TITANUL

Generalitati

Titanul face parte din subgrupa a patra a sistemului lui Mendeleev impreuna cu thoriul , hafniul si zirconiul, avand numarul de ordine 22 si o greutata atomica de 47,90. Desi este unul din cele mai raspandite elemente in scoarta terestra , mult timp a fost putin studiat, considerandu-se ca este un metal dur si casant si ca nu poate fi utilizat in tenica decat in calitate de dezoxidant.

A fost gasit in 1788 sub forma de bioxid si s-a extras sub forma unei pulberi in 1825 impurificata cu nitrura,iar pentru a obtine un metal de puritate corespunzatoare a trebuit sa treaca 100 de ani pana in 1925.

Literatura de specialitate a inceput sa se ocupe excesiv de mult de titan si aliajele sale abia din anul 1940, cand sunt comuniocate rezultatele obtinute la prelucrarea titanului maleabil ,extras prin descompunerea iodurii.Ulterior, s-a raspandit pe scara industriala metoda reduceri magneziotermice a tetraclorurii in atmosfera neutral sau in vid ,realizandu-se buretele de titatn care aliat cu alte metale si elaborate in cuptoare elecrtice cu vid cu electrozi consumabili a dat posibilitatea realizari aliajelor acestui metal[1].

Titanul este unul dintre principali componenti ai scoartei panantului adica in procent de 30 %.datorita dificultatilor procurari acestuia din minereuri a fost considerat un metal rar.

Culoarea tiatnului este alba argintie ,prezinta rezistenta la rupere intre 500 si 880 MPa, are temperature de topire de 1668˚ Csi temperature de fierbere de 3027˚ C, greutatea este specifica titanului 4,5 * 10 la 3 kg pe m la a 3 ,alunigirea este cuprinsa intre 4 si 28 %si duritatea de 180-260 HB.

La incalzire titanul se dilate de 2,5 ori mai putin decat aluminiul,iar rezistivitatea sa electrica este de 5 ori mai mare decat cea a fierului si de 20 de ori decat cea a aluminiului.

Titanul prezinta doua stari alotropice.Tiα stabil pana la 882˚ C si Tiβ stabil de la aceasta temperature pana la temperature de topire.Titanul prezinta o transformare similara celei martensitice fiind tratat termic datorita transformari alotropice. Prin calire la temperature superioare temperaturii de transformare alotropica se obtine o structura fina aciculara asemanatoare cu martensita, iar dupa revenire inalta la temperature imediat sub punctual alotropic structura se globulizeaza.

Influenţa elementelor de aliere asupra proprietăţilor titanuluiZirconul şi hafniul – metale asemănătoare cu titanul – formează serii continue de

soluţii solide cu ambele modificaţii alotropice, aşa cum se constată din diagramele de echilibru prezentate în figura 1, a, b. La călire, în aliajele bogate în titan din sistemul Ti-Zr, Ti-Hf, în domeniul de temperatură corespunzător fazei βTi, se produce transformarea martensică a fazei β în faza α’ ca şi la titanul pur. Numai la călirea aliajelor care conţin peste 20% Zr se poate fixa o oarecare cantitate de fază β. Aceste două elemente de aliere sunt folosite, deoarece măresc refractaritatea şi rezistenţa le fluaj a metalului. În afară de aceasta, ziconiul în aliajele Ti-Al conduce la îmbunătăţirea plasticităţii la fel ca elementele β stabilizatoare.

Mobibdenul, vanadiul, niobiul, tantalul sau reniul formează cu titanul sisteme de aliaje binare cu diagrame de stare aproape de zirconiu (fig 1.2, a, b, c, d), întru-cât ele fac parte din grupa a 5-a a sistemului lui Mendeleev, iar diamentrele atomilor lor diferă de cel al titanului cu mai puţin de 10.....15%, având reţea cristalină izomofă cu faza β. Spre deosebire de ziconiu

2

şi hafniu, solubilitatea lor αTi este limitată ca urmare a deferenţelor în construcţia reţelelor cristaline. La călirea în domeniul β se paote fixa această structură în proporţie de 100% în aliaje binare care conţin 10% Mo, 15%V, 36%Nb, 60%Ta. Dacă aceste elemente sunt adăugate în cantităţi mici, în timpul călirii are loc procesul de transformare martensitică a fazei β în faza α’. Dacă însă călirea se efectuează la temperaturi de domeniul (α+β) se poate fixa faza β chiar la conţinuturi mai mici ale elementelor de aliere pe bază de titan, contribuind la îmbunătăţirea simultană a diferitelor proprietăţi inclusiv a rezistenţei la coroziune. După solubilitatea lor n αTi ele se pot dispune în următoarea ordine: 0,8% Mo, 1...3,5%V, 3...4%Nb, 6.....12,5%Ta.

