Slitiny titanu a magie tepelného zpracování
proč stejný materiál může mít úplně jiné vlastnosti

Co se mezi nimi liší? Tepelná historie.

U titanu je vztah mezi tepelným zpracováním a finálními vlastnostmi tak silný, že stejné chemické složení může mít několik velmi odlišných variant. Pro materiálového inženýra je to vlastně nepříjemné. Pro výrobce, který ví co dělá, je to jeden z důvodů, proč je titan tak univerzální.

V tomhle článku se podíváme na to, jak slitiny titanu vznikají, jaké mají rodiny a co se s nimi děje při různých režimech tepelného zpracování.

Alfa stabilizátory a beta stabilizátory

V prvním článku jsme si vysvětlili, že čistý titan existuje při pokojové teplotě v HCP struktuře (alfa fáze) a při teplotách nad 882 °C v BCC struktuře (beta fáze). Beta transus je teplota, při které se jedna struktura mění v druhou.

Když do titanu přidáme další prvky, situace se mění. Některé prvky stabilizují alfa fázi, jiné beta fázi. To znamená, že posouvají teplotu, při které k přechodu dochází, a v některých případech umožňují existenci obou fází současně.

Alfa stabilizátory posouvají beta transus nahoru. Kdyby v čistém titanu byla alfa fáze stabilní jen do 882 °C, v slitině s dostatkem alfa stabilizátorů může být stabilní do mnohem vyšších teplot. Nejdůležitější alfa stabilizátory jsou hliník a kyslík. Hliník je standardním přídavkem do většiny technicky používaných slitin titanu.

Beta stabilizátory mají opačný efekt. Posouvají beta transus dolů. Když je jich ve slitině dost, beta fáze zůstává stabilní i při pokojové teplotě. Mezi nejdůležitější beta stabilizátory patří vanad, molybden, niob a železo.

Když do slitiny přidáme oba typy prvků, vznikne přechodová oblast. V určitém teplotním rozsahu mohou alfa i beta fáze koexistovat. To je technicky velmi zajímavá situace, protože umožňuje vyrobit materiál, který má v sobě obě struktury a kombinuje jejich vlastnosti.

Tři rodiny slitin

Z této chemické úvahy vyplývají tři hlavní rodiny slitin titanu, podle toho jaké fáze obsahují při pokojové teplotě.

Alfa slitiny obsahují převážně alfa stabilizátory (především hliník). Při pokojové teplotě obsahují téměř výhradně alfa fázi. Jsou pevné, dobře odolávají creepu, výborně si vedou za vysokých teplot. Špatně se tepelně zpracovávají, protože nemají druhou fázi, kterou by bylo možné manipulovat. Používají se v aplikacích, kde jde především o vysokoteplotní stabilitu a creep odolnost: některé části turbínových motorů, vysokoteplotní výměníky.

Beta slitiny obsahují dostatek beta stabilizátorů na to, aby beta fáze byla stabilní i při pokojové teplotě. Jsou velmi tažné, dobře se zpracovávají, dají se tvarovat při relativně nízkých teplotách. Mají vysokou pevnost a dobře se kalí. Ale za vysokých teplot ztrácejí vlastnosti rychleji než alfa slitiny. Používají se tam, kde je potřeba kombinace pevnosti a tvařitelnosti: pružiny, spojovací prvky, některé komponenty leteckých konstrukcí.

Alfa-beta slitiny kombinují obě fáze. Mají alfa i beta v určitém poměru, který se dá řídit chemickým složením a tepelným zpracováním. Jsou všestranné: pevné, ale stále tažné, dobře se kovají, snášejí svařování. Dají se tepelně zpracovat, čímž se z jednoho materiálu dají vyrobit varianty s velmi odlišnými vlastnostmi.

Mezi alfa-beta slitiny patří nejdůležitější slitina titanu na světě, Ti-6Al-4V, zkráceně Ti-6-4. Obsahuje 6 % hliníku (alfa stabilizátor) a 4 % vanadu (beta stabilizátor). Tato slitina sama o sobě tvoří víc než 50 % světové produkce titanových slitin. Najdete ji v leteckých motorech, v draku letadel, v lopatkách kompresorů, v dentálních implantátech, v kloubních náhradách, ve sportovním vybavení vyšší třídy.

Když se mluví o „titanu“ v aerospace, v praxi se v drtivé většině případů mluví o Ti-6-4.

Mikrostruktura jako další úroveň

Tady přichází to, co dělá titan tak fascinujícím materiálem. Když máme alfa-beta slitinu, můžeme ji zpracovat tak, že obě fáze v ní budou uspořádány několika různými způsoby. A každé uspořádání vede k jiným vlastnostem.

Mikrostruktura titanu, tedy konkrétní geometrické uspořádání zrn alfa a beta fáze ve výsledném materiálu, závisí na třech věcech: teplotě, na kterou byl materiál zahřátý, době, po kterou byl na této teplotě držen, a rychlosti, kterou byl ochlazován.

Pojďme se podívat na pět nejdůležitějších typů mikrostruktur.

