2.21 ΣΙΣΑΝΙΟ ΑΛΛΑ ΜΕΣΑΛΛΑ ΚΑΙ ΚΡΑΜΑΣΑ

2.21 ΣΙΣΑΝΙΟ ΑΛΛΑ ΜΕΣΑΛΛΑ ΚΑΙ ΚΡΑΜΑΣΑ 1. ΕΙΑΓΩΓΗ Σο τιτάνιο είχε ανακαλυφκεί από τον Άγγλο William Gregor το 1791. Όχι πολφ αργότερα, το 1795, ο Γερμανόσ χθμικόσ Heinrich Klaproth ανακάλυψε το τιτάνιο μζςα ςτα ορυκτά ρουτιλίου και το ονόμαςε ζτςι από τουσ Σιτάνεσ τθσ ελλθνικισ μυκολογίασ. Μόλισ το 1938, ο William Justin Kroll πζτυχε τθ βιομθχανικι καταςκευι του τιτανίου, με αναγωγι του χλωριοφχου τιτανίου (TiCl 4 ) με τθ χριςθ μαγνθςίου. Αυτι θ διαδικαςία καταςκευισ του τιτανίου ονομάηεται «Διαδικαςία Kroll». Σα πρϊτα κράματα τιτανίου, όπωσ το «κλαςικό» Ti-Al 6 -V 4, αναπτφχκθκαν ςτισ ΘΠΑ ςτα τζλθ τθσ δεκαετίασ του 1940. ε κερμοκραςία δωματίου το κακαρό τιτάνιο (α-titan) κρυςταλλϊνεται ςτο πυκνό εξαγωνικό κρυςταλλικό ςφςτθμα (hexagonal close packed - HCP). ε Σ = 882 C θ κρυςταλλικι δομι αλλάηει ςε ζνα εδροκεντρωμζνο κυβικό ςφςτθμα ςτοιχείο (bcc), β- τιτανίου. Με τον τρόπο αυτό το τιτάνιο εμφανίηει ζνα αλλοτροπικό μεταςχθματιςμό, παρόμοιο με άλλα μζταλλα όπωσ π.χ. Fe, Co, Mn, Zr, SnCe. Θ κερμοκραςία όπου πραγματοποιείται θ μετατροπι αυτι ονομάηεται επίςθσ κερμοκραςία μετάβαςθσ. Σο ςθμείο τιξθσ του τιτανίου είναι Σ = 1668 C και το ςθμείο βραςμοφ Σ = 3.533 C. Σχήμα 1.Αλλοτροπικόσ μεταςχθματιςμό του τιτανίου 1

Θ κερμοκραςία μεταςχθματιςμοφ του τιτανίου μπορεί να επθρεαςτεί από τθν προςκικθ κραματικϊν ςτοιχείων. Σα κραματικά ςτοιχεία Sn και Zr είναι ουδζτερα, ζτςι ϊςτε θ κερμοκραςία μεταςχθματιςμοφ να μθν αλλάξει. Σα ςτοιχεία Al, O 2, Ν 2, και C μετατοπίηουν τθν α-φάςθ του τιτανίου ςε υψθλότερεσ κερμοκραςίεσ (= α- ςτακεροποιθτζσ), ενϊ τα ςτοιχεία κράματοσ, όπωσ τα Mo, V, Ta, και Nb περιορίηουν τθν περιοχι τθσ α-φάςθσ (=βςτακεροποιθτζσ). Σο χιμα 2 δείχνει τθν επιρροι των κραματικϊν ςτοιχείων. Αν και είναι ουδζτερα ςε ότι αφορά τον μεταςχθματιςμό α β, τα ςτοιχεία Sn και Zr ζχουν μια ςθμαντικι επίδραςθ ςκλθρότθτασ επί του α-τιτανίου. Σο πιο ςθμαντικό κραματικό ςτοιχείο είναι το Al, το οποίο μαηί με τα υπόλοιπα κραματικά ςτοιχεία παρεμβολισ όπωσ τα O 2, Ν 2 και C, αυξάνουν ςθμαντικά τθν αντοχι του τιτανίου, αλλά επίςθσ μειϊνουν τθν ικανότθτα παραμόρφωςθσ. Σα ςτοιχεία που ςτακεροποιοφν τθν φάςθ β εμφανίηουν μια αυξθμζνθ διαλυτότθτα ςτο τιτάνιο και κραματικά ςτοιχεία όπωσ ταfe, Cr, Co, Ni, Cu και Si παράγουν ενδομεταλλικζσ φάςεισ με το τιτάνιο. Από το δυαδικό ςφςτθμα Ti-Al μπορεί να φανεί ότι περίπου 6% ΑΛ μπορεί να διαλυκεί μζςα ςε α-τιτάνιο ςε κερμοκραςία δωματίου (χιμα 3). Πολλά κράματα τιτανίου, όπωσ το Ti-Al 6 - V 4 περιζχουν αυτό το χαρακτθριςτικό ποςοςτό περιεκτικότθτασ ςεal. Σχήμα 2.Επιδράςεισ των ςτοιχείων κράματοσ / 1 2

Σχήμα 3. Διάγραμμα φάςεωνti Al υνικωσ τα κράματα τιτανίου ταξινομοφνται ςφμφωνα με τθν μικροδομι τουσ: α-τιτανίο κράματα α-τιτανίου κράματα α + β-τιτανίου κράματα β-τιτανίου κράματα γ-τιτανίου αργιλιδίου Αυτι θ ταξινόμθςθ μπορεί να εξαχκεί από ζνα τριςδιάςτατο διάγραμμα (εν μζρει) ςε μια τομι με ςτακερι περιεκτικότθτα 6% ΑΛ(ςχιμα 4). Σα κράματα γ-τιτανίου αργιλιδίου δεν είναι ςυγκολλιςιμα και δεν κα εξθγθκοφν περαιτζρω. Θ ταξινόμθςθ ςε ελαφρά και βαρζα μζταλλα για μεταλλικά υλικά βάςθσ κακορίηεται ςε ρ<5 g/cm 3 για τα ελαφρά μζταλλα (όπωσ Li, Mg, ΑΛ και Ti) και ρ> 5g/cm 3 για τα βαρζα μζταλλα, όπωσ για παράδειγμα Zr, FeCu ι Ni. Σο τιτάνιο με ειδικό βάροσ του 4,51 g/cm 3 είναι επομζνωσ το βαρφτερο ελαφρφ μζταλλο. Σο τιτάνιο και τα διάφορα κράματα του καλφπτουν ζνα εφροσ αντοχισ ςε εφελκυςμό μεταξφ 500 και 1400 N/mm² και ςυνεπϊσ βρίςκονται ςτθν περιοχι των χαλφβων υψθλισ και υπερυψθλισ αντοχισ. Για δομικά ςτοιχεία που υπόκεινται ςε μεγάλεσ φορτίςεισ και τα οποία πρζπει επίςθσ να είναι πολφ ελαφριά, θ ειδικι αντοχι ςε εφελκυςμό είναι το κατάλλθλο πρότυπο αναφοράσ για τθν αξιολόγθςθ διαφόρων μετάλλων. Είναι αυτό το μζγεκοσ που κάνει τα κράματα του τιτανίου να είναι πολφ ςθμαντικά για ςυγκεκριμζνεσ εφαρμογζσ. 3

Σχήμα 4.Μερικό διάγραμμα φάςεωνti-al-v για τθν κατάταξθ των κραμάτων τιτανίου Σο τιτανίο παράγει ζνα πολφιςχυρό πακθτικό ςτρϊμα οξειδίου το οποίο το κακιςτά ανκεκτικό ενάντια ςε χθμικζσ επικζςεισ ςε οξειδωτικά μζςα, όπωσ νιτρικό οξφ, χρωμικό οξφ, αμμωνία, καλαςςινό νερό ι αζριο χλωρίου με υγραςία. Σο τιτάνιο ζχει περιοριςμζνθ χθμικι αντίςταςθ ςε περιβάλλοντα κεϊκοφ, φωςφορικοφ και φορμικοφ οξζωσ κάτω από οποιεςδιποτε ςυνκικεσ. Οι μθχανικζσ ιδιότθτεσ και θ χθμικι αντίςταςθ μποροφν να βελτιωκοφν με χριςθ κράματικϊν ςτοιχείων όπωσ τα παλλάδιο, αργίλιο, βανάδιο, μολυβδαίνιο, χαλκό ι καςςίτερο. Σο τιτάνιο και τα κράματα του χαρακτθρίηονται από το χαμθλό ειδικό βάροσ τουσ, τθν υψθλι ειδικι αντοχι και τθν πολφ καλι αντοχι ςτθ διάβρωςθ. 4