Din studiul diagramelor de echilibru se constată lipsa fazelor intermetalice, reacţiilor eutectoide şi peritectice, fapt ce determină superioritatea lor faţă de alte elemente de aliere.

Zr, % masice Hf, % atomice

Zr, % atomice Hf, %masice a b Fig. 1 Diagrama de echilibru a sistemului: a – titan-zirconiu; b – titan-hafniu Mo, % atomice Ti, %masice

Mo, % masice Ti, % atomice

3

a c V, %masice Ta, % atomice

V, % atomice Ta, % masice b d Fig. 1.2 Diagrama de echilibru a sistemelor: a – titan-olibden; b – titan-vanadiu; c – titan-niobiu; d – titan-tantal

Cromul fiind izomorf cu βTi formeaza seria continua de solutii solide (fig. 1.3). Soluibilitatea lui αTi este mica (sub 0.5%), iar faza sufera o transformare eutectoida cu separarea fazei α si acompusului intermetalic TiCr2.

Prin calire domeniul β in aliajele care contin peste 7 % Cr se poate fixa aceasta faza.Descompunerea ei eutectoida se produce la incalzirea indelungata a aliajului calit in domeniul de temperature 350 C – temperature de transformare.

Aliajele pe baza sistemului Ti – Cr sunt caracterizate prin proprietati mecanice foarte bune, cromul fiind considerat alaturi de molibden ca cel mai bun element de aliere. In ultimul timp, insemnetatea lui s-a redus deoarece se constata aparitia fragilitatii datorita transformarii eutectoide.

Manganul, fierul, cobaltul, nichelul, staniul, magneziul, aurul, paldiul, argintul sdi sisciliul formeaza cu titanul diagrame de echilibru cu reactii eutectice si eutectoide (fig. 1.4 a, b, c,d, e, f, g, h, i, j).

Dintre aceste elemente, manganul are cea mai mare importanta, intru-cat este accesibil si ieftin. Similar cromului el poate inlocui elementele din grupa β stabilizatoare, intr-o serie de aliaje. Viteza dedesfasurare a reactiei eutectoide este mult mai mica decat in cazul aliajelor cu crom, ceea ce limiteaza aparitia fragilitatii.

Fierul – urmatorul element de aliere important dupa mangan se foloseste ca si cromul in aliaje de titan complexe avand influenta pozitiva asupra caracteristicilor mecanice.

4

Aliajele sistemului Ti – Cu au fost studiate din punctual de vedere al particularitatii structurii si al posibilitatii durificarii prin tratament termic. La aceste aliaje, nu este posibil sa ses fixeze faza β prin calire, ele avand la temperature mediului ambient o structura α si o oarecare cantitate de faza intermetalica.

Influenta staniului asupra proprietatilor titanului a fost studiata de diversi cercetatori. Nu exista o parere asupra constructiei diagramei de echilibru, Cele mai recente lucrari indica formarea unui eutectoid. Se constata o diferenta neinsemnata inte temperature reactiei eutectoide si temperature de tranformare alotropica (17 C), precum si intre continutul solutiei solide saturate α si cancentratia eutectoidului (1% at).

Staniul este unul dintre cele mai bune lemente de aliere pentru alijele α. In cocentratii mari (peste 10 %), are o comportare asemanatoare cu a cuprului formand aliaje cu compusi intermetalici.

Mecanismul transformarii eutectoide in sistemul Ti – Sn a fost putin studiat, deoarece faza β nu se fixeaza prin calire, iar temperature transformarii eutectoide este inalta (865 C) si se poate presupune ca viteza reactiei este foarte mare.

Fig. 1.3. Diagrama de echilibrua sistemului titan - cromArgintul are solubilitate destul de mare in titanul α (maximum 12.5 % la 800 C),

putand forma faze intermetalice cu plasmacitate mare, fapt ce determina ca aliajele din acest sistem sa fie utilizate in calitate de materiale metalice de lipit.

