SIGMA-NOT - PORTAL INFORMACJI TECHNICZNEJ - Największa baza artykułów technicznych online

INŻYNIERIA MATERIAŁOWA

Dwumiesięcznik ISSN 0208-6247, e-ISSN 2449-9889 - rok powstania: 1980
Czasopismo Federacji Stowarzyszeń Naukowo-Technicznych NOT (FSNT NOT)

Lutowanie tytanu w atmosferze powietrza

Dawid Majewski

Tytan należy do metali cieszących się obecnie dużą popularnością, głównie dzięki swoim dobrym właściwościom (tab. 1), takim jak: duża wytrzymałość w temperaturze pokojowej i podwyższonej, odporność na korozję oraz mała gęstość. Jest on wykorzystywany jako materiał konstrukcyjny w wielu nowoczesnych i innowacyjnych wyrobach oraz urządzeniach. Ponadto elementy wykonane z tytanu znajdują coraz większe zastosowanie zarówno w najnowocześniejszych gałęziach przemysłu, gospodarki, jak i w produkcji sprzętu i implantów medycznych, sprzętu sportowego, wyrobów jubilerskich oraz galanterii metalowej [1÷4]. W porównaniu z innymi nowoczesnymi materiałami konstrukcyjnymi tytan oraz jego stopy, jako materiał lekki, wyróżniają się dużą wytrzymałością względną (stosunek wytrzymałości do gęstości) w szerokim zakresie temperatury. Wytrzymałość względna stopów tytanu jest około 1,5 razy większa od wysokowytrzymałych stali stopowych. Porównując natomiast wytrzymałość względną innych stopów metali lekkich, np. Al lub Mg, można zauważyć, że również ustępują one stopom Ti, zwłaszcza w podwyższonej temperaturze [1÷4]. LUTOWALNOŚĆ TYTANU Ważnym zagadnieniem w technice spawalniczej jest trwałe spajanie elementów wykonanych z tego wysoce reaktywnego metalu. Połączenia elementów wykonanych z tytanu wykonuje się zarówno za pomocą spawania, jak i zgrzewania oraz lutowania twardego. Lutowanie twarde tytanu oraz jego stopów jest jedną z bardziej popularnych i zalecanych metod łączenia tego metalu, zwłaszcza gdy lutowane zespoły nie przenoszą dużych obciążeń mechanicznych. W celu prawidłowego wykonania połączeń lutowanych z użyciem nowych materiałów dodatkowych lub technologii lutowania należy każdorazowo określić lutowność materiału w nowych warunkach materiałowo-technologicznych. Określenie lutowności tytanu oraz jego stopów jest związane przede wszystkim z możliwością zwilżenia ich powierzchni odpowiednim lutem w określonych warunkach oraz uzyskaniem do [...]

ZAKUP JEDNORAZOWY I DOSTĘP DO WIRTUALNEJ CZYTELNI
PRENUMERATA PAPIEROWA

Czytaj za darmo! »

Prenumerata

Szanowny Kliencie!
Zamów roczną prenumeratę w wersji PLUS a uzyskasz dostęp do archiwalnych publikacji tego czasopisma.
Nie zwlekaj - skorzystaj z tysięcy publikacji o najwyższym poziomie merytorycznym.

prenumerata papierowa roczna PLUS (z dostępem do archiwum e-publikacji) - tylko 510.00 zł
prenumerata papierowa roczna PLUS z 10% rabatem (umowa ciągła) - tylko 459.00 zł *)
prenumerata papierowa roczna - 405.00 zł
prenumerata papierowa półroczna - 202.50 zł

okres prenumeraty:

*) Warunkiem uzyskania rabatu jest zawarcie umowy Prenumeraty Ciągłej (wzór formularza umowy do pobrania).
Po jego wydrukowaniu, wypełnieniu i podpisaniu prosimy o przesłanie umowy (w dwóch egzemplarzach) do Zakładu Kolportażu Wydawnictwa SIGMA-NOT.

Zaprenumeruj także inne czasopisma Wydawnictwa "Sigma-NOT" - przejdź na stronę fomularza zbiorczego »

INNE PUBLIKACJE W TYM ZESZYCIE

Analiza zmian mikrostruktury odkuwki ze stopu Ti-6Al-4V wywołanych lokalnym nagrzaniem do temperatury występowania fazy β