Lamelární mikrostruktura vzniká, když materiál zahřejeme nad beta transus (proces zvaný beta-annealing) a pak ho pomalu ochlazujeme. Při zahřátí celá struktura přejde do jednotné beta fáze. Při ochlazování se uvnitř původních beta zrn začnou tvořit ploché destičky alfa fáze, oddělené tenkými filmy zbylé beta fáze. Výsledek vypadá pod mikroskopem jako paralelní destičky uvnitř každého původního zrna. Tato mikrostruktura má vynikající odolnost vůči šíření trhlin (lomovou houževnatost) a dobře si vede za vysokých teplot.

Basketweave mikrostruktura (košíkové pletivo) je variantou lamelární. Vzniká, když je ochlazování rychlejší. Destičky alfa se tvoří hustěji a s větší škálou orientací. Pod mikroskopem to vypadá jako překřížené pletivo. Vlastnostmi je podobná lamelární, jemnější destičky jí ale dávají o něco vyšší pevnost a tažnost.

Equiaxed mikrostruktura (kulová, rovnoosá) vzniká, když materiál zahřejeme pod beta transus, takže obě fáze koexistují, a pak ho ochladíme. Zrna alfa fáze zůstávají přibližně kulovitá a rozptýlená v matrici, která vznikla z bývalé beta fáze. Tato mikrostruktura má dobré obecné mechanické vlastnosti a zejména dobrou odolnost vůči klasické únavě (postupnému poškození při opakovaném zatěžování). Je to stav, ve kterém se Ti-6-4 nejčastěji dodává z hutě a ve kterém se používá ve většině komponent.

Bimodální mikrostruktura je hybridem. Vzniká, když se zahřátí blíží beta transus, ale neuteče nad něj. Některé alfa zrna zůstanou equiaxed (kulovitá), zbytek se transformuje na lamely při ochlazení. Výsledek je mix kulových zrn a lamelárních oblastí. Tato mikrostruktura kombinuje výhody equiaxed (únavová odolnost) a lamelární (lomová houževnatost). Používá se v aplikacích, kde záleží na obojím.

Martenzitická mikrostruktura vzniká, když materiál zahřejeme nad beta transus a pak ho velmi rychle ochladíme, typicky kalením do vody. Atomy nemají čas se uspořádat do rovnovážné struktury. Místo toho zůstanou zachyceny v deformované, napnuté konfiguraci, která se nazývá alfa-prime nebo martenzit. Struktura má pod mikroskopem jehlicovitý vzhled. Materiál je velmi pevný, ale méně tažný. Často se po kalení provádí dodatečné stárnutí (ohřátí na asi 500 °C), které martensit částečně rozloží na velmi jemnou směs alfa a beta. Výsledek je extrémně pevný materiál s velkým počtem mezifázových rozhraní, která brzdí pohyb dislokací.

Co to znamená v praxi

Pro inženýra, který navrhuje součást z titanu, je možnost ovlivnit mikrostrukturu jako mít k dispozici několik různých materiálů s jedním chemickým složením. Pro konkrétní aplikaci se vybere mikrostruktura, která nejlépe odpovídá požadovaným vlastnostem.

Pro lopatku kompresoru, která pracuje za vyšších teplot a musí odolávat creepu, se vybere lamelární nebo basketweave struktura. Pro disk dmychadla nebo kompresoru, který se opakovaně zatěžuje při každém startu a přistání, se vybere equiaxed struktura kvůli únavové odolnosti. Pro vysokopevnostní část draku letadla se vybere martensit po stárnutí.

Z toho také vyplývá, že „titan Ti-6-4“ je vlastně neúplná specifikace. Plnou specifikací je chemické složení plus tepelné zpracování. Dva kusy Ti-6-4, které byly zpracovány jinak, jsou v praxi dva různé materiály s velmi odlišnými vlastnostmi.

To má dva důsledky. První, pozitivní: titan je extrémně všestranný materiál. Druhý, méně pozitivní: u kritických aplikací nestačí specifikovat slitinu, je nutné přesně předepsat i tepelnou historii. A jakákoli odchylka při výrobě může vést k vlastnostem, které neodpovídají očekávání.

Co se může pokazit

A právě v tomto bodě, na rozhraní mezi chemií a tepelnou historií, vznikají někdy problémy, které nejsou viditelné běžnou kontrolou. Materiál může mít správné chemické složení. Může projít všemi standardními mechanickými testy. A přesto mít skrytou vadu v mikrostruktuře, která se projeví až po letech provozu.

Přesně to se stalo v září 2017 nad Atlantikem. Letadlo Air France 066 letělo z Paříže do Los Angeles, když jeden z jeho čtyř motorů katastroficky selhal. Selhal kvůli mikrostrukturní vadě v titanové slitině Ti-6-4, vadě, která vznikla při výrobě a byla neviditelná všemi standardními kontrolami.

Co přesně se stalo a proč to bylo pro průmysl tak velké překvapení, si rozebereme ve třetím článku této série.

Závěr

Slitiny titanu nejsou jen kombinace prvků. Jsou výsledkem chemického složení a tepelné historie. Stejná slitina může mít několik velmi odlišných variant podle toho, jak byla zpracována. Pro běžné aplikace to znamená flexibilitu. Pro kritické aplikace to znamená povinnost přesně kontrolovat každý krok výroby.

Šest procent hliníku, čtyři procenta vanadu, zbytek titan. V tomto receptu se skrývá víc než polovina všech titanových komponent, které dnes létají, slouží v medicíně a pracují v turbínových motorech. Stejné složení, ale ve výsledku pět různých materiálů - záleží na tom, kde strávily kolik času.