TITANUL SI ALIAJELE DE TITAN

 

1.1 PREZENTARE GENERALA

Titanul este unul din cele mai răspândite metaleîn natură; concentraţia titanului în scoarţa

terestră, exprimată în procente masice, este0 . 6 3 % , o c u p â n d l o c u l 7 , d u p ă A l

( 8 . 8 % ) , F e ( 5 . 1 % ) , C a ( 3 . 6 % ) , N a ( 2 . 6 4 % ) , K   (2.6%) şi Mg (2.1%).Titanul intră

în compoziţia a aproximativ 100 de minerale. Celemai importante minerale ale titanului sunt:•

rutilul, TiO2,

• ilmenitul, FeTiO3

sau FeO.TiO2

,• titanomagnetitul, Fe3TiO6sau Fe3O4.TiO2

,• perovskitul, CaTiO3

sau CaO.TiO2

,• titanitul (sfenul), CaTiSiO5

sau CaO.TiO2.SiO2

Mineralul principal de titan a fost şi este ilmenitul, în care conţinutul de titan este mare şi se

poate descompune uşor. Rutilul, care este mineralul de titan cel mai  bogat, până în

prezent n-a avut o importanţă atât de mare ca ilmenitul, fapt explicabil  prin greutatea cu care

se descompune. Totuşi în ultimul timp s-a elaborat o

metodă  p r i n   c a r e   r u t i l u l   e s t e   t r a n s f o r m a t   î n t r u n   p r o d u s   i n t e r m e d i a r  

l i c h i d   f o a r t e   p u r . Tehnologia elaborării titanului este scumpă pentru că:• titanul este

puternic legat chimic în compuşii existenţi ca minerale (minereuri de titan);• titanul

reacţionează puternic cu multe elemente chimice;• titanul absoarbe gaze;• e l e m e n t e l e

m a g n e z i u ş i s o d i u u t i l i z a t e l a r e d u c e r e a m e t a l o t e r m i c ă a T i C l 4

suntscumpe;• purificarea TiCl4

este scumpă;• obţinerea titanului de înaltă puritate prin electroliză sau prin metoda ioduriieste

scumpă.Deşi preţul titanului în comparaţie cu al altor metale este mare, (vezi tabelul),avantajele

utilizării lui sunt considerabile.Există mai multe mărci de titan nealiat, prezentate în tabel,

diferenţiate princonţinutul de impurităţi. În general, elementele de aliere sunt introduse într-

unelement (metal) de bază pentru a obţine o structură fazică şi o microstructură care să poată fi

modificate prin anumite transformări structurale (mai ales transformări defază), realizate prin

diferite tratamente, astfel încât să se obţină anumite proprietăţicerute de utilizarea raţională şi

eficientă a aliajelor în construcţia unor piese,dispozitive, maşini sau instalaţii.În titan,

principalele elemente de aliere sunt: Al, Mo, V, Mn, Sn, Cr, Zr, Cu, W, Ta,Fe, Si. Pentru că prin

aliere să se obţină rezultatele scontate, metalul de bază trebuiesupus în prealabil unor operaţii de

purificare, de micşorare a concentraţiilor elementelor impurificatoare, şi să se obţină astfel

anumite proprietăţi cerute deutilizarea raţională şi eficientă a aliajelor în construcţia unor piese,

dispozitive, maşinisau instalaţii.Principalele elemente impurificatoare în titan sunt: O, N, C,

H, Fe, Si. Uneori, deşi concentraţiile unor impurităţi inevitabile sunt foarte mici, acestea sunt

considerate şi utilizate ca elemente de aliere pentru îmbunătăţirea unor proprietăţi, controlându-

se riguros conţinutul lor în aliaje.

 

termic. Introducerea unei mari cantitaţi de element β stabilizator peste cantitatea care

reprezintăsolubilitatea lui în titanul αconduce la creşterea vizibilăa

rezistenţei  şirefractarităţii  fără

scăderea plasticităţii.  Rezistenţa de scurtă durată la temperaturiînalte în funcţie de

elementele de aliere are un caracter analog ca şi în cazul rezistenţei la temperatura mediului

ambiant, pe când rezistenţa îndelungată la temperaturi înalteşi limita de fluaj are un caracter

complex. Se cunoaşte că la creşterea conţinutului dealuminium în aliajele de titan, în limita

solubilităţii lui în faza α, refractaritatea creştecontinuu. Mărirea conţinutului elementelor β în

limita solubilităţii lor în titanul α, deasemenea este însoţit de creşterea refractarităţii şi

a rezistenţei la fluaj. Depăşirea

v a l o r i l o r   s o l u b i l i t ă ţ i i   l a   t e m p e r a t u r i   r e l a t i v   j o a s e   ( 2 5 0 C …