Επιπλζον, τα κράματα τιτανίου είναι βιοςυμβατά μεταλλικά υλικά. Δεν προκαλοφν καμία βλάβθ ςτο ανκρϊπινο ςϊμα. Αυτά τα εξαιρετικά χαρακτθριςτικά του τιτανίου οδθγοφν ςε ζνα ευρφ φάςμα εφαρμογϊν: Αεροδιαςτθμικι (πρόωςθ πυραφλων, δεξαμενζσ υγροποιθμζνων-αερίων, πτερφγια, δίςκοι τουρμπινϊν, πλαίςια οχθμάτων, δομικά ςτοιχεία) Χθμικι βιομθχανία (αντιδραςτιρεσ, εναλλάκτεσ κερμότθτασ, θλεκτρόλυςθ, αντλίεσ) Θλεκτρολυτικζσ εφαρμογζσ (κουφϊματα, θλεκτρολυτικά κυκλϊματα, αντλίεσ) Λατρικι Σεχνολογία (εμφυτεφματα δοντιϊν, ορκοπεδικά εμφυτεφματα, βθματοδότεσ) Αυτοκινθτοβιομθχανία (υπερςυμπιεςτζσ, βαλβίδεσ, μπιζλεσ, εξατμίςεισ) τρατιωτικζσ εφαρμογζσ (υποβρφχια, αεριοςτρόβιλοι, εξωτερικζσ επιφάνειεσ αεροςκαφϊν, πλαίςιαοχθμάτων) Μθχανολογικζσ εφαρμογζσ (αντλίεσ, κ.λπ.) Λόγω του γεγονότοσ ότι το τιτάνιο είναι ζνα ςχετικά μθ πολφτιμο μζταλλο, παρουςιάηει μεγάλθ ςυγγζνεια με ςτοιχεία όπωσ το οξυγόνο, άηωτο, άνκρακα και υδρογόνο. Ακόμθ και μικρζσ ποςότθτεσ από αυτά τα ςτοιχεία ζχουν μια ςθμαντικι επίδραςθ ψακυροποίθςθσ επί του τιτανίου, ζτςι θ απορρόφθςθ αυτϊν των αερίων κατά τθν ςυγκόλλθςθ πρζπει να εμποδίηεται με κατάλλθλεσ ςυνκικεσ προςτατευτικοφ αερίου. Σχήμα 5. Εφαρμογζσ τιτανίου 5

2. ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΣΙΣΑΝΙΟΤ ΚΑΙ ΚΡΑΜΑΣΩΝ ΣΙΣΑΝΙΟΤ Θ εκνικι και διεκνι ονομαςία του τιτανίου και των κραμάτων τιτανίου δεν ρυκμίηεται ομοιόμορφα. Δίπλα από τθν ονομαςία DIN υπάρχουν και άλλεσ υπάρχουςεσ ονομαςίεσ ςφμφωνα με εκνικά και διεκνι πρότυπα τθσ αεροδιαςτθμικισ, ASTM (American Society of Testing and Materials) και AMS. Επιπλζον, υπάρχουν πολλά (ακόμθ) μθ τυποποιθμζνα εμπορικά ονόματα τα οποία διαφζρουν ανάλογα με τον καταςκευαςτι. Λόγω του όγκου των εν λόγω ονομαςιϊν, μόνο μερικζσ από αυτζσ κα ςυηθτθκοφν. Ονομαςία του τιτανίου ςφμφωνα με DIN φμφωνα με το DIN 17850 το τιτάνιο ορίηεται από ζνα ςφμβολο και ζναν αρικμό που χαρακτθρίηουν το εκάςτοτε κράμα. Σο ςφντομο ςφμβολο για τα υλικά βάςθσ του τιτανίου ζχουν χαρακτθριςτεί ςφμφωνα με το περιεχόμενο ςίδθρο και το περιεχόμενο οξυγόνο, άηωτο, άνκρακα και υδρογόνο. Σο μθ κραματωμζνα υλικά τιτανίου χωρίηονται ςε 4 κατθγορίεσ του τιτανίου (Ti1 - Σi4), (Πίνακασ 1) Πίνακασ 1. Χθμικι ςφςταςθ υλικϊν από μθ κραματωμζνο τιτάνιο. Παράδειγμα: φμφωνα με το DIN 17851, τα κράματα τιτανίου χωρίηονται ςε : Χαμθλά κραματωμζνα (low alloyed) Τψθλά κραματωμζνα(high-alloyed) 6

Παράδειγματα χαμθλϊν κραματωμζνων: Αυτά τα χαμθλά κραματωμζνα υλικά τιτανίου είναι κράματα Ti-Ni-Μο- ι Ti-Pd με μζγιςτθ περιεκτικότθτα ςε ζνα ςτοιχείο<1%. Οι αρικμοί για ταχαμθλά κραματωμζνα υλικά του τιτανίου με βάςθ Ti-Pd, κατατάςςονται από το "1" ζωσ "3" και όχι ςφμφωνα με τθν περιεκτικότθτα κράματοσ ςε% (Πίνακασ 2). Πίνακασ 2. Χθμικι ςφςταςθ των χαμθλά κραματωμζνων υλικϊντιτανίου. Παράδειγμα high alloyed : Σα κραματικά ςτοιχεία ςτα υψθλά κραματωμζνα υλικά τιτανίου κακορίηονται από αρικμοφσ που ζχουν ςχζςθ με τθν %περιεκτικότθτα (Πίνακασ 3). 7

Πίνακασ 3. Χθμικι ςφςταςθ των υψθλά κραματωμζνων υλικϊν τιτανίου. Ονομαςία του τιτανίου ςφμφωνα μεastm Σο ποςοςτό των κραματικϊν ςτοιχείων ορίηεται διαφορετικά από τθ διεκνι ονοματολογία ςε ςχζςθ με τθν ονοματολογία κατά DIN. DIN: 3.7165 TiAl6V4 ASTM: 3.7165 Ti6Al4Vι Ti-6Al-4V Πίνακασ 4. Κατθγοριοποίθςθ του τιτανίου ι των κραμάτων τιτανίου ςφμφωνα με τθν ASTM Κατηγοριοποίηςη του τιτανίου και κραμάτων τιτανίου και πρότυπα ςφγκριςησ 8

Θ καταγραφι διαφορετικϊν διαβακμίςεων και ονομαςιϊν κραμάτων τιτανίου, θ ςφγκριςθ μεταξφ διαφορετικϊν οδθγιϊν και τα πρότυπων ζχει γίνει και εμφανίηονται ςτον πίνακα 5. Πίνακασ 5.φγκριςθ των διαφορετικϊν προτφπων για τθν κατάταξθ των υλικϊν βάςθσ τιτανίου. Ονομαςία του τιτανίου και κραμάτων τιτανίου ςφμφωνα με τα εμπορικά ςήματα. Εκτόσ από κράματα τιτανίου που ορίηονται ςφμφωνα με τα DIN ι ASTM, υπάρχουν πολλά άλλα κράματα που ορίηονται από τα εμπορικά ςιματα. Μερικζσ φορζσ θ ςφνκεςθ των κραμάτων τιτανίου μπορεί να εξαχκεί από το εμπορικό ςιμα. Ωςτόςο, αυτό δεν είναι θ κοινι λογικι για όλεσ τισ ονομαςίεσ εμπορικϊν ςθμάτων. Παραδείγματα: Πίνακασ 6.Εμπορικζσ ονομαςίεσ του τιτανίου και κραμάτων τιτανίου ςφμφωνα με τα εμπορικά ςιματα. 9

3. ΚΑΣΑΚΕΤΗ ΣΙΣΑΝΙΟΤ ΚΑΙ ΚΡΑΜΑΣΩΝ ΣΙΣΑΝΙΟΤ Ο φλοιόσ τθσ γθσ περιζχει κατά μζςο όρο περίπου 0,6% τιτάνιο το οποίο το οδθγεί ςτθν τζταρτθ κζςθ κατάταξθσ των μετάλλων μετά από τον ςίδθρο, το αλουμίνιο και το μαγνιςιο. Σο τιτάνιο δεν είναι διακζςιμο ωσ κακαρό μζταλλο ςτθ φφςθ, αλλά μόνο ωσ ορυκτά τιτανίου, όπωσ ιλμενίτθσ FeTiO 3, περοβςκίτθσ CaTiO 3, τιτανίτθσ CaTi(SiO 4 )O, τιτανικό βάριο BaTiO3, ι ρουτίλιο TiO 2. Οι κφριεσ χϊρεσ όπου υπάρχουν κοιτάςματα είναι θ Αυςτραλία, θ κανδιναβία, θ Βόρεια Αμερικι, GUS-πολιτείεσ και θ Μαλαιςία. Ο Λλμενίτθσ και το ρουτίλιο είναι (προσ το παρόν) τα μόνα μεταλλικά ςτοιχεία που χρθςιμοποιοφνται για τθ βιομθχανικι παραγωγι του τιτανίου. Θ επεξεργαςία των μεταλλευμάτων του τιτανίου ςε αφρό τιτανίου γίνεται με τθν λεγόμενθ διαδικαςία Kroll (χιμα 6). Ο ιλμενίτθσ κα υποςτεί αναγωγι ςε οξείδιο του τιτανίου με άνκρακα μζςα ςτον κλίβανο τόξου. FeTiO 3 + C ->Fe + TiO 2 + CO Σο ρουτίλιο κα μεταμορφωκεί ςε τετραχλωριοφχο τιτάνιο με κωκ και χλωρίδιαςε κερμοκραςίεσ Σ = 750-1000 C. TiO 2 + 2C + 2Cl 2 ->TiCl 4 + 2CO Σο τετραχλωριοφχο Σιτάνιο κα αναχκεί ςε τιτάνιο από το μαγνιςιο ςε ατμόςφαιρα αργοφ και κερμοκραςίεσ T = 800-900 C. Χλωριοφχο μαγνιςιο κα λθφκεί με θλεκτρόλυςθ. TiCl 4 + 2Mg ->Ti + 2MgCl 2 10

