TiAl
Stopy TiAl – to międzymetaliczne stopy (intermetale) tytanu z glinem przeznaczone do pracy w podwyższonych temperaturach (500-800 °C). Charakteryzują się niewielką gęstością, są żaroodporne i żarowytrzymałe.
Historia powstania[edytuj | edytuj kod]
Stopy na osnowie międzymetalicznych faz tytanu z glinem α2-Ti3Al oraz γ-TiAl zaczęto badać w latach 50. XX wieku[1][2]. Impulsem do badań była potrzeba opracowania lekkich i wytrzymałych materiałów dla lotnictwa i kosmonautyki. Materiały te miały zastąpić stopy tytanu oraz stopy na bazie niklu używane w konstrukcji silników odrzutowych[3]. Poważnymi ograniczeniami dla stopów tytanu były i są, mała żaroodporność powyżej 500 °C, zmniejszenie wytrzymałości mechanicznej wraz z temperaturą, zwiększenie kruchości w wyniku rozpuszczania tlenu i azotu w materiale (środowiskowo indukowana kruchość) oraz tendencja do tzw. „pożaru tytanowego”[4]. Zaletami stopów TiAl miały być, mała gęstość 3,8–4,2 g/cm³, wysoki moduł Younga (sztywność) w niskich i wysokich temperaturach, dobra wytrzymałość mechaniczna, odporność na pełzanie oraz żaroodporność (dzięki wysokiej zawartości glinu). Szacowano, że zastępując stopami TiAl żaroodporne stopy niklu uda się zmniejszyć masę części z nich wykonanych o 20–50%[5]. Znaczący postęp w badaniach nastąpił dopiero w latach 70. i był on związany z pracami powadzonymi w USA dla potrzeb wojska[1][2]. Badano równolegle dwie grupy materiałów, stopy na osnowie fazy α2-Ti3Al oraz stopy na osnowie fazy γ-TiAl.
Rodzaje stopów TiAl[edytuj | edytuj kod]
Stopy na osnowie faz α2-Ti3Al oraz O-Ti2AlNb[edytuj | edytuj kod]
Faza α2-Ti3Al posiada strukturę heksagonalną gęstego upakowania typu D019. Jest stabilna do temperatury około 1150 °C. Powyżej tej temperatury ulega przemianie w fazę α-Ti. Zawartość glinu w tej fazie zmienia się wraz z temperaturą w granicach od 20 do około 38% atomowych[6]. W początkowym okresie badano głównie stopy na osnowie fazy α2-Ti3Al. W wyniku tych prac stwierdzono, że najbardziej obiecującym dodatkiem stopowym jest niob (poprawia on znacząco plastyczność w temperaturze pokojowej). Pierwsza generacja stopów na osnowie fazy α2-Ti3Al zawierała 10 – 12% At. Nb. Jako typowy materiał pierwszej generacji należy wymienić stop Super-Alpha 2TM o składzie Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo. Materiały pierwszej generacji, miały większą sztywność oraz wytrzymałość mechaniczną od stopów tytanu jednakże były od nich bardziej kruche[7]. Nie posiadały również zadowalającej żaroodporności (nie tworzyły na swej powierzchni ochronnej zgorzeliny Al2O3). Problemy z tzw. środowiskowo indukowana kruchością doprowadziły do zarzucenia prac nad tymi materiałami.
Pod koniec lat 80. XX wieku, odkryto nową fazę – Ti2AlNb[7]. Fazę tę określa się jako często jako O-Ti2AlNb. Pierwsza litera „O” oznacza rodzaj struktury – ortorombowa. Zastąpienie fazy α2-Ti3Al fazą Ti2AlNb w stopach TiAl spowodowało wzrost ich gęstości. Został, on jednak skompensowany przez poprawę innych właściwości jak np. podwyższenie plastyczności w temperaturze pokojowej (~3%); niski współczynnik rozszerzalności cieplnej α~9.5×10−6 (700 °C); dobra zgodność z SiC, umożliwiająca tworzenie kompozytów (włókna SiC + stop TiAl-Nb). Materiały te znajdują się ciągle w stadium badań i nie są do chwili obecnej (rok 2010) produkowane komercyjnie.