3 5 oC) îmbunătăţeşte r e f r a c t a r i t a t e a . D a r l a t e m p e r a t u r i d e 4 0 0 o

C s a u m a i î n a l t e , m ă r i r e a c o n ţ i n u t u l u i elementelor β stabilizatoare provoacă

scăderea rezistenţei la fluaj. Aliajele care au cea mai mare răspândire în tehnica,

benefeciind de proprietaţi mecanice şi tehnologice f o a r t e b u n e , s u n t c e l e p e

b a z a s i s t e m u l u i T i - A l - V , d e o a r e c e v a n a d i u l p â n a l a u n conţinut de 5%

în aliajele binare Ti-Al le măreşte plasticitatea concomitent cu mărirearefractarităţii şi rezistenţei

la coroziune. Conform diagramei de echilibru a sistemuluiTi-Al-V, în domeniul temperaturilor

800…1000oC se dizolvă 14% (V+Al) apărând însistem fazele α, α + β, β. Dacă aliajele sunt

călite la 1000oC şi răcirea se face în apă, în structură apare martensita.Influenţa vanadiului care

îndeplineşte rolul de element β stabilizator în aliajele binareTi-Al în stare normală (recoacere

800oC, răciere lentă de 600oC, timp de răcire 30 min răcire rapidă)În urma procesului de călire

şi îmbătrânire, proprietaţile mecanice (limita de rupere şilimita de curgere) cresc cu 15…

25%, iar plasticitatea se micşorează cu 20…30%.Această modificare se explică

prin trecerea fazei α în faza α + β (la un coţinut mai  bogat de vanadiu), prin

transformarea fazei βîn faza α, cu faza βdispersă (la un coţinutredus de vanadiu).

Toate aceste aliaje din acest sistem sunt uşor deformate la cald,fiind

superplastice la temperaturi de peste 900oC, procesul de călire şi recoacere se

recomandă să se desfăşoare în vid, sudarea se poate realiza în atmosferă de azot, iar rezistenţa

sudurii poate ajunge la 90% din rezistenţa materialului metalic; posedă rezistenţă

foarte bună la coroziune, în diferite tipuri de atmosfere şi în apă de mare, aurefractaritate înaltă şi

proprietăţi foarte bune la temperaturi sub 0

o

C. Aceste aliaje suntfoarte sensibile la acţiunea incluziunilor nemetalice care influenţează direct

valoarea proprietaţilor mecanice.

2.1` CARACTERIZAREA GENERALĂ A MICROSTRUCTURII ALIAJULUI DE

TITAN BIFAZIC

Microstructura aliajelor bifazice α + β poate fi lamelară sau globulară în funcţie

deforma fazei α. Structura lamelara se caracterizează prin existenţa unor graunţi iniţialimari de β

înconjuraţi de o reţea α la limitele grăunţilor; în interiorul grăunţilor mari deβ există pachete

(colonii) lamelare de faza α + β; într-un pachet lamelele de α sunt  paralele, au

aceeasi orientare cristalografică; între lamelele de α există straturi subţiride faza β care păstrează

orientarea cristalografică în grăuntele iniţial de β. Corelaţiilede orientare ale reţelelor α siβ

din structura lamelară α + β sunt: (1 1 0)β// (0 0 1)α; (11 1)β/ / ( 1 0 0 ) α

Structura lamelară din aliajele α + β pe bază de titan, în diferite lucrări se mai

numeşte aciculară, structură β transformată, structură recristalizată,structură

Widmannstätten sau structura martensitică. S-a stabilit precis că faza α nu este

aciculara, ci lamelară, pentru ca în secţiune transversală presupusul ac nu prezintăaspect

globular. Termenul de structura β transformată s-a introdus pentru a sublinia ca

 structura lamelară se formează ca rezultat al transformării polimorfice a fazei β

în procesul de răcire. În cazul unei structuri α + β cu lamele lungi şi subţiri se utilizeazăterminii

Widmannstätten sau martensitică numai datorită asemănării geometrice, ceeace nu este corect. În

concluzie denumirea corectă, recomandată a structurii bifazice α+ β este structura lamelară. O

variantă a structurii lamelare bifazice cu grăunţi mari deβ şi de colonii fine de α se

numeşte prin similitudine, “coş împletit” deşi nu poateexista o împletire a

lamelelor; dacă două lamele diferite se întâlnesc creşterea

lor î n c e t e a z ă .   T o t   o   s t r u c t u r ă   l a m e l a r ă   b i f a z i c ă   e s t e   a c e e a   o b ţ i n u t ă  

p r i n   d e f o r m a r e a  plastică la o temperatură din domeniul α + β. Structura bifazică α + β

globulară poatef i o b ţ i n u t ă p r i n d e f o r m a r e p l a s t i c ă l a o t e m p e r a t u r ă d i n