Adaosul de siliciu (de odinul zecimilor de procente) conduce la cresterea refractaritatii aliajelor de tiatn in special cele cu structura αxβ. Aceasta actiune favorabila a siliciului se explica prin aparitia in structura a siliciurilor de titan sau a elementelor de aliere.

Borul, ceriul, lantanul si scandiul formeaza cu titanul sisteme binare, a caror diagrama de stare prezinta eutect si reactii teritectice (fig. 1.5 a, b, c, d). Singurul folosit pana in present ij structura aliajelor de titan este borul care favorizeaza finisarea structurii. Celelalte au fost folosite sub forma de mischmetal, el contribuind la realizarea unor materiale pe baza de titan cu refractaritate inalta.

Aluminiul este unul dintre putinele elemente de aliere care conduc la cresterea temperratirii de transformare alotropica a titanului.

5

6

c

d

7

Fig. 1.4 Diagramele de echilibru ale sistemelor a – mangan – titan b – fier - titan c – cobalt – titan d – titan - staniu

Mg, %masice f Au, %atomice

Au, %masice g Pd, %atomice

Pd, %masice

8

h Ag, %atomice

Ag, %masice i Ti, %masice

Ti,%atomice j

9

B, %atomice Ce, %masice La, %masice a b c

Sc, %masice d Fig. 1 .5 Diagramele de echilibru ale sistemelor: a – titan - bor b – titan – ceriu c – titan – lantan d – titan – scandiu

Fig 1.6 Diagrama de echilibru a sistemului aluminiu – titan[1]

ALIAJE PE BAZA DE TITAN

Titanul constituie in present unul din metalele foarte utilizate ca baza pentru obtinerea de materiale metalice cu proprietati deosebite. Poliformismul, capacitatea buna de aliere cu multe elemente din sistemul lui Mendeleev, formarea unui domeniu larg de solute solide sau faze intermetalice cu solubilitate variata,temperaturainalta de topire si o excelenta rezistenta la

10

coroziune creeaza conditi favorabile pentru a realize o diversitate vasta de structuri si proprietati.[1].

Clasificarea aliajelor de TitanDupa microstructura aliajele de titan sunr monofazice si difazice .Elementele de aliere

maresc sau coboara temperatura transformari de faza α β, facand astfel sa varieze atat domeniul α cat si domeniul β al aliajului.Astfel se deosebesc:

a) elemente α-gene (Al,O,N,B,C );b) elemente β-gene izomorfe (V,Mo,Ta ) care maresc domeniul β;c) elemente izomorfe neutre (Zn,Sn ) care nu modifica nici un domeniu[3].Clasificarea aliajelor de titan folosite in practica se poate face avand la baza mai multe

criteri: modul de prelucrare, proprietatie ( in special rezistenta la rupere),structura si domeniile de utilizare.

a) Dupa modul de prelucrare aliajele de titan se impart in doua mari categori:aliaje deformabile si aliaje pentru turnatorii.Spre deosebire de alte metale in cazul aliajelor pe baza de titan nu exista deosebiri esentiale intre compozitiile acelor doua tipuri de materiale;

b) Dupa proprietati se impart in aliaje cu plasticitate mare si rezistenta medie, suficient de plastice si cu rezistenta mare, cu rezistenta fosrte buna la coroziune,cu proprietati mecanice deosebite la temperature sub 0˚ C, super plastice, supraconductoare, amorfe, cu memorie etc.

c) Dupa domeniile de utilizare , aceste materiale metalice pot fi grupate in urmatoarele categori: aliaje pentru constructi sudate,aliaje utilizate in constructia de autovehicule, aviatie, tehnica spatiala, industria chimica, navala, in criogenie si cu destinati speciale.

d) Dupa structura aliajele se impart in trei categori: α (elementele de aliere se dizolva in α titan); β (elementele de aliere determina stabilizarea acestei structuri la temperature mediului ambient) si α+β (bifazice) la randul lor,aliajele bifazice se impart in trei subgrupe:aliaje bifazice tipice, pseudo α si pseudo β.Cele pseudo α sunt aliaje α care contin in structura cantitati mici de faza β (3…10%). Ele isi pastreaza toate caracteristicile de baza ale aliajelor α, dar prezenta fazei β contribuie la imbunatatirea propietatilor tehnologice si mecanice. Aliajele pseudo β sunt aliaje β care contin in structura cantitati mici de faza α care indeplineste rolul de durificator in procesul de calire si imbatranire.[1]

Aliaje cu propietati speciale

In aceaasta categorie pot fi incluse toate materialele metalice pe baza de titan care au larga utilizare in tehnologiile de varf printe care se pot aminti: aliaje supra conductoare, aliaje destinate industriei electronice, aliaje super plastice, aliaje amorfe, aliaje cu memorie.