Stopy na osnowie fazy γ-TiAl[edytuj | edytuj kod]
Faza γ-TiAl posiada strukturę tetragonalną płasko centrowaną typu L10. Jest stabilna do około 1480 °C (dla składu Ti-50%Al), powyżej tej temperatury ulega stopieniu. Zawartość glinu w tej fazie wynosi od 48 do około 56% atomowych i zmienia się wraz z temperaturą[6]. Techniczne stopy na osnowie fazy γ-TiAl zawierają 45–48% at. glinu. Na skutek przemiany eutektoidalnej zachodzącej w temperaturze około 1107 °C posiadają one mikrostrukturę dwufazową γ-TiAl/α2-Ti3Al. W zależności od składu chemicznego stopu, oraz warunków obróbki cieplnej uzyskuje się dwa rodzaje mikrostruktury, mikrostrukturę podwójną (ang. dupplex) lub mikrostrukturę płytkową (ang. lamellar, full lamellar).
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/ea/TiAl_duplex.jpg/220px-TiAl_duplex.jpg)
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e2/TiAl_Lammelar.jpg/220px-TiAl_Lammelar.jpg)
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/ba/TiAl_Full_lammelar.jpg/220px-TiAl_Full_lammelar.jpg)
Optymalizacja składu chemicznego oraz mikrostruktury tych materiałów doprowadziła do powstania ich trzech generacji (skład w procentach atomowych)[2][4][8].
- I generacja – Ti-48Al-1V-0.3C
- II generacja – Ti-(45-48)Al-(1-3)X-(2-5)Y-(<1)Z gdzie:
- III generacja – Ti-(45-47)Al-(5-10)Nb-(<1)B,C
Zwiększenie dodatku niobu (powyżej 5%) w III generacji materiałów spowodowało pojawienie się fazy (tau) τ – Ti4NbAl3, oprócz faz γ-TiAl oraz α2-Ti3Al[9] Pod koniec lat 90-tch ubiegłego wieku w niemieckim instytucie badawczym Helmholtz-Zentrum Geesthacht – Zentrum für Material- und Küstenforschung w Hamburgu opracowano nowy materiał o składzie Ti-45Al-8Nb-0.2B,C[10]. Materiał ten posiada dobre własności mechaniczne zarówno w niskich jak i wysokich temperaturach. Maksymalna temperatura pracy tego stopu jest ograniczona własnościami mechanicznymi i korozyjnymi do 700-750 °C. Daje się on formować poprzez kucie i oraz obróbkę plastyczną na gorąco.
Stopy II i III generacji posiadały na tyle dobre właściwości, że zdecydowano się na ich komercjalizacje. Materiały te produkuje się w skali półtechnicznej (kilkadziesiąt do kilkuset kg), głównie w celach badawczych. Największą przeszkodą w uruchomieniu produkcji na skalę przemysłową są problemy z utrzymaniem niskiej zawartości tlenu i azotu w materiale. Podwyższona zawartość tych pierwiastków powoduje wzrost kruchości stopów.
Oprócz przeszkód technicznych, w rozwoju technologii pewną rolę odegrały też problemy polityczno-ekonomiczne. Zakończenie zimnej wojny, osłabiło zainteresowanie tymi materiałami ze strony wojska, a ograniczenia w finansowaniu i rozwoju badań kosmicznych oraz zmiany przepisów w sportach motorowych (głównie wyścigach samochodowych) ograniczają stosowanie stopów TiAl w konstrukcji silników spalinowych[11][12].
Żaroodporność stopów TiAl[edytuj | edytuj kod]
Mimo wielu lat badań nie rozwiązano problemu słabej żaroodporności stopów TiAl w temperaturach powyżej 750 °C. Polepszeniu żaroodporności prawie zawsze towarzyszyło pogorszenie właściwości mechanicznych. Poprawę żaroodporności stopów γ-TiAl/α2-Ti3Al uzyskano na przykład poprzez:
- Rozdrobnienie ich mikrostruktury (podwójna→płytkowa) dzięki odpowiedniej obróbce cieplnej lub deformacji powierzchni[13][14], co ułatwia tworzenie warstwy fazy Z pod zgorzeliną[15][16][17].
- Dodatek pierwiastków takich jak Nb, Ta, W, zmniejszających szybkość wzrostu mieszanej zgorzeliny, TiO2/Al2O3[18][19] oraz sprzyjających tworzeniu barierowej warstw azotków pod zgorzeliną tlenkową[20].
- Dodatek 2–3% srebra[21][22] i/lub 10–20% chromu, usuwający ze stopu fazę α2-Ti3Al, zapobiegający tworzeniu się azotków oraz ułatwiający tworzenie warstwy fazy Z pod zgorzeliną (Ag)[21]
- Wzbogacenie powierzchni materiału pierwiastkami VII grupy (F, Cl, Br, I)[23].