d o m e n i u l α + β s a u d i n domeniul α. Trebuie remarcat că particulele de fază α

potfisferoidale,dicoidale,d r e p t u n g h i u l a r e ,   s p i r a l a t e   e t c .   Î n   a l i a j e l e  

d e f o r m a t e   p l a s t i c   l a   r e c e   s e   f o r m e a z ă structuri fibroase în care particulele de fază α

sunt puternic alungite.Î n g e n e r a l î n a l i a j e l e d e t i t a n b i f a z i c s e p o t o b ţ i n e ş i

s t r u c t u r i h i b r i d e g l o b u l a r e l a m e l a r e   s a u   g l o b u l a r e f i b r o a s e .  

M i c r o s t r u c t u r a   a l i a j e l o r   b i f a z i c e   α   +   β   d e p i n d e  puternic de viteza de răcire

după deformare plastică la cald (în domeniul β sau

α+β)  p e n t r u   c ă   a r e   l o c   t r a n s f o r m a r e a   p o l i m o r f i c ă   α   →   β   ş i  

v a r i a z ă   p r o p o r ţ i i l e   ş i compoziţiile fazelor. Dacă deformarea plastică a aliajelor

bifazice are loc în

domeniulβ   f o r m a   g r ă u n ţ i l o r   β   i n i ţ i a l   e c h i a c ş i   ( f i g . 4 . 1 ) ,   v a r i a z ă   î n  

f u n c ţ i e   d e   g r a d u l   d e deformare, alungindu-se pe măsura creşterii gradului de

deformare (fig.4.2, 4.3); îng r ă u n ţ i i m a r i d e β p o t a p ă r e a b e n z i d e

d e f o r m a r e s i n u a s e ; î n a n u m i t e c o n d i ţ i i d e deformare începe recristalizarea

dinamică a fazei β prin apariţia grăunţilor mici (10-30 μm) echiacşi, situaţi mai ales la

limitele grănţilor deformaţi şi ale benzilor dedeformare ( fig.4.4); dacă recristalizarea

are loc complet, toată microstructura

prezintăg r ă u n ţ i   β   m i c i   e c h i a c ş i   ( f i g . 4 . 5 ) ;   î n   p r o c e s u l   r ă c i r i i   l e n t e   d e   l a  

t e m p e r a t u r a   d e deformare din domeniul β până la temperatura transformării α

→ β, grăunţii de βrecristalizaţi cresc (> 100 μm); la temperaturi sub temperatura de

transformare α → β, practic, grăunţii de β nu mai cresc.Indiferent de viteza de răcire, faza α

începe să se separe pe defectele fazei β, limitelegrăunţilor deformaţi si recristalizaţi,

benzile de deformare, limitele de subgrăunţi β.Faza α intergranulară care se separă

la răcire are întotdeauna un aspect lamelar şi dacăse separarea are loc în grăunţii β

deformaţi, coloniile de α apar alungite. Variaţiavitezei de răcire în intervalul de

temperatură al domeniului α + β influenţează,

în  p r i n c i p a l ,   a s u p r a   n u m ă r u l u i   ş i   d i s p e r s i e i   p a r t i c u l e l o r   d e   f a z a   α   c a r e  

s e   s e p a r ă . Creşterea vitezei de răcire contribuie la finisarea structurii. La deformarea plastică

îndomeniul α + β, la procesul de deformare participă ambele faze. Structura fazei

β seschimbă în procesul de deformare ca şi în cazul deformării în domeniul β,

procesulr e c r i s t a l i z ă r i i f a z e i β e s t e î n s ă a c c e l e r a t , a p a r g r ă u n ţ i n o i

e c h i a c ş i ş i î n i n t e r i o r u l g r ă u n ţ i l o r d e β ş i î n l a m e l e l e β d i n t r e l a m e l e l e

d e α dimensiunile grăunţilor de βrecristalizaţi sunt de 5-40 μm, în funcţie

de temperatură şi de viteza de deformare.Structura fazei α se modifică la deformarea

plastică în domeniul α + β; gradul demodificare a formei lamelelor α intergranulare

depinde de orientarea lor iniţială faţăde direcţia de deformare; cea mai mare modificare o suferă

lamele perpendiculare pedirecţia de deformare; la grade mari de deformare faza α devine

fibroasă şi nu se mai poate deosebi faza α de la marginea grăunţilor de β si lamelele de faza α din

interiorulgrăunţilor de β; substructura fazei αdeterminate la microscopul electronic,

prezintă

 

macle de deformare şi subgrăunţi de diferite forme şi dimensiuni; în anumite

condiţii,t e m p e r a t u r ă   r i d i c a t ă   d e   d e f o r m a r e   ş i   v i t e z ă   m i c ă   d e   d e f o r m a r e ,  

p o a t e   a v e a   l o c recristalizarea dinamică incompletă a fazei αformându-se

grăunţi noi echiacşi în interorul lamelelor α deformate; în anumite condiţii de deformare se

poate produce og l o b u l i z a r e a f a z e i α , c e e a c e f a c e c a f i e c a r e l a m e l ă α s ă

s e d i v i d ă î n m a i m u l t e  particule globulare. La răcirea lentă de la temperatura de

deformare din domeniul α +β până la temperatura ordinară se separă faza α, mai ales, la limitele

interfazice; dacărăcirea este rapidă, separarea fazei α are loc şi la limitele grăunţilor