Aliajele cu memorie sunt materiale metalice care in anumite conditii au proprietatea de a-si modifica dimensiunile. Dupa suprimarea factorilor externi au capacitatea de a reveni la forma initiala

Aliajele superplastice sint materialele metalice care in anumite domenii de temperaturi au valori pentru alungiri mai mari de 100%. Aceste materiale metalice permit, daca prelucrarea se efectueaza la o temperatura inclusa in acest domeniu sa se obtina prin modelare produse cu configuratie extrem de variata. In aceasta categorie pot fi incluse aliajele de Ti cu structura α si α+β, doua fiind compozitiile mai studiate: 6%Al, 4%F la 950°C, respectiv 5%Al, 2,5%Sn, rest la % Ti la 900°C.

Aliajele supraconductoare, sunt materiale care la temperaturi scazute devin supraconductoare.

Aliajele amorfe sunt materiale metalice cu o structura amorfa (sticla metalica), care se obtin prin viteze de racire cu propieetati deosebite, in special cea ce priveste capacitatea de concentrare a surselor de lumina. Aceste aliaje au gasit deja aplicatii in industria electronica, pentru depuneri de straturi subtiri in bateriile solare.[4]

11

Viteza de oxidare a titanului si a aliajelor de titan

Titanul si aliajele sale sunt incluse in grupa metalelor care asemenea zincului formeaza ca strat de oxid un semiconductor de tip ‘n’. Studiul efectului atmosferei gazoase prezinta o insemnatate deosebita deoarece titanul are o mare capacitate de a dizolva gaze in special H2, O2, N2.

Solubilitatea gazelor in titan limiteaza folosirea titanului si a aliajelor de titan la temperature mai mari daca nu se iau masuri speciale pentru diminuarea efectelor nedorite, cum ar fi cresterea in duritate si descresterea ductilitati.[3]

Influenta tratamentului termomecanic asupra microstructurii si proprietatilor aliajelor de Ti

Inginerii constructori includ aliajele de titan in categoria aliajelor cu un comportament neadecvat din punctul lor de vedere, datorita variatilor foarte mari ale caracteristicilor si comportamentale ale semifabricatelor supuse unui regim de forjare sau tratament termic identic. Aceste variatii apar deoarece proprietatile aliajelor de titan sunt foarte sensibile la caracteristici precum textura, marimea de graunte, transformarea fazei β.

Matritarea se poate efectua numai in domeniul monofazic β, sau α, sau in cel bifazic (α+β), sau (deoarece temperatura de matritare nu se mentine de regula la acelasi nivel) in diferite domenii fazice corespunzatoare diferitelor etape ale procesului de matritare. Deoarece tratamentul termic ulterior poate fi efectuat in orice domeniu fazic indicat, potential, se poate aplica un numar mare de regimuri de tratamente termimecanice.

Insa de-a lungul diferitelor etape de tratament termomecanic este necesar un control foarte riguros, orientat nu numai pentru asigurarea unei uniformitati microstructurale avansate in sectiuni de diferite grosimi, fapt ce va duce implicit la o variatie minima a proprietatilor alijelor.[5].

Matritare in domeniul β

Matritare in domeniul β se poate realiza izoterm, la temperaturi corespunzatoare domeniului de existenta a fazei β, cu terminarea matritarii in domeniul (α+β), prin procesul de racire normala din timpul acestei operatii. Astfel, in procesul de matritare din domeniul β, mai mult de 75% din comprimare se realizeaza de fapt in domeniul (α+β).