Σχήμα 6.Παραςκευι«αφροφ» τιτανίου ςφμφωνα με τθν διαδικαςίαkroll Ο αφρόσ τιτάνιου ςυμπιζηεται ςε ςυμπαγείσ όγκουσ οι οποίοι ςυγκολλοφνται μεταξφ τουσ από μια μθχανι ςυγκόλλθςθσ πλάςματοσ, ςε ζνα επίμθκεσ κυλινδρικό προϊόν με βάροσ μζχρι 13Σ. Αυτό το ενδιάμεςο προϊόν τιτανίου, τοποκετείται ςαν αναλϊςιμο θλεκτρόδιο εντόσ ενόσ κλίβανου τόξου κενοφ (ςτον οποίο μποροφν να προςτεκεί επίςθσ ςκραπ) και τικεται πριν χυτευτεί ςε αντίςτοιχα ςχιματα (ςτρογγυλά, γωνιακά, κ.λπ.). Αυτι θ διαδικαςία καταςκευισ, ξεκινϊντασ από τον αφρό τιτανίου ςε ενδιάμεςθ προϊόν, εμφανίηεται ςτο ςχιμα 7. Για τθν καταςκευι των κραμάτων τιτανίου, π.χ. Ti-Al6-V4, ζνα μίγμα (προ-κράμα) των κραματικϊν ςτοιχείων κα προςτεκεί ςτον αφρό τιτανίου κατά τθ διάρκεια τθσ τιξθσ μζςα ςτον κλίβανο τόξου κενοφ. Θ επακόλουκθ επεξεργαςία του τιτανίου θμι-προϊόντων μπορεί να επιτευχκεί με ψυχρισ ι κερμισ εργαςιμότθτασ, χφτευςθ ι ςυμπίεςθ, ανάλογα με το αντίςτοιχο προϊόν. Κα πρζπει να ςθμειωκεί ότι για όλεσ τισ παραμορφωτικζσ-διαδικαςίεσ κάτω από υψθλζσ κερμοκραςίεσ, μια αποτελεςματικι ατμόςφαιρα προςτατευτικοφ αερίου ι ζνα επαρκζσ 11

κενό, πρζπει να παρζχονται για να αποφευχκεί κάκε είδουσ απορρόφθςθ του αερίου από το τιτάνιο. Σχήμα 7. Διαδικαςία καταςκευισ ενδιάμεςων προϊόντων τιτανίου από τθν πρϊτθ φλθ αφροφ τιτανίου. 4. ΜΙΚΡΟΔΟΜΗ ΣΙΣΑΝΙΟΤ Σα κράματα τιτανίου μποροφν να ταξινομθκοφν ςφμφωνα με διαφορετικά κριτιρια. Ζνα από αυτά τα κριτιρια είναι και θ κατθγοριοποίθςθ ςφμφωνα με τθ μικροδομι κακϊσ οι κφριεσ φυςικζσ και μθχανικζσ τεχνολογικζσ ιδιότθτεσ ενόσ κράματοσ ςχετίηονται με τθν μικροδομι. Όπωσ ιδθ αναφζρκθκαν προθγουμζνωσ, τα υλικά του τιτανίου μποροφν να ταξινομθκοφν ςε: α-τιτάνιο κράματα α-τιτανίου κράματα α + β-τιτανίου κράματα β-τιτανίου (μετα-ςτακερά β-κράματα και κράματα β-εμπλουτιςμζνα) κράματα γ-τιτανίου αργιλιδίου Οι μθχανικζσ-τεχνολογικζσ ιδιότθτεσ των κραμάτων τιτανίου βαςίηονται κυρίωσ ςτθ χθμικι ςφνκεςθ και τθν αντίςτοιχθ μικροδομι. Σο τιτάνιο και τα κράματα α- τιτανίου εμφανίηουν 12

μικροδομι μιασ φάςθσ που αποτελείται από ζνα τφπο κρυςτάλλου και χωρίσ κατακρθμνίςεισ. Σχήμα 8.Μικροδομι κακαροφ τιτανίου. Οι μικροδομζσ των κραμάτων α + β -τιτανίου μπορεί να είναι πολφ περίπλοκεσ και περιζχουν ςχεδόν πάντα τισ φάςεισ α και βοι οποίεσ είναι διαφορετικζσ ςε μζγεκοσ και προςανατολιςμό. Θ ρφκμιςθ των μικροδομϊν για κακοριςμζνα χαρακτθριςτικά επιτυγχάνεται με κερμομθχανικι παραμόρφωςθ ςε ςυνδυαςμό με ανόπτθςθ, ανακρυςτάλλωςθ και τεχνθτι γιρανςθ. Σα κράματα α + β- και β- τιτανίου μποροφν να παρουςιάηουν τισ ακόλουκεσ τροποποιιςεισ τθσ μικροδομισ: φυλλοειδισ (lamellar) ςφαιροειδισ (globular) Δομι διπλισ φάςθσ (Duplexstructure) 13

Σχήμα 9.Σομι του τριμεροφσ ςυςτιματοσ Ti-Al-V για 6% Al. Τλικό Βάςθσ TiAl6V4 Σα χαρακτθριςτικά των κραμάτων α-, α + β- και β- τιτανίου μποροφν να επθρεαςτοφν από ςυνδυαςμοφσ ςυγκεκριμζνων κερμικϊν κατεργαςιϊν. Μζςω κερμομθχανικισ παραμόρφωςθσ κάτω και πάνω από τθν κερμοκραςία του β-μεταςχθματιςμοφ, ςε ςυνδυαςμό με ανόπτθςθ διαλυτοποίθςθσ ςτθν ςτερει κατάςταςθ, ι ανακρυςτάλλωςθ που ακολουκείται από κζρμανςθ ι τεχνθτι γιρανςθ, μποροφν να επιτευχκοφν αρκετζσ ςυγκεκριμζνεσ τροποποιιςεισ ςτθν μικροδομι. Θ μζγιςτθ κερμοκραςία και θ ταχφτθτα ψφξθσ είναι υπεφκυνεσ για το βακμό ςτον οποίο οι παραγόμενεσ φάςεισ κα είναι χονδροειδείσ ι λεπτόκοκκεσ. Μια βαςικι επιςκόπθςθ των κερμικϊν κατεργαςιϊν για κράματα τιτανίου δίνεται ςτο ςχιμα 10. ε αντίκεςθ με τισ φυλλοειδείσ μικροδομζσ, οι ςφαιροποιθμζνεσ μικροδομζσ δθμιουργοφνται από μια ζντονθ ψυχρι παραμόρφωςθ ςτθν α + β-περιοχι που ακολουκείται από ανόπτθςθ διαλυτοποίθςθσ ςτθν ςτερει κατάςταςθ ι ανόπτθςθ ανακρυςτάλλωςθσ και τεχνθτισ γιρανςθσ κάτω από τθν κερμοκραςία του β- μεταςχθματιςμοφ. Θ μικροδομι περιζχει ςτρογγυλι α- φάςθ, ενςωματωμζνθ ςε μια φυλλοειδι α+ β μιτρα. Οι ςυγκριτικά μεγαλφτερεσ φυλλοειδείσ μικροδομζσ των κραμάτων τιτανίου είναι πιο ανκεκτικζσ ςε ερπυςμό και ςτθ διάδοςθ ρωγμϊν από τισ ςφαιρικζσ ι τισ δομζσ διπλϊν φάςεων. Οι ςυνικωσ πιο λεπτόκοκκεσ ςφαιρικζσ μικροδομζσ εμφανίηουν υψθλότερεσ αντοχζσ εφελκυςμοφ και κόπωςθσ και ζχουν μια μεγαλφτερθ επιμικυνςθ κατά τθ κραφςθ κακιςτϊντασ αυτά τα κράματα ειδικά κατάλλθλα για εφαρμογζσ που απαιτοφν υψθλζσ τιμζσ πλαςτικισ παραμόρφωςθσ. 14

Σχήμα 10. Κερμικζσ κατεργαςίεσ των κραμάτων τιτανίου Σχήμα 11.Φυλλοειδισ μικροδομι Σα κράματα β-τιτανίου μποροφν να υποδιαιρεκοφν περαιτζρω ςε: μετα-ςτακερά κράματα β-τιτανίου και εμπλουτιςμζνα κράματα β-τιτανίου. 15