- Zastosowanie powłok ochronnych γ-TiAl-Cr (10–20% Cr), γ-TiAl-Ag (1–5% Ag)[24][25].
Produkcja i zastosowanie stopów TiAl[edytuj | edytuj kod]
Początkowo zakładano, że głównym obszarem zastosowań materiałów TiAl będzie produkcja części do silników odrzutowych np. łopatek wysokociśnieniowej części kompresora, łopatek niskociśnieniowej części turbiny, obudowy kompresora, dyfuzora. W badaniach tych brały udział firmy Pratt & Whitney, General Electric, Howmet Castings oraz Rolls Royce. Części wykonywano metodą odlewania, kucia oraz skrawania[1][2][12]. Pomimo początkowych sukcesów, nie zdecydowano się na produkcje seryjną części. Głównymi przyczynami były niejednorodności mikrostruktury w odlewach i odkuwkach oraz utrata wytrzymałości podczas dłuższego ich użytkowania. W kolejnych latach do badań dołączyły MTU Aero Engines, Plansee Group, Thysen, GfE – Metalle und Materialien GmbH, Mitsubishi, NASA, ABB i ALSTOM Power. Wypróbowywano nowe metody produkcji i obróbki takie jak, metalurgię proszkową, topienie łukowe w próżni (VAR), prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP) oraz wytłaczanie na gorąco[4]. Dotychczas stopy TiAl wdrożono do produkcji seryjnej turbin do turbokompresorów, zaworów silnikowych oraz tzw. tarcz (ang. target) do magnetronów. W latach 1998–2003 firma Mitsubishi wyprodukowała około 20000 samochodów Lancer wyposażonych w turbiny wykonane ze stopu Ti-46.5Al-6.5Nb[11][12][26].
Zobacz też[edytuj | edytuj kod]
Przypisy[edytuj | edytuj kod]
- ↑ a b c HA. Lipsitt. Titanium aluminides – an overview.. „Mat. Res. Soc. Symp. Proc”. 39, s. 351-364, 1985.
- ↑ a b c d Y-W. Kim. Gamma titanium aluminide alloy technology: status and future.. „Acta Metallurgica Sinica”. 12 (4), s. 334-339, 8 1999. ISSN 1006-7191.
- ↑ M. Peters. Moderne Titanlegierungen für hohe Temperturen.. „Metall.”. 42 (6), s. 576-581, 6 1988.
- ↑ a b c H. Clemens, H. Kestler. Processing and Applications of Intermetallic g-TiAl-Based Alloys.. „Advanced Engineering Materials”. 2 (9), s. 551-570, 2000. ISSN 1527-2648.
- ↑ A. Lasalmonie. Why is it so difficult to introduce them in gas turbine engines.. „Intermetallics”. 14 (10-11), s. 1123-1129, 9 2006. ISSN 0966-9795.
- ↑ a b I. Ohnuma. Phase equilibria in the Ti-Al binary system.. „Acta mater.”. 48 (12), s. 3113-3123, 6 2000. ISSN 1359-6454.
- ↑ a b J. Kumpfert. Intermetallic Alloys Based on Orthorhombic Titanium Aluminide. „Advanced Engineering Materials”. 3 (11), s. 851–864, 11 2001. ISSN 1527-2648.
- ↑ V. Bauer, H-J. Christ. Thermomechanical fatigue behaviour of a third generation g-TiAl intermetallic alloy. „Intermetallics”. 16 (5-6), s. 675-678, 5-6 2000. ISSN 0966-9795.
- ↑ V. Raghavan. Al-Nb-Ti (Aluminum-Niobium-Titanium). „JPEDAV”. 31 (6), s. 561, 2010. DOI: 10.1007/s11669-010-9775-8.
- ↑ F. Appel, R. Wagner. Microstructure and deformation of two-phase g-titanium aluminides. „Materials Science and Engineering Reports”. 22 (5), s. 187-268, 1998. DOI: 10.1016/S0927-796X(97)00018-1. ISSN 0927-796X.
- ↑ a b X. Wu. Review of alloy and process development of TiAl alloys. „Intermetallics”. 14 (10-11), s. 1114-1122, 10 2006. DOI: 10.1016/j.intermet.2005.10.019. ISSN 0966-9795.
- ↑ a b c E.A. Loria. Quo vadis gamma titanium aluminide. „Intermetallics”. 9 (12), s. 997-1001, 12 2001. DOI: 10.1016/S0966-9795(01)00064-4. ISSN 0966-9795.