Principalul avantaj al matritarii in domeniul β consta in faptul ca procesul de deformare se poate efectua intr-un interval mai larg de temperaturi decat in cazul matritarii in domeniul (α+β) cand intervalul de temperaturi permisiv pentru matritare este mult mai ingust. Acest avantaj permite efectuare matritarii intr-un numar mai mic de comprimari si reincalziri pentru obtinerea formei finale. In plus datorita unor valori mult mai scazute ale rezistentelor de curgere apare posibilitatea matritarii unor piese cu un adaos de material mult mai mic le dimensiunile finale, deci cu o utilitate economica de material.

Legat de faptul ca la scurgere a fazei β este intr-o mare masura sensibila la viteza de deformare apare avantajul posibilitatii de matritare la viteze mici de deformare, proces mai lesne de realizat in conditii izoterme, in care piesa poate fi matritat intr-o singura operatie.[5].

12

Matritarea in domeniul (α+β)

Matritarea in domeniul (α+β) se poate efectua in stadiile initiale in domeniul β, dar pentru obtinerea unei struturi bifazice (α+β) omogene este important ca toate zonele semifabricatului sa fie deformate in acest domeniu, in caz contrar, zonele de metal mort vor avea o microstrutura aciculara caracteristica matritarii sau prelucrarii termice in domeniul β.

In procesul izotermic de matritare in domeniul (α+β) se pot utiliza proprietatile de supraplasticitate ale microstructurii fine (α+β). Majoritatea aliajelor industriale de titan cu structura (α+β) pot fi aduse in stare supraplastica prin deformare la cald cu rate mari de comprimare realizata in domeniul (α+β): astfel, amestecul grosolan de faze stabilizeaza dimensiunea de garunte, care, prin recristalizarea ulterioara, se va micsora.

De exemplu, pentru cazul aliajului Ti-6Al-4V s-a aratat ca prin incercarile le intindere cu viteze de deformare de 10-5-10-3 in intervalul de temperaturi 900-950°C, se atinge marimea coeficientului de sensibilitate a vitezei de deformare de 0,85 si alungirea~1000%. [5].

Determinari experimentale

In prezent se prefera ca in locul titanului tehnic sa se utilizeze aliaje pe baza de titan, aceasta, deoarece pliorfismul titanului ,solubilitatea buna pe care el o permite pentru numeroase elemente ,formarea compusilor chimici cu stabilitate variabila permit obtinerea unui numar mare de aliaje cu structuri se proprietati diferite[3].

Cercetarile autorilor s-au efectuat folosind titan metallic de provinienta ruseasca si englezeasca.

Titanul metallic de provinienta ruseasca are urmatoarele impuritati analizate spectografic: 0,10%Al, 0,20%Fe, 0,10%Si, 0,01%Ni, 0,01%Cu, 0,005%V, 0,02%C, 0,05%N2 ,019%O2.

Titanul englezesc provine de la firma Goodfellow Metals (Cambridge), este de puritate 99,0% si consta in epruvete de grosime 0,25 mm.

Probele de titan utilizate in experiente au avut forma de placute de dimensiuni 30x15x0,30 mm si respectiv 10x10x0,25 mm[3].

13

BIBLIOGRAFIE

[1]. Elaborarea si turnarea aliajelor neferoase specialeMoise IenciuPetru MoldovanNicolae PanaitEditura Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1985

[2]. Studiul Materialelor vol. I I Marioara AbrudeanuEditura Universitati Pitesti, 1999

[3]. Oxidarea Titanului si a unor aliaje de TitanSeria Studi si Cercetari Magdalena Momirlan Viorel BadescuEditura Agir Bucuresti, 2001

[4]. Metalurgie GeneralaSilvia VacuIoan DragomirSanda OpreaEditura Didactica si Pedagogica Bucuresti,

[5]. Metalurgia Nocivin AnnaIon CiucaPublicatia Edituri Stiintifice F.M.R. nr.6/2000

14

CUPRINS

-TITANUL. Generalitati.................................................................................................pag 2

-Influenţa elementelor de aliere asupra proprietăţilor titanului.......................................pag 3

-ALIAJE PE BAZA DE TITAN. Clasificarea aliajelor de titan.....................................pag 11

-Aliaje cu propietati speciale...........................................................................................pag 12

-Viteza de oxidare a titanului si a aliajelor de titan.........................................................pag 12

-Influenta tratamentului termomecanic asupra microstructurii si proprietatilor aliajelor de Ti............................................................................................pag 13

- Determinari experimentale............................................................................................pag14

-Bibliografie....................................................................................................................pag 15

15