Αυτά τα κράματα ζχουν τόςο μεγάλθ περιεκτικότθτα ςε ςτοιχεία που ςτακεροποιοφν τθν β-φάςθ που δεν κα υπάρξει μαρτενςιτικόσ μεταςχθματιςμόσ κατά τθν ψφξθ. Σα κράματα β- τιτανίου κα υποβλθκοφν ςυνικωσ ςε μία κερμομθχανικι κατεργαςία μζςω: Παραμόρφωςθσ ςτθν περιοχι β-, Ψφξθ, που ακολουκείται από ψφξθ ςε νερό και Σεχνθτι γιρανςθ. Εάν θ ανόπτθςθ ςτερεοφ διαλφματοσ εκτελεςτεί πάνω από τθ κερμοκραςία του β- μεταςχθματιςμοφ, κα γίνει ανακρυςτάλλωςθ με μεγζκυνςθ των κόκκων. Μια ανόπτθςθ διαλυτοποίθςθσ ςτθν περιοχι των α + β φάςεων, κα οδθγιςει ςε ζνα τμιμα πρωτογενϊν α-κόκκων ενςωματωμζνουσ ςε μία μιτρα β-φάςθσ. Ανάλογα με τισ ςυνκικεσ τθσ κερμομθχανικισ κατεργαςίασ και τθσ κερμοκραςίασ δαλυτοποίθςθσ, μπορεί να επιτευχκοφν διαφορετικά είδθ μικροδομϊν. Κατά ςυνζπεια, τα κράματα β-τιτανίου ζχουν μια ευρεία ποικιλία χαρακτθριςτικϊν. τθν κατάςταςθ ςκλιρυνςθσ τα κράματα β-τιτανίου μποροφν να επιτφχουν πολφ υψθλζσ αντοχζσ ςε εφελκυςμό αλλά κατά ςυνζπεια λιγότερθ ολκιμότθτα. ε κατάςταςθ μθ ςκλιρυνςθσ ζχουν παρόμοια ολκιμότθτα ςε τα α- ι α + β-κράματα. 5. ΜΗΥΑΝΙΚΕ ΙΔΙΟΣΗΣΕ τον πίνακα 7 καταγράφονται οι μθχανικζσ ιδιότθτεσ μερικϊν κραμάτων τιτανίου. 16

Πίνακασ 7. Μθχανικζσ ιδιότθτεσ τιτανίου ι κραμάτων τιτανίου Μηχανικζσ-τεχνολογικζσ ιδιότητεσ των υλικών βάςησ τιτανίου ΣΛΣΑΝΛΟ ΑΛΛΑ ΜΕΣΑΛΛΑ ΚΑΛ ΚΡΑΜΑΣΑ Οι μθχανικζσ-τεχνολογικζσ ιδιότθτεσ των κραμάτων α- τιτανίου εξαρτϊνται κυρίωσ από: περιεκτικότθτα ςε οξυγόνο, περιεκτικότθτα ςε άηωτο, περιεκτικότθτα ςε άνκρακα και το περιεχόμενο υδρογόνου Θ ςκλθρότθτα ι τθν αντοχι ςε εφελκυςμό του τιτανίου κα αυξθκεί ςθμαντικά από το περιεχόμενο οξυγόνο και άηωτο. Σχήμα 12. Αφξθςθ τθσ ςκλθρότθτασ Brinell του τιτανίου, ανάλογα με τθν περιεκτικότθτα ςε ςυγκεκριμζνα ςτοιχεία. Πίνακασ 8. Μθχανικζσ τεχνολογικζσ ιδιότθτεσ των Ti1 να Σi4. Οι αντοχζσ ςε εφελκυςμό που επιτυγχάνονται από το τιτανίου και τα κραμάτα τιτανίου αντιμετωπίηουν μια άμεςθ ςφγκριςθ με άλλα βαςικά υλικά καταςκευισ. ε ςφγκριςθ με τουσ χάλυβεσ, τα όρια διαρροισ R p0,2 των Ti1 - Σi4 επιτυγχάνουν παρόμοιεσ τιμζσ με εκείνεσ των απλϊν καταςκευαςτικϊν χαλφβων. Σα όρια διαρροισ R p0,2 17

τωνκραμάτων α + β τιτανίου επιτυγχάνουν παρόμοιεσ τιμζσ με εκείνεσ των υψθλισ αντοχισ λεπτόκοκκων χαλφβων (χιμα 13). Σχήμα 13. Όρια διαρροισ χαλφβων ςε ςφγκριςθ με το τιτάνιο ι τα κράματα τιτανίου Ειδικά για αεροδιαςτθμικζσ εφαρμογζσ όπου το βάροσ είναι εξαιρετικά ςθμαντικό, τα κράματα του τιτανίου ζχουν ζνα πλεονζκτθμα ζναντι των κραμάτων από χάλυβα λόγω του χαμθλότερου ειδικοφ βάρουσ τουσ. Αντοχή ερπυςμοφ του τιτανίου και των κραμάτων τιτανίου Οι εφαρμογζσ των ανκεκτικϊν ςτον ερπυςμό κραμάτων τιτανίου επθρεάηονται από τθν ειδικι αντοχι εφελκυςμοφ ςε ςχζςθ με τθν κερμοκραςία, κακϊσ και από τθν πραγματικι κερμοκραςία λειτουργίασ. Σα ανκεκτικά ςτον ερπυςμό κράματα α- και α + β-τιτανίου μπορεί να λειτουργιςουν ςε κερμοκραςίεσ μζχρι περίπου T = 550 C. Κράματα τιτανίου με βάςθ TiAl μπορεί να φτάςουν ςε κερμοκραςίεσ λειτουργίασ παρόμοιεσ με εκείνεσ των ανοξείδωτων χαλφβων υψθλϊν κερμοκραςιϊνι ταυπερκράματα νικελίου. Προσ το παρόν, μόνο ταμονο-κρυςταλλικά υπερ-κράματα ζχουν εφαρμογζσ ςτισ υψθλότερεσ κερμοκραςίεσ λειτουργίασ πάνω των 1200 C (χιμα 14). Πζρα από τθν αντοχι εφελκυςμοφ ςτθν κερμοκραςίεσ λειτουργίασ, θ αντοχι ερπυςμοφ (πλαςτικι παραμόρφωςθ) είναι ςθμαντικι. Μια ςθμαντικι αφξθςθ τθσ αντοχισ ερπυςμοφ των κραμάτων τιτανίου επιτυγχάνεται με τθν προςκικθ πυριτίου. Σο ςχιμα 15 δείχνει τθν επίδραςθ του πυριτίου ςτον ερπυςμό. Μια πικανι εξιγθςθ για τθν κετικι επίδραςθ του πυριτίου ςτον ερπυςμό είναι θ κατακριμνιςθ των ενϊςεων του πυριτίουςτισ διαταραχζσ ςε υψθλζσ κερμοκραςίεσ οι οποίεσ κατά ςυνζπεια επθρεάηουν με τθν κίνθςι τουσ. 18

Θ μθχανικι ςυμπεριφορά των κραμάτων τιτανίου με αντοχι ερπυςμοφ, εκτόσ από τθν περιεκτικότθτα του πυριτίου, επθρεάηεται και από τον τφπο τθσ μικροδομισ. Οι φυλλοειδείσ μικροδομζσ εμφανίηουν καλφτερθ ςυμπεριφορά ερπυςμοφ από ότι οι ςφαιρικζσ ι οι μκροδομζσ διπλισ φάςθσ, όπωσ φαίνεται και ςτο ςχιμα 16. Μια άλλθ δυνατότθτα για αφξθςθ τθσ αντοχισ ερπυςμοφ των κραμάτων τιτανίου είναι θ δθμιουργία μιασ μικροδομισ με διαςπορά φάςεων Er 2 0 3, TiB ι Τ 2 Ο 3. Θ διαςπορά αυτϊν των φάςεων οι οποίεσ χαρακτθρίηονται από μεγάλθ ςτακερότθτα ςε υψθλζσ κερμοκραςίεσ είναι αποτελεςματικι μόνο με τθν μορφι λεπτόκοκων κατακρθμνίςεων οι οποίεσ μπορεί να επιτευχκοφν με υψθλζσ ταχφτθτεσ ςτερεοποίθςθσ. Μζςω αυτισ τθσ μικροδομισ κερμοκραςίεσ λειτουργίασ ζωσ και T = 800 C μπορεί να επιτευχκοφν για κράματα γ- τιτανίου αργιλιδίου (TiAl). Σχήμα 14. Ειδικι αντοχι ςε διάφορα υλικά βάςθσ ανάλογα με τθ κερμοκραςία λειτουργίασ. 19

Σχήμα 15.Επίδραςθ του πυριτίου ςτθν αντοχι ςε ερπυςμό για το κράμα TiAl6Sn2Zr4Mo2 Σχήμα 16. Επίδραςθ τθσ μικροδομισ ςτθν αντοχι ςε ερπυςμό του κράματοσ TiAl6Sn2Zr4Mo2Si0,1 (TIMETAL 1100) 20

Πλαςτική παραμόρφωςη του τιτανίου και κραμάτων τιτανίου ΣΛΣΑΝΛΟ ΑΛΛΑ ΜΕΣΑΛΛΑ ΚΑΛ ΚΡΑΜΑΣΑ Θ ικανότθτα για πλαςτικι παραμόρφωςθ αυξάνεται με τθν αλλαγι του κρυςταλλικοφ πλζγματοσ από πυκνό εξαγωνικό (HCP) ςε χωροκεντρωμζνο κυβικό (cbc). Σο παραπάνω ςυμπζραςμα που ιςχφει για όλα τα μζταλλα, εξθγεί τθν περιοριςμζνθ πλαςτικι παραμόρφωςθ του εξαγωνικοφ α-τιτανίου. Αυτι θ περιοριςμζνθ ικανότθτα παραμόρφωςθσ του εξαγωνικοφ πλζγματοσ ςχετίηεται με το μικρό αρικμό επιπζδων ολίςκθςθσ και το κάπωσ μεγαλφτερο μζγεκοσ τθσ απόςταςθσ ολίςκθςθσ ςε ςχζςθ με τα αντίςτοιχα μεγζκθ των κρυςταλλικϊν πλεγμάτων cbc- ι cfc. Μόνο οι κακαρζσ μορφζσ τιτανίου Ti1 και Σi2 εμφανίηουν καλζσ ικανότθτεσ παραμόρφωςθσ εν ψυχρϊ. Θ πλαςτικι παραμόρφωςθ των κραμάτων α-τιτανίου κα πρζπει να πραγματοποιείται κατά προτίμθςθ ςε κερμοκραςίεσ πάνω από τθ κερμοκραςία του β-μεταςχθματιςμοφ, μετά τον μεταςχθματιςμό του α-τιτάνιου ςε β-τιτανίο (bcc). Σο TiAl6V4 το οποίο είναι ζνα τυπικό κράμα α+β-τιτανίου δεν μπορεί να παραμορφωκεί εν ψυχρϊ παρά μόνο ςε υψθλότερεσ κερμοκραςίεσ ι με μθχανιςμό υπερπλαςτικισ παραμόρφωςθσ. ε αεροδιαςτθμικζσ εφαρμογζσ εξαρτιματα με πολφπλοκα ςχιματα καταςκευάηονται με υπερπλαςτκι διαμόρφωςθ (Super Plastic Forming - SPF) ςε ςυνδυαςμό με ι χωρίσ ςυγκόλλθςθ διάχυςθσ (Diffusion Bonding - DB). Σο TiAl6V4 είναι ιδιαίτερα γνωςτό για τον υπερπλαςτικό του ςχθματιςμό. Σο φαινόμενο τθσ υπερπλαςτικότθτασ με επίπεδα παραμόρφωςθσ ζωσ 2000% είναι ιδθ γνωςτό από τθ δεκαετία του 1930. Ειδικά για τα κράματα τιτανίου ειδικζσ προχποκζςεισ πρζπει να τθροφνται για να επιτευχκεί θ υπερπλαςτικι διαμόρφωςθ. Αυτζσ οι προχποκζςεισ περιλαμβάνουν μία κερμοκραςία που πρζπει να είναι τουλάχιςτον το 90% τθσ κερμοκραςίασ μετά ςχθματιςμοφ, χαμθλι ταχφτθτα παραμόρφωςθσ και μια λεπτόκοκκθ μικροδομι. Συπικι παράμετροι για να επιτευχκεί υπερπλαςτικι παραμόρφωςθ για το κράμα TiAl6V4 είναι: Κερμοκραςία Σ = 925 C ταχφτθτα παραμόρφωςθσ 10-3 /s μζγεκοσ κόκκου 5-15 μm Κατά τθ διάρκεια τθσ υπερπλαςτικισ παραμόρφωςθσ, το υλικό του τιτάνιου κα είναι υπό μθχανικι πίεςθ ςε ςυνκικεσ υπερπίεςθσ με ατμόςφαιρα Ar και υψθλζσ κερμοκραςίεσ. Με ζνα ςυνδυαςμό κατεργαςιϊν SPF/DB, ελαφριά και άκαμπτα δομικά ςυςτατικά μπορεί να καταςκευαςτοφν ςε ζνα μόνο βιμα εργαςίασ. Αυτόσ ο ςυνδυαςμόσ κατεργαςιϊν περιλαμβάνει τθν ςτερζωςθ πολλαπλϊν ελαςμάτων τιτανίου το ζνα πάνω ςτο άλλο και τθν επικάλυψθ τουσ με ζνα ειδικό αντιδραςτιριο. τθν ςυνζχεια, κάτω από ςυνκικεσ 21

υπερπίεςθσ αργοφ και υψθλζσ κερμοκραςίεσ τα ελάςματα πιζηονται ςε ζνα καλοφπι και ςυγκολλοφνται με διάχυςθ ςτισ περιοχζσ μεταλλικισ επαφισ. Σο ςχιμα 17 δείχνει ςχθματικά τθν επεξεργαςία SPF / DΒ για αρκετά άκαμπτα δομικά ςυςτατικά. Σχήμα 17. Καταςκευι δομικϊν ςτοιχείων από SPF/DB 22

6. ΕΦΑΡΜΟΓΕ ΣΙΣΑΝΙΟΤ ΚΑΙ ΚΡΑΜΑΣΩΝ ΣΙΣΑΝΙΟΤ Οι ιδιότθτεσ και τα χαρακτθριςτικά των κραμάτων τιτανίου εμφανίηονται ςτον παρακάτω πίνακα 9. Πίνακασ 9. ιδιότθτεσ / χαρακτθριςτικά των κραμάτων τιτανίου α-τιτάνιο καικράματα α- τιτανίου Σα α-κραμάτα τιατανίου χρθςιμοποιοφνται κυρίωσ ςτθ χθμικι βιομθχανία και ςτθν τεχνολογία των διεργαςιϊν χάρθ ςτθν εξαιρετικι αντοχι ςτθ διάβρωςθ και τθν ικανότθτα παραμόρφωςθ. Θ αντοχι ςε εφελκυςμό δεν ζχει ςυχνά μεγάλθ ςθμαςία. Χάρθ ςτθν εξαιρετικι παραμόρφωςθσ τουσ Ti1 και Ti2 χρθςιμοποιοφνται για επζνδυςθ χαλφβδινων δοχείων με μθχανιςμό ζκρθξθσ (explosioncladding). Ti3 undti4 ζχουν τισ εφαρμογζσ ςε δοχεία πίεςθσ και τθν καταςκευι οπλιςμοφ λόγω τθσ αυξθμζνθσ αντοχισ ςε εφελκυςμό. Θ παραμόρφωςθ αυτϊν των κραμάτων τιτανίου γίνεται υπό υψθλζσ κερμοκραςίεσ. Σα κράματα τιτανίου που ονομάηονται near-α titanium alloys αντιπροςωπεφουν τα κλαςςικά κράματα τιτανίου ερπυςμοφ ςε κερμοκραςίεσ Σ=550 C. Αυτά τα κράματα τιτανίου ςυνδυάηουν τθν υψθλι αντοχι ςε εφελκυςμό με καλι αντοχι ερπυςμοφ Σο Ti-6Al- 23

2SN-4Zr-2Mo είναι ζνασ τυπικόσ εκπρόςωποσ αυτισ τθσ ομάδασ κράματοσ. ε ςχζςθ με τα προαναφερόμενα κράματα τιτανίου, μια επιπλζον αφξθςθ ςτθν αντοχι ερπυςμοφ μπορεί να επιτευχκεί με τθν προςκικθ 0,1% Si. Σα κράμα τιτανίου Ti-6Al-2SN-4Zr-2Mo-0.1Si (TIMET 1100) εφαρμόηονται ςτθν καταςκευι αεριοςτρόβιλων. Οι ςθμερινζσ υψθλότερεσ κερμοκραςίεσ λειτουργίασ ζωσ T = 600 C κα πρζπει να επιτευχκοφν με τθ χριςθ κραμάτων τιτανίου Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0,5 Μο-0.7Nb- 0.35Si-0.06C (TIMET 834). Κράματα α+β-τιτανίου Με μερίδιο άνω του 50% όλων των κραμάτων τιτανίου που καταςκευάηονται, το κράμα TiAl6V4 αντιπροςωπεφει το πιο κοινά εφαρμοςμζνο κράμα τιτανίου και αυτό που ζχει ερευνθκεί περιςςότερο από όλα. Αυτό το κράμα εφαρμόηεται ςχεδόν ςε όλεσ τισ βιομθχανικζσ περιοχζσ όπου οι απαιτιςεισ είναι ςθμαντικζσ όςον αφορά το βάροσ, τθν αντοχι ςε εφελκυςμό, τθν αντοχι ςτθ διάβρωςθ, τθ βιο-ςυμβατότθτα για κερμοκραςίεσ λειτουργίασ <400 C. Οι τελευταίεσ εξελίξεισ ςτα κράματα α+β-τιτανίου ζχουν οδθγιςει ςε ακόμθ υψθλότερεσ αντοχζσ ςε εφελκυςμό, που ζχουν επιτευχκεί από τα κράματα TiAl6V6Sn2 ι TiAl6Sn2Zr4Mo6. Κράματα β-τιτανίουσα κράματα β-τιτανίου παρουςιάηουν τισ υψθλότερεσ ιδιότθτεσ όςον αφορά τθν αντοχι ςε εφελκυςμό και αντοχι ςε κραφςθ. Συπικά κράματα τιτανίου αυτισ τθσ κατθγορίασ είναι τα TiV10Fe2Al3 και TiAl3V8Cr6Mo4Zr4 (Beta C), τα οποία βρίςκουν εφαρμογι ςαν ςφυριλατα εξαρτιματα υψθλισ φόρτιςθσ ςε τουρμπίνεσ ςτθν αεροδιαςτθμικι βιομθχανία. Λόγω τθσ υψθλισ αντοχισ ςε εφελκυςμό ςε ςυνδυαςμό με αποδεκτι επιμικυνςθ μετά τθ κραφςθ, τα κράματα τιτανίου όπωσ TiFe4.5Mo6.8Al1.5 (TIMETAL LCB) βρίςκουν εφαρμογι ςαν ελατιρια αναρτιςεων ςτθν αυτοκινθτοβιομθχανία. 24

7. ΤΓΚΟΛΛΗΙΜΟΣΗΣΑ ΣΛΣΑΝΛΟ ΑΛΛΑ ΜΕΣΑΛΛΑ ΚΑΛ ΚΡΑΜΑΣΑ φμφωνα με το πρότυπο ISO/TR 15608 το τιτάνιο και τα κράματα τιτανίου κατατάςςονται ςε ομάδεσ για τθ ςυγκόλλθςθ. Ο πίνακασ 10 παρουςιάηει τισ ομάδεσ των κραμάτων τιτανίου από αυτόν τον κανονιςμό. Οποιαδιποτε περαιτζρω υπο-ομαδοποίθςθ των ομάδων δεν είναι ζγκυρθ για ςκοποφσ ςυγκολιςεων. Πίνακασ 10. Κατθγοριοποίθςθ τιτανίου και κραμάτων τιτανίου για τθ ςυγκόλλθςθ Γενικζσ ςυςτάςεισ για τη ςυγκόλληςη τιτανίου και κράματα τιτανίου Χϊροι εργαςίασ που χρθςιμοποιοφνται για τθ ςυγκόλλθςθ κραμάτων τιτανίου κα πρζπει να χωρίηονται από άλλεσ περιοχζσ παραγωγισ. Κατάλλθλα εξαρτιματα και εργαλεία για τθν προετοιμαςία τθσ επιφάνειασ των εξαρτθμάτων του τιτανίου κακϊσ και επιπλζον εξοπλιςμόσ για τισ ςυγκολλιςεισ προςτατευτικοφ αερίου κα πρζπει να είναι διακζςιμα. Γενικά πρζπει να χρθςιμοποιοφνται ςυνκικεσ παρόμοιεσ με εκείνεσ για τθν ςυγκόλλθςθ των ωςτενιτικϊν χαλφβων. Πριν από ςυγκόλλθςθ υλικϊν τιτανίου, θ ενδελεχισ προετοιμαςία και ο κακαριςμόσ είναι απαραίτθτα για τισ τελικζσ ιδιότθτεσ των εξαρτθμάτων. Οι φρζηεσ τθσ ςυγκόλλθςθσ και οι γειτονικζσ ηϊνεσ των εξαρτθμάτων τιτανίου πρζπει να είναι πολφ προςεκτικά κακαριςμζνεσ και χωρίσ καμία ακακαρςία. Εάν είναι απαραίτθτο κάκε είδουσ ακακαρςία πρζπει να αφαιρείται με κακαριςτικά (ακετόνθ, ιςοπροπανόλθ). Πριν από τθ ςυγκόλλθςθ προϊόντων χφτευςθσ, θ εξωτερικι επιφάνεια οξειδίου πρζπει να αφαιρεκεί εντελϊσ μζχρι το ανεπθρζαςτο υλικό βάςθσ. Σα υλικά πλιρωςθσ πρζπει να κακαρίηονται με κακαριςτικά που δεν περιζχουν CFC. 25

Κατά τθ διάρκεια τθσ ςυγκόλλθςθσ του τιτανίου και των κραμάτων του πρζπει να αποτραπεί θ απορρόφθςθ (pick-up) αερίων (O 2, N 2, H 2 ) και άνκρακα. Οι περιοχζσ γφρω από τθ ηϊνθ τιξθσ που είναι ακόμθ ηεςτζσ και το μόλισ ςτερεοποιθμζνο μζταλλο τθσ ςυγκόλλθςθσ πρζπει να προςτατεφεται από τθν είςοδο του αζρα με ζνα αποτελεςματικό αζριο προςταςίασ. Για το ςκοπό αυτό, κα πρζπει να εφαρμοςτοφν ςυγκεκριμζνεσ προςτατευόμενεσ περιοχζσ (trailing shields) ι ςτακερά τοποκετθμζνα ακροφφςια αερίου (ςχιμα 18, 19). υνικωσ οι καμπίνεσ που γεμίηουν με το προςτατευτικό αζριο περιζχουν πορϊδθ βάςθ από πορϊδεσ μζταλλο (χαλκό, CrNi-χάλυβα). Και θ ρίηα τθσ ςυγκόλλθςθσ πρζπει να προςτατεφεται από τθν είςοδο αζρα. Για το ςκοπό αυτό, ςτο πίςω μζροσ τθσ ςυγκόλλθςθσ κα πρζπει να εφαρμόηονται κανάλια με αεραγωγοφσ εξαγωγισ ι με πορϊδθ βάςθ (ςχιμα 20). Πολλζσ φορζσ για τθν ςυγκόλλθςθ υλικϊν τιτανίου χρθςιμοποιοφνται κλειςτοί κάλαμοι (ςχιμα 21). Μια ροι του αργοφ από το κάτω μζροσ του καλάμου προσ τα πάνω βοθκάει για τθν επιτυχθμζνθ προςταςία τθσ ςυγκόλλθςθσ. Ο αζρασ ςυμπιζηεται ζξω από τθν περιοχι τθσ ςυγκόλλθςθσ ςτο υψθλότερο ςθμείο του καλάμου, κακϊσ είναι ελαφρφτεροσ από το αργό. Σχήμα 18. υγκόλλθςθ TIG ακολουκοφμενθ από καμπίνα προςταςίασ για τθν ςυγκόλλθςθ τιτανίου (Torch with Trailing Shield Nozzle) 26

Σχήμα 19. τακερά τοποκετθμζνο κάλυμμα με ακροφφςια προςτατευτικοφ αερίου για τθν ςυγκόλλθςθ τιτανίου. Σχήμα 20. Κανάλια με τρυπθμζνουσ αεραγωγοφσ για τθν προςταςία τθσ ρίηασ κατά τθν ςυγκόλλθςθ τιτανίου. 27

Σχήμα 21. Φουςκωτό κάλυμμα PVC (αριςτερά) και δοχείο υπό πίεςθ (δεξιά) για τθν ςυγκόλλθςθ τιτανίου. Αν παρατθρείται αποχρωματιςμόσ τθσ περιοχισ τθσ ςυγκόλλθςθσ, θ εκτίμθςθ του χρϊματοσ πρζπει να γίνεται ςφμφωνα με το Leaflet DVS 2713. Οι αντίςτοιχοι πίνακεσ παρουςιάηουν τα αποδεκτά και μθ αποδεκτά χρϊματα ςτθν περιοχι τθσ ςυγκόλλθςθσ ενόσ κράματοσ τιτανίου. Πίνακασ 11. Αποδεκτά χρϊματα ςτθν περιοχι τθσ ςυγκόλλθςθσ. Πίνακασ 12. Μθ αποδεκτά χρϊματα ςτθν περιοχι τθσ ςυγκόλλθςθσ. 28

Συγκόλληςη με δζςμη ηλεκτρονίων (Electron Beam Welding -EB) Θ μζκοδοσ ςυγκόλλθςθσ με δζςμθ θλεκτρονίων ςτο κενό είναι πολφ καλά προςαρμοςμζνθ για τα υλικά με βάςθ το τιτάνιο. Για επιχειρθςιακι χριςθ μιασ μθχανισ ςυγκόλλθςθσ με δζςμθ θλεκτρονίων θ πίεςθ ςτο κάλαμο ςυγκόλλθςθσ πρζπει να είναι p <5 10-4 mbar. Επιπλζον, είναι εξαιρετικά ςθμαντικό να ζχουμε ςυνκικεσ κενοφ χωρίσ λάδι όςο το δυνατόν περιςςότερο το οποίο κα επιτευχκεί με τθ βοικεια κρυο-αντλίων, ατομικϊν αντλιϊν κενοφ, αντλίεσ διάχυςθσ ελαίου με ψυχόμενα διαφράγματα ι με πρόςκετθ εφαρμογι των ςυςτθμάτων ψφξθσ ςτο εςωτερικό του καλάμου κενοφ. Κατά τθν ςυγκόλλθςθ του τιτανίου με δζςμθ θλεκτρονίων, μπορεί να επιτευχκοφν βάκθ ςυγκόλλθςθσ μζχρι περίπου 100 χιλιοςτϊν. Συγκόλληςη Laser (Laser Beam Welding -LB) H ςυγκόλλθςθ των υλικϊν τιτανίου με λζιηερ ςτακεράσ φάςθσ, CO 2 και δίοδου επιτυγχάνει καλά αποτελζςματα. Λόγω υψθλότερων ταχυτιτων ςυγκόλλθςθσ ςε ςφγκριςθ με ςυγκόλλθςθ TIG, μεγαλφτερεσ καμπίνεσ προςταςίασ (trailing shields) μπορεί να είναι απαραίτθτεσ. Συγκόλληςη MIG Θ ςυγκόλλθςθ MIG παρουςιάηει προβλιματα για ςυγκόλλθςθ κραμάτων τιτανίου. Λόγω υψθλότερων ταχυτιτων ςυγκόλλθςθσ ςε ςφγκριςθ με τθν TIG ι τθν ςυγκόλλθςθ πλάςματοσ, μεγαλφτερεσ καμπίνεσ προςταςίασ (trailing shields) μπορεί να είναι απαραίτθτεσ. Σεχνικζσ εφαρμογζσ δεν είναι γνωςτζσ. Συγκόλληςη τριβήσ (Friction Welding) υγκόλλθςθ τριβισ επιτυγχάνει καλά αποτελζςματα ςτα κράματα τιτανίου. Θ εφαρμογι τθσ μπορεί να απαιτιςει προςταςία τθσ ηϊνθσ τιξθσ με αδρανι αζρια. Γνωςτζσ περιπτϊςεισ εφαρμογισ είναι αυτζσ περιςτροφικοφ εξοπλιςμοφ και θ γραμμικι ςυγκόλλθςθ τριβισ αεριοςτρόβιλων αεροςκαφϊν. Οι τιμζσ αντοχισ τθσ ςυγκόλλθςθσ είναι παρόμοιεσ με αυτζσ των υλικϊν βάςθσ. Συγκόλληςη ζκρηξησ (Explosion Welding) Αυτι θ μζκοδοσ επιτρζπει τθν ζνωςθ των υλικϊν βάςθσ τιτανίου με άλλα μεταλλικά υλικά. Δοχεία πίεςθσ από ωςτενιτικοφσ χάλυβεσ Cr-Ni ι υλικά που βαςίηονται ςε Νi μπορεί να επενδυκοφν με τιτάνιο μζςω ςυγκόλλθςθσ ζκρθξθσ. Υπερπλαςτική Διαμόρφωςη / Συγκόλληςη Διάχυςησ (SPF/DB) Θ Τπερπλαςτικι Διαμόρφωςθ (SPF) ςε ςυνδυαςμό με ςυγκόλλθςθ διάχυςθσ (DB) είναι μια κακιερωμζνθ διαδικαςία για τθν καταςκευι δομικϊν ςτοιχείων. Θ ςυγκόλλθςθ διάχυςθσ μπορεί να εφαρμοςτεί ςε όλα τα κράματα τιτανίου, ιδίωσ κράματα α + β-τιτανίου (TiAl6V4) 29

και κράματα β-τιτανίου (SP-700) που χρθςιμοποιοφνται για τθν υψθλι αντοχι εφελκυςμοφ τουσ, προκειμζνου να επιτευχκοφν ελαφρά και άκαμπτα δομικά εξαρτιματα. Θ επεξεργαςία ςυγκόλλθςθσ διάχυςθσ εκτελείται ςε κατάςταςθ ςτερει υπό πίεςθ ςε υψθλζσ κερμοκραςίεσ. Θ Τπερλαςτικι Διαμόρφωςθ (SPF) ςε ςυνδυαςμό με ςυγκόλλθςθ διάχυςθσ εκτελοφνται ςε πολφ κακαρζσ επιφάνειεσ τιτανίου υπό κενό ι ςυνκικεσ αδρανοφσ αερίου. Συγκόλληςη με αντίςταςη Σο τιτάνιο και τα κράματα του ςυγκολλοφνται επιτυχϊσ με ςυγκόλλθςθ με θλεκτρικι αντίςταςθ. Λόγω του περιοριςμζνου χρόνου ςυγκόλλθςθσ κατά τθ διάρκεια αυτισ τθσ μεκόδου ςυνικωσ δεν απαιτείται εφαρμογι αερίου προςταςίασ. Θ διαβροχι των επιφανειϊν του τιτανίου χρθςιμοποιϊντασ απεςταγμζνο νερό για ψφξθ και για «κρφα εκκίνθςθ» ζχει αποδειχκεί ότι είναι αποτελεςματικι προςταςία κατά τθ διάρκεια τθσ ςυγκόλλθςθσ τθσ ραφισ. Ελάςματα τιτανίου πάχουσ ζωσ 4mm μποροφν να ςυγκολλθκοφν με τθ χριςθ αυτισ τθσ μεκόδου. Συγκόλληςη TIG Θ ςυγκόλλθςθ TIG είναι μια ευρζωσ διαδεδομζνθ επεξεργαςία για ςυγκόλλθςθ υλικϊν τιτανίου. Είναι κατάλλθλθ για χειροκίνθτθ κακϊσ και μθχανοποιθμζνθ ςυγκόλλθςθ. Οι ςυνεχοφσ ρεφματοσ μθχανζσ ςυγκόλλθςθσ είναι ρυκμιηόμενεσ, απομακρυςμζνα ελεγχόμενεσ και μπορεί να εξοπλιςτοφν με μθχανιςμοφσ όπωσ crater-fill-, HF-Start- ι/και ζλεγχο του ρυκμοφ αλλαγισ τθσ ζνταςθσ του ρεφματοσ (up-/down slope features). Οι μθχανζσ ςυγκόλλθςθσ είναι κατάλλθλεσ για χριςθ ςυνεχοφσ κακϊσ και παλμικοφ ρεφματοσ. Για TIG ςυγκόλλθςθ απαιτείται κακαρότθτα αργοφ τουλάχιςτον 4.6 (99,996%). Ο χρόνοσ ροισ του αερίου πριν και μετά τθν ςυγκόλλθςθ πρζπει να είναι ρυκμιηόμενοσ. Συγκόλληςη πλάςματοσ (Plasma Wwelding - PE) Πολφ καλι καταλλθλότθτα για χειροκίνθτθ κακϊσ και πλιρωσ μθχανοποιθμζνθ ςυγκόλλθςθ. Για ςυγκολλιςεισ εκτόσ κζςθσ αυτι θ μζκοδοσ, ζχει μόνο περιοριςμζνθ καταλλθλότθτα. 30

Σχήμα 22. Εφαρμογζσ ςυγκολλιςεων τιτανίου Μζταλλα πλήρωςησ για ςυγκόλληςη τιτανίου και κράματα τιτανίου Σα μζταλλα πλιρωςθσ για ςυγκολλιςεισ τόξου του τιτανίου και των κραμάτων του μπορεί να είναι ςε μορφι ςφρματοσ ι ράβδου. Σα ςφρματα για τθ ςυγκόλλθςθ MIG ζχουν τθν ίδια χθμικι ςφνκεςθ, όπωσ τα ςφρματα για τθν TIG-, πλάςματοσ ι άλλεσ διαδικαςίεσ ςυγκόλλθςθσ τιξθσ. Ορίηονται με το ςφμβολο S ακολουκοφμενο από τον ςυμβολιςμό του μζταλλου πλιρωςθσ, όπωσ αυτόσ περιγράφεται ςτο πρότυπο EN ISO 24034. Παράδειγμα : Ζνα ςφρμα (solid wire- S) για ςυγκόλλθςθ τιξθσ με μια χθμικι ςφνκεςθ εντόσ των ορίων για το ςφμβολο κράμα Ti 6402 (TiAl6V4B) κα ορίηεται ωσ: Ι εναλλακτικά 31

Σα τζςςερα ψθφία του ςυμβόλου για τθ χθμικι ςφνκεςθ των μετάλλων πλιρωςθσ ζχουν λθφκεί από τα τελευταία τζςςερα ψθφία του χαρακτθριςμοφ UNS των κραμάτων τιτανίου (τυποποιθμζνο ςφςτθμα αρίκμθςθσ για μζταλλα και κράματα). Σα δφο πρϊτα ψθφία αντιπροςωπεφουν τθν γενικι ομάδα κράματοσ. Σα δφο τελευταία ψθφία αντιπροςωπεφουν το τροποποίθςθ ςε ςχζςθ με τθ βαςικό κράμα εντόσ αυτισ τθσ ομάδασ. Παράδειγμα: Πίνακασ 13. Επιλογι από το πρότυπο EN ISO 24034 32

Σο Παράρτθμα A του προτφπου EN ISO 24034 ζχει μια κατθγοριοποίθςθ ςε 14 ομάδεσ κραμάτων ωσ εξισ: Ομάδα κράματοσ 01 (κράματα 0100, 0120, 0125 και 0130) περιλαμβάνει τισ τεχνικζσ κακαροφ τιτάνιου. Σα κράματα διαφζρουν μόνο ωσ προσ το περιεχόμενο οξυγόνο. Γενικά, μία υψθλότερθ περιεκτικότθτα ςε οξυγόνο οδθγεί ςε υψθλότερεσ αντοχζσ εφελκυςμοφ (550 MPa ζναντι 425 MPa), αλλά χαμθλότερθ ολκιμότθτα. Αφορά άλφα-κράματα. Ομάδα κράματοσ 22 (κράματα 2251, 2253 και 2255) περιλαμβάνει τιτάνιο με χαμθλι περιεκτικότθτα ςε οξυγόνο, ςε κράμα με μικροφσ όγκουσ παλλαδίου ι ρουκθνίου. Παλλάδιο και ρουκινιο αυξάνουν τθν αντοχι ςτθ διάβρωςθ. Αφορά κράματα α-τιτανίου. Ομάδα κράματοσ 24 (κράματα 2401, 2403 και 2405) περιλαμβάνει, όπωσ ακριβϊσ και θ ομάδα 22, μικροφσ όγκουσ παλλάδιου ι ρουκινιου, αλλά περιζχει υψθλότερεσ περιεκτικότθτεσ ςε οξυγόνο που οδθγοφν ςε υψθλότερεσ αντοχζσ ςε εφελκυςμό (500 MPa ζναντι 425 MPa). Αφορά κράματα α-τιτανίου. Ομάδα κράματοσ 34 (κράματα 3401, 3416, 3443 και 3444) περιζχει περίπου 0,5% Νί ωσ ςτοιχείο κράματοσ. Σο νικζλιο αυξάνει τθν αντίςταςθ ςτθ διάβρωςθ. Αφορά κράματα α- τιτανίου. Ομάδα κράματοσ 35 (κράματα 33531 και 3533) περιζχει περίπου 0,5%Co ωσ ςτοιχείο κράματοσ. Σο κοβάλτιο αυξάνει τθν αντίςταςθ ςτθ διάβρωςθ. Αφορά κράματα α-τιτανίου. Ομάδα κράματοσ 42 (κράμα 4251) περιζχει περίπου 4% αργίλιο, 2,5% βανάδιο και 1,5% ςίδθρο ωσ ςτοιχεία κράματοσ. Αφορά κράματα α + β-τιτανίου με αντοχι ςε εφελκυςμό περίπου 896 MPa. Ομάδα κράματοσ 46 (κράμα 4621) περιζχει περίπου 6% αλουμίνιο, 21% καςςίτερο, 4% ηιρκονίου και 2% μολυβδαίνιο ωσ ςτοιχεία κράματοσ που ανεβάηει τθν αντοχι ςε εφελκυςμό μζχρι 1000 MPa. Αφορά κράματα near α-τιτανίου. Ομάδα κράματοσ 48 (κράμα 4810) περιζχει περίπου 8% αργίλιο, 1% βανάδιο και 1% μολυβδαίνιο. Αφορά κράματα near α-τιτανίου με αντοχι ςε εφελκυςμό περίπου 950 MPa. Ομάδα κράματοσ 51 (κράμα 5112) περιζχει περίπου 5% αργίλιο, 1% βανάδιο, 1% καςςίτερο και 1% ηιρκόνιο. Αφορά κράματα α + β-τιτανίου με αντοχι ςε εφελκυςμό περίπου 850 MPa. Ομάδα κράματοσ 63 (κράματα 6321, 6324 και 6326) περιζχει περίπου 3% αλουμινίο 2,5% βανάδιο. Αφορά κράματα α + β-τιτανίου με αντοχι ςε εφελκυςμό περίπου 700 MPa. Ομάδα κράματοσ 64 (κράματα 6402, 6408, 6414 και 6415)) περιζχει περίπου 6% αλουμίνιο και 4% βανάδιο. Αφορά κράματα α + β-τιτανίου με αντοχι ςε εφελκυςμό περίπου 1000 MPa. 33

Ομάδα κράματοσ 82 (κράμα 8211) περιζχει περίπου 15% μολυβδαίνιο, 3% αργίλιο, 2,7% νιόβιο και 0.25% πυρίτιο. Αφορά ςυγκολλιςιμα- και παραμορφϊςιμα εν κερμϊ κράματα β- τιτανίου με αντοχι ςε εφελκυςμό περίπου 793 MPa. Ομάδα κράματοσ 84 (κράμα 8451) Περιζχει μεταξφ 42% και 47% μολυβδαίνιο. Αφορά κράματα α + β-τιτανίου με αντοχι ςε εφελκυςμό περίπου 448 MPa και ειδικά χαρακτθριςτικά μνιμθσ ςχιματοσ. Ομάδα κράματοσ 86 (κράματα 8641 και 8646) περιζχει περίπου 3% αλουμίνιο, 8% βανάδιο, 6% χρϊμιο, 4% ηιρκόνιο και 4% μολυβδαίνιο. Αφορά ςυγκολλιςιμα και κερμικά κατεργαςμζνα κράματα β-τιτανίου με αντοχι ςε εφελκυςμό περίπου 793 MPa. Σο κράμα 8646 περιζχει 0,04% ζωσ 0,08% παλλάδιο για βελτιωμζνθ αντοχι ςτθ διάβρωςθ. Οι ονομαςίεσ των μετάλλων πλθρϊςεωσ από διάφορα διεκνι πρότυπα δίνονται ςτον πίνακα 14. (απόςπαςμα από EN ISO 24034). Πίνακασ 14. Ονομαςίεσ μετάλλων πλιρωςθσ ςφμφωνα με διάφορα διεκνι πρότυπα. Θ ςυγκολλθςιμότθτα του τιτανίου και των κραμάτων τιτανίου που χρθςιμοποιοφνται κυρίωσ ςε εφαρμογζσ αεροδιαςτθμικισ, περιζχονται ςτο EN 4632-006. 34

Θ ςυγκολλθςιμότθτα πρζπει να δοκεί για κάκε διεργαςία ςυγκόλλθςθσ και μπορεί να οριςτεί ωσ είτε καλι ι μζτρια. Θ αξιολόγθςθ τθσ ςυγκολλθςιμότθτασ εκτελείται ςφμφωνα με τα datasheets 7.1 ζωσ 7.8 τα οποία αξιολογοφν ςυγκολλιςεισ μεταξφ δφο κραμάτων τιτανίου ι παρόμοιου τφπου κραμάτων τιτανίου. Πίνακασ 15. Κατάταξθ του υλικοφ βάςθσ τιτανίου ςφμφωνα με ςυγκολλθςιμότθτα τουσ Θ αξιολόγθςθ τθσ ςυγκολλθςιμότθτασ ιςχφει για ςυγκόλλθςθ με ι χωρίσ μζταλλα πλθρϊςθσ. τθν κατάςταςθ αυτι θ οπτικοποίθςθ τθσ χθμικισ ςφνκεςθσ των υλικϊν βάςθσ τιτανίου διανζμεται. Για τα υλικά βάςθσ ι τουσ ςυνδυαςμοφσ τουσ που εμφανίηονται ςτον πίνακα 15, θ ςυγκολλθςιμότθτα ζχει αξιολογθκεί ςφμφωνα με το πρότυπο. φμφωνα με το φυλλάδιο του 7.3 θ ςυγκολλθςιμότθτα εμφανίηεται αντιπροςωπευτικά και για τα κράματα τιτανίου TiAl6V4 και TiAl3V2,5 θ ςυγκολλθςιμότθτα δίνεται για διάφορεσ διαδικαςίεσ ςυγκόλλθςθσ. Γενικζσ πλθροφορίεσ από το δελτίο δεδομζνων 7.3: Χθμικζσ διεργαςίεσ κακαριςμοφ ςυνίςτανται υγκόλλθςθ κα πραγματοποιείται μζςα ςε 12 ϊρεσ Βελτιωμζνθ προςταςία αερίου για τθν ςυγκόλλθςθ TIG, πλάςματοσ και Lazer Beam ςε ςφγκριςθ με τα ςυμβατικά υλικά βάςθσ Για ςυγκόλλθςεισ ενόσ πάςςου ζνασ κίτρινοσ χρωματιςμόσ του μετάλλου που ςυγκολλείται και τθσ ΚΕΗ είναι αποδεκτόσ Για ςυγκολλιςεισ πολλαπλϊν πάςςων ζνασ κίτρινοσ χρωματιςμόσ ανάμεςα ςτα πάςςα τθσ ςυγκόλλθςθσ δεν είναι αποδεκτόσ Κερμοκραςία για μακροπρόκεςμθ λειτουργία: 350 C Κερμοκραςία για βραχυπρόκεςμθ λειτουργία: 400 C Από αυτά τα φφλλα δεδομζνων πρόςκετεσ πλθροφορίεσ για τθ ςυγκόλλθςθ αυτοφ του είδουσ των ςυνδυαςμϊν υλικοφ βάςθσ μποροφν να ανακτθκοφν για τθν κατάςταςθ πριν τθν ςυγκόλλθςθ, τθ κερμικι κατεργαςία μετά τθν ςυγκόλλθςθ, τθν ικανότθτα ςυγκόλλθςθσ, τον ςυντελεςτι αςφαλείασ τθσ ςυγκόλλθςθσ, κακϊσ και ςυςτάςεισ για μζταλλα πλθρϊςεωσ (Πίνακασ 16). 35

Πίνακασ 16. υγκολλθςιμότθτα των κραμάτων τιτανίου TiAl6V4 με TiAl3V2,5 ςφμφωνα με το ENISO 4632-006 Πίνακασ 17. Πρότυπα και προδιαγραφζσ 36