- ↑ A. Gil. The effect of microstructure on the oxidation behaviour of TiAl-based intermetallics. „Corrosion Science”. 34 (4), s. 615-630, 4 1993. DOI: 10.1016/0010-938X(93)90276-M. ISSN 0010-938X.
- ↑ J.M. Rakowski i inni, The effect of surface preparation on the oxidation behavior of gamma TiAl-base intermetallic alloys, „Scripta Materialia”, 35 (12), 1996, s. 1417-1422, DOI: 10.1016/S1359-6462(96)00315-6, ISSN 1359-6462 .
- ↑ N. Zheng. The significance of sub-surface depletion layer composition for the oxidation behaviour of γ-titanium aluminides. „Scripta Metallurgica et Materialia”. 33 (1), s. 47-53, 7 1995. ISSN 0956-716X.
- ↑ V. Shemet. Synthesis of the cubic Z-phase in the Ti-Al-O system by a powder metallurgical method. „Intermetallics”. 5 (4), s. 271-280, 1997. DOI: 10.1016/S0966-9795(96)00091-X. ISSN 0956-716X.
- ↑ E.H. Copland. Formation of Z-Ti50Al30O20 in the sub-oxide zones of γ-TiAl-based alloys during oxidation at 1000 °C. „Acta Materialia”. 47 (1), s. 2937-2949, 8 1997. DOI: 10.1016/S0966-9795(96)00091-X. ISSN 1359-6454.
- ↑ G. Welsch, A.I. Kahveci. Oxidation behavior of titanium aluminide alloys. „Oxidation of high-temperature Intermetallics”, 1989.
- ↑ H.J. Schmutzler. The influence of niobium ion implantation on the high temperature oxidation behavior of Ti-48Al-2Cr. „Surface and Coatings Technology”. 83 (1-3), s. 212-217, 9 1996. DOI: 10.1016/0257-8972(95)02755-6. ISSN 0257-8972.
- ↑ A. Rahmel, W.J. Quadakkers, M. Schutze. Fundamentals of TiAl oxidation – A critical review. „Materials and Corrosion”. 46 (5), s. 271-285, 5 1995. DOI: 10.1002/maco.19950460503.
- ↑ a b V. Shemet. The Formation of Protective Aluminium Based Surface Scales During High Temperature Air Oxidation of g -TiAl Alloys. „Oxidation of Metals”. 54 (3), s. 211-235, 5 1995. DOI: 10.1023/A:1004694111032.
- ↑ L. Niewolak. Oxidation behaviour of Ag-containing TiAl-based intermetallics. „Intermetallics”. 12 (12), s. 1387-1396, 12 2004. DOI: 10.1016/j.intermet.2004.04.040. ISSN 0966-9795.
- ↑ J. Masset, M. Schütze. Thermodynamic Assessment of the Alloy Concentration Limits for the Halogen Effect of TiAl Alloys. „Advanced Engineering Materials”. 10 (7), s. 666-674, 2008. DOI: 10.1002/adem.200800057.
- ↑ L. Niewolak. Alumina Forming Coatings for Titanium and Titanium Aluminides. „Advanced Engineering Materials”. 3 (7), s. 496-500, 2001. ISSN 1527-2648.
- ↑ Z. Tang. Development of oxidation resistant coatings for γ-TiAl based alloys. „Materials Science and Engineering A”. 328 (1-2), s. 496-500, 5 2002. DOI: 10.1016/S0921-5093(01)01734-8. ISSN 0921-5093.
- ↑ T. Tetsui. Application of TiAl in a Turbocharger for Passenger Vehicles. „Advanced Engineering Materials”. 3 (5), s. 307-310, 2001. ISSN 1527-2648.
Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]
- GKSS [online] (ang.). – strona Helmholtz-Zentrum Geesthacht – Zentrum für Material- und Küstenforschung poświęcona materiałom TiAl
- Innovatial [online] (ang.). – strona europejskiego projektu badawczego dotyczącego materiałów TiAl
- Impress [online] [dostęp 2011-10-08] [zarchiwizowane z adresu 2011-09-27] (ang.). – strona międzynarodowego projektu badawczego dotyczącego materiałów TiA
- S.L. Draper i inni, Durability Assessment of Gamma TiAl-Final Report [online] [zarchiwizowane z adresu 2011-10-30] (ang.). – raport NASA dotyczący właściwości mechanicznych materiałów TiAl