 V- 6Cr-3,5 Fe-13Cu,tinand cont de continuturile minime necesare in aliaje binare pentru conservarea prin calire a fazei β metastabile;

c)Limitele compozitionale pentru aliajele de titan prezentate sunt:

%Al_echiv:2,5-8%; %Mo_echiv:1,1-11%.

Pentru Al_echiv limita inferioara este fixata prin nivelul durificarii dorite si pentru evitarea fazei ω atermica,iar limita superioara impusa de considerente de stabilitate metalurgica la cald;pentru Mo_echiv limita inferioara sub 1,5% plaseaza aliajul in clasa aliajelor α si o limita superioara peste 11% in clasa aliajelor de tip β.

Continuturile ridicate in Al si Mo in aliajele de titan asigura caracteristici de rezistenta si calibilitate corespunzatoare.

Punctul de transformare α+β→β pentru toate aliajele este cuprins intre 900-1000^oC.

Stabilitatea termica este dependenta de transformarea fazei β.In timpul racirii dupa recoacere faza β se poate transforma in faza ω fragila.Este necesara stabilizarea fazei β,care sa reziste la temperaturi ridicate.

Aliajele α+β pot fi racite in aer de la temperatura de recoacere fara a le modifica stabilitatea.Racirea lenta,odata cu cuptorul poate produce faza Ti₃Al care micsoreaza rezistenta la coroziune sub sarcina.

Stabilitate la cald

Stabilitatea la cald poate fi evidentiata prin caracteristicile de plasticitate la tractiune la temperatura ambianta (A5 %; Z %) dupa fluaj fara pregatire intermediara a suprafetei.Se poate evalua si prin masurarea scaderii rezistentei la propagarea fisurilor (K_IC) la 20^o dupa fluaj pe epruvete prefisurate prin oboseala.

Formulele semiempirice pentru calculul stabilitatii la cald (% greutate) sunt

%Al + %Sn./6 + %Zr/6 + 10(%O₂echiv)≤9

%Al + %Sn/3 + %Zr/6 + 4(%Si)≤8

70-27,5(%Si) - 7,2(%Al) - 1,5(%Zr) - 0,2(%Sn)≥10

(cu un plus de elemente β_gene in functie de solubilitatea in faza α)

Unde %O_2echiv - %O₂+2%N₂+2/3%C

Aceste formule reflecta mecanismul posibil de fragilizare fie prin:

a)     Ordonarea fazei α;

b)     Faze ordonate de tip Ti₃X;

c)     Fragilizarea prin precipitarea unor siliciuri complexe;

Stabilitatea la cald mai depinde de:

Conditiile de serviciu ;

Scade la cresterea timpului si a temperaturii de serviciu;

Oxidarea superficiala ce devine mai pronuntata la 550^oC;

Rezistenta la cald optima se obtine prin forjare in domeniul β,calire din domeniul β,urmata de revenire de stabilizarea sau precipitare.

Din punct de vedere structural finetea structurii aciculare si precipitarea eventualelor "siliciuri" sunt afectate marimea produsului.Nu se pot obtine caracteristici mecanice optime la diametre mai mari de 60 mm.

Stabilitatea in serviciu

Din punct de vedere al stabilitatii in serviciu sunt importanti doi factori:

1.stabilitatea structurala;

2.reactivitatea cu mediu;

a) Stabilitatea structurala

Pentru asigurarea stabilitatii metalurgice a unui bun compromis intre aceasta si rezistenta la cald este necesara optimizarea compozitiei si a tratamentelor termice.Desi nu este necesara asigurarea echilibrului la imbatranire,in urma imbatranirii se produce cresterea rezistentei mecanice,cu o plasticitatea adecvata si stabilitate metalurgica.

Conditia unei bune stabilitati metalurgice este data de relatia:

%Al +1/3%Sn + 1/6%Zr + 10%O_echiv<9

Unde O_2echiv=%O₂+2(%N₂)+2/3(%C)

Cresterea rezistentei la fluaj nu se obtine decat in detrimetrul unei bune stabilitati metalurgice.Un continut ridicat in elemente α_gene(Al,Sn,Ga) poate conduce la formarea structurii ordonate de tip Ti₃Al.Totodata precipitarile fine obtinute prin adaosul de elemente β eutectoide conduc la aparitia fazelor fragilizante sub efectul combinat (temperatura-timp).

b) Reactivitatea cu mediul

-oxidarea atmosferica conduce la formarea unui strat de oxid vizibil in micrografie,de grosimea catorva microni.Prin incercari la tractiune s-a observat ca lungirea la rupere nu s-a micsorat;

-coroziunea sun tensiune se manifesta in prezenta sarii,la temperaturi peste 250^oC,prin scaderea rezistentei.In solutii de cloruri,bromuri,ioduri si in apa de mare,aliajele de titan care sunt susceptibile la coroziunea sub teniune,reprezinta totusi o anumita sensibilitate.

Comportatea la fluaj a aliajelor de titan de tip α+β

Comportarea la fluaj a aliajelor de titan depinde esential de microstructura,compozitie si tratament termic.

Cele mai rezistente la cald sunt aliajele pseudo α sau structura α+compusi pseudoβ.Cele mai bune proprietati la fluaj le au aliajele avand compozitii apropiate cu limita de solubilitate in faza α.Comportarea la fluaj pentru aliaje pseudo α si α+β este influentata de elementele X=Al,Sn,Ga prin formare de precipitate hexagonal Ti₃X ordonate,iar Si conduce la formarea de precipitate intergranulare si/sau interlamelare de (Ti,Zr)₅Si₃.Poate apare si precipitatul Zr₃Si-tetragonal,la continuturi mai ridicate de Zr.

Tratamente termice pentru cresterea rezistentei la fluaj

Structurile aciculare rezultate dintr-o transformare la cald si/sau tratament termic in faza β sunt favorabile rezistentei la fluaj.In general se utilizeaza tratamentele termice de calire mai mult sau mai putin energice din domeniul β sau din partea superioara a domeniului α+β,urmata de revenire la o temperatura nu prea ridicata.

Tratamentele termice realizate din domeniul β asociate cu adaosuri de Si sub 0,5% contribuie la cresterea rezistentei la fluaj.

Rezistenta la fluaj creste cu:

a)marimea de graunte;

b)omogenitatea proprietatilor in produsele cu sectiuni mari;

c)diminuarea tensiunilor reziuale de la calire.