şi subgrăunţilor defază β. La deformarea plastică care începe în domeniul β şi se sfârşeşte în

domeniul α+ β microstructura variază conform schemei.În funcţie de condiţiile de

deformare, de mărimea intervalului de temperatură din domeniul α + β în care are loc

deformarea, de viteza de răcire din domeniul α + β şi înfuncţie de alţi factori, microstructura

prezintă omogenităţi locale. În general datorităsusceptibilităţii puternice a structurii

aliajelor de titan în condiţiile de deformare  plastică, semifabricatele deformate se

caracterizează prin neomogenitate structurală pe lungime şi în secţiune transversală.

Microstructura aliajelor de titan deformate îndomeniul α + β şi recoapte. În aliajele de titan

deformate plastic în domeniul α + β

pota v e a   l o c   p r o c e s e l e :   -   m o d i f i c a r e a   p r o p o r ţ i i l o r   f a z e l o r   α   +  

β ;   -   r e d i s t r i b u i r e a e l e m e n t e l o r d e a l i e r e d i z o l v a t e î n c e l e d o u ă f a z e ;

- m o d i f i c a r e a d i m e n s i u n i l o r ş i formei constituienţilor microstructurali. La

încălzire, după deformare şi parţial în timpul deformării, are loc procesul de recristalizare

în interiorul lamelelor de α şi îni n t e r i o r u l g r ă u n ţ i l o r d e β . Î n z o n e l e c u f a z ă α

d e f o r m a t ă s e o b s e r v a o s t r u c t u r ă caracterizată prin subgrăunţi cu limite clare; la

încălzire aceste limite de subgrăunţi seorientează perpendicular pe graniţele

interfazice,  obţinându-se o structură de tip“bambus”.Procesele de poligonozare şi

recristalizare ale fazei α simulează şi globulizarea ei, astfel încât în locul unei lamele

se formează un lanţ de globule α; poziţia lanţurilor deglobule în aliajul recopt păstrează poziţia

lamelelor α din aliajul deformat. Grăunţii deβ recristalizaţi nu pot depăşi lamelele sau lanţurile de

globule α, între care se află. Încazul unei recoaceri la temperatură ridicată în domeniul

α + β structura constă, în   p r i n c i p a l , d i n g r ă u n ţ i d e β r e c r i s t a l i z a ţ i ş i f a z a

α r e c r i s t a l i z a t ă ş i g l o b u l i z a t ă . Î n general în aceleaşi regimuri de recoaceri, structura

aliajului deformat în domeniul α +β este întotdeauna mai fină decât structura aliajului deformat

în domeniul β.Corelaţia microstructură – proprietaţi. Nivelul obişnuit de oxigen în aliajele

custructura α + β este de aproximativ 1900 p.p.m în Ti-6Al-4V şi Ti-6Al-4V-2Sn şi

deaproximativ 110 p.p.m în aliajul Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo.Pentru ca aliajul Ti-6Al-4V să conţină

10% α primar, materialul trebuie să conţinăaproximativ 1300 p.p.m, iar pentru 20% α, 1900

p.p.m. Probele trebuiesc reduse peaxa longitudinală a tensiunilor, paralel cu axa longitudinală a

rezistenţei probelor supuse rupturii. Tensiunea şi duritatea rupturii testate se studiază cu

metodelestandard ale testării tensiunii la materialele metalice. Se efectuează analize ce constauîn

utilizarea luminii şi transmisiei electronice microscopice a tipurilor de tensiuni precum şi

scanarea cu microscopul electronic în tipul de ruptură, la rezistenţa lafractură. Procesele care se

examinează la transmisia electronică microscopică suntslab afectate mecanic la grosime de 0,

0025 cm. Slaba afectare se realizează electronicîntr-o soluţie de 5 procente de acid sulfuric

din volumul de metanol la rece la 238K (-35

o

C). Rupturile de suprafaţă se selecţioneză şi se examinează în trei locuri: în locul prerupturii la

oboseală, în locul prerupturii regiunii de tranziţie şi în locul regiuniirupturii apropiate.