PIOTR BAŁA JANUSZ KRAWCZYK BOGDAN PAWŁOWSKI ADRIAN LIPSKI

Morfologię składników fazowych mikrostruktury dwufazowego stopu Ti-6Al-4V determinują warunki przeróbki plastycznej na gorąco - temperatura, prędkość i wielkość odkształcenia oraz szybkość chłodzenia. Dwufazowe stopy α + β cechują się dużą zależnością morfologii składników fazowych mikrostruktury od szybkości chłodzenia po przeróbce plastycznej zarówno od temperatury występowania fazy β, jak i temperatury zakresu dwufazowego α + β. Podczas odkształcenia plastycznego w temperaturze występowania fazy β wyróżnia się dwa podstawowe stadia - kształtowanie morfologii ziaren pierwotnej fazy β oraz składników fazowych mikrostruktury wewnątrz ziaren fazy β [1]. W ziarnach fazy β podczas odkształcania plastycznego na gorąco zachodzą procesy rekrystalizacji powodujące rozdrobnienie ziaren. Mikrostruktura wewnątrz ziaren fazy β kształtuje się podczas chłodzenia i zależy od kinetyki przemian fazowych. W procesie kształtowania się mikrostruktury dwufazowych stopów tytanu podczas przeróbki plastycznej wyróżnia się dwa etapy zmiany morfologii mikrostruktury [1÷6]: -- spowodowane odkształcaniem, -- zachodzące w czasie chłodzenia po odkształcaniu. Zmiany morfologii mikrostruktury półwyrobów po przeróbce plastycznej w zakresie dwufazowym α + β lub rozpoczynającej się w zakresie jednofazowym β i kończącej się w zakresie dwufazowym α + β są efektem przemiany fazowej β → α + β. W procesie odkształcania plastycznego następuje obniżanie temperatury stopu od temperatury z zakresu jednofazowego β do zakresu α + β. W temperaturze początku przemiany fazowej β → α + &# więcej »

Azotowanie z ekranem aktywnym jako alternatywa dla azotowania jarzeniowego tytanu i jego stopów

Maciej Ossowski Michał Tarnowski Tomasz Borowski Agnieszka Brojanowska Tadeusz Wierzchoń

Azotowanie jarzeniowe jest obróbką cieplno-chemiczną tytanu i jego stopów pozwalającą na zwiększenie ich właściwości użytkowych, m.in. odporności na korozję i zużycie w warunkach tarcia oraz wytrzymałości zmęczeniowej [1]. Metoda ta ma wady, uniemożliwia obróbkę elementów o małych rozmiarach i skomplikowanym kształcie. Występuje efekt krawędziowy spowodowany gromadzeniem się ładunku elektrycznego na krawędziach detalu, także efekt katody wnękowej oraz nierównomierne nagrzewanie się objętości materiału o zróżnicowanym przekroju poprzecznym. Zjawisko rozpylania katodowego występujące w obróbce jarzeniowej wpływa także na rozwinięcie mikrotopografii powierzchni obrabianych detali. Rozwiązaniem problemów związanych z "tradycyjnym" azotowaniem jarzeniowym jest azotowanie jarzeniowe z ekranem aktywnym (na potencjale plazmy, w obszarze plazmy, floating potential). Ekran aktywny pozwala na swobodny przepływ gazów atmosfery reaktywnej w układzie z katodą i jest wykonany z tego samego materiału co element obrabiany. Element znajduje się wewnątrz ekranu i jest odizolowany izolatorem (np. ceramiką) od przyłożonego do układu napięcia. Jednocześnie ze względu na aktywację przepływającego wewnątrz ekranu gazu reaktywnego przyjmuje ładunek ujemny o dużo mniejszej wartości niż ekran aktywny. Utworzone warstwy są dyfuzyjne. Tworzą się zarówno przez dyfuzję azotu w głąb materiału podłoża, jak i przez rozpylanie katodowe ekranu. Ekran aktywny przez promieniowanie ciepła nagrzewa także obrabiane wewnątrz niego elementy do wymaganej temperatury [2÷7]. W artykule przedstawiono wyniki badań mikrostruktury, składu fazowego, topografii powierzchni, twardości, odporności na zużycie przez tarcie i odporności na korozję warstw wytworzonych w procesie azotowania jarzeniowego z użyciem ekranu aktywnego na podłożu stopu tytanu Ti-6Al-4V w zależności od czasu procesu i odległości podłoża od ekranu aktywnego. Ustalono różnice w morfologii mikrostruktury i to więcej »

Biomateriały tytanowe wytwarzane metodą hybrydową łączącą proces IBSD z obróbką w warunkach wyładowania jarzeniowego

JERZY ROBERT SOBIECKI BOGUSŁAW RAJCHEL TADEUSZ WIERZCHOŃ

Stopy tytanu znajdują szerokie zastosowanie w medycynie jako implanty protez biodrowych i kolanowych. Stosuje się je także jako wszczepy w postaci prętów, gwoździ, grotów, drutów, wkrętów i płytek [1]. Jednakże dość często wszczepy te są stosowane tylko na określony czas, gdyż podlegają one zjawisku metalozy, tj. przechodzenia składników stopu do otaczających tkanek [2]. Dlatego dąży się do polepszania właściwości stopów tytanu przez obróbkę powierzchniową. Wiadomo, że materiał stosowany na implanty musi spełniać określone warunki. Jego obecność musi być dobrze tolerowana przez organizm biorcy, ponadto nie może interferować z powszechnie stosowanymi środkami farmakologicznymi. Implanty przeznaczone do kontaktu z krwią muszą się charakteryzować bardzo małą podatnością na przyleganie komórek krwi i brakiem aktywacji układu krzepnięcia i fibrynolizy. Jedną z technik inżynierii powierzchni jest obróbka IBSD (Ion Beam Sputter Deposition), za pomocą której można otrzymywać powłoki węglowe - NCD (nanokrystaliczny diament) charakteryzujące się biozgodnością oraz eliminujące zjawisko wykrzepiania krwi, co pozwala na ich stosowanie m.in. w przypadku zastawek serca. Perspektywiczne w przypadku wytwarzania nowej generacji implantów są jednak metody duplex eliminujące zjawiska metalozy, gwarantujące dobre właściwości mechaniczne i kontrolowaną biozgodność, np. łączące procesy węgloazotowania jarzeniowego z metodą IBSD [3]. Wcześniejsze prace [4, 5] dotyczące węgloazotowania jarzeniowego wykazały, że grubość powstającej warstwy dyfuzyjnej zależy od czasu trwania procesu, a jej twardość wynosi około 23 GPa. W strefie przypowierzchniowej warstwy tworzy się faza Ti(CN) o zbliżonej zawartości węgla i azotu. Fazy TiN i TiC mają taką samą budowę krystalograficzną i charakteryzują się wzajemną rozpuszczalnością. Wytworzone warstwy typu Ti(CN) + Ti2N + αTi(N) charakteryzują się dobrą odpornością na korozję i dobrą odpornością na zużycie przez więcej »

Efekt pamięci kształtu w taśmach stopu Ti-Ni-Cu

Tomasz Goryczka Józef Lelątko Patrick Ochin

Stop Ti-Ni-Cu należy do grupy stopów typu Ni-Ti wykazujących efekt pamięci kształtu. Zawartość tytanu w tym stopie wynosi ok. 50% at., natomiast niklu jest mniejsza od 30% at. Pozostałą część stopu stanowi miedź. Częściowe zastąpienie niklu miedzią w stopach Ti-Ni powoduje podwyższenie wartości temperatury charakterystycznej przemiany martenzytycznej. Jednocześnie następuje przesunięcie temperaturowego zakresu występowania efektu pamięci kształtu od temperatury pokojowej do temperatury ok. 70°C [1]. Stopy te w zależności od zawartości miedzi wykazują obecność jednostopniowej lub dwustopniowej przemiany martenzytycznej. Szczególne zainteresowanie wzbudza stop o zawartości 25% at. Ni oraz 25% at. Cu ze względu na możliwość jego aplikacji. Podstawą jest wąski zakres temperaturowy pętli histerezy przemiany, który nie przekracza 15°C [2]. Na temperaturę przemiany martenzytycznej w stopach Ni-Ti, oprócz zmiany składu chemicznego, wpływa sposób ich wytwarzania. Zastosowanie metody szybkiego chłodzenia z fazy ciekłej umożliwia rozszerzenie składu chemicznego tych stopów, jak również wpływa na zmianę charakterystyki przemiany martenzytycznej [3÷5]. Celem pracy było wytworzenie cienkich taśm stopu o składzie chemicznym Ti50Ni25Cu25, określenie jego struktury i mikrostruktury oraz efektu pamięci kształtu. Taśmy odlano metodą szybkiego chłodzenia z fazy ciekłej z użyciem pojedynczego bębna chłodzącego. materiał i metodyka bada ń Stop Ti-Ni-Cu o namiarowym składzie chemicznym Ti - 50% at., Ni - 25% at. i Cu - 25% at. wytworzono w piecu indukcyjnym w postaci wlewka. Stanowił materiał wsadowy do odlania taśm o grubości kilkudziesięciu mikrometrów. Taśmy odlano metodą szybkiego chłodzenia z fazy ciekłej (melt-spinning). Zastosowano temperaturę ciekłego stopu 1255°C i prędkość bębna chłodzącego 19 m/s (T1255) oraz temperaturę 1352°C i prędkość 23 m/s (T1352). Obserwację powierzchni wytworzonych taśm prowadzono za pomocą elektronowego mikro więcej »

Kształtowanie mikrostruktury i właściwości stopów tytanu o zwiększonej zawartości węgla w procesach przeróbki plastycznej i obróbki cieplnej

Agnieszka Szkliniarz

Wytrzymałość na rozciąganie tytanu technicznego w zależności od zawartości tlenu, azotu i węgla wynosi od 350 do 700 MPa. Największą wytrzymałością cechują się dwufazowe stopy α + β i pseudo-β. Po przesycaniu i starzeniu osiągają wytrzymałość na rozciąganie do ok. 1400 MPa, natomiast po obróbce cieplno-plastycznej do ok. 1800 MPa. Umocnienie jest efektywne do ich temperatury pracy 400÷450°C [1]. Zwiększające się wymagania dla stopów tytanu stwarzają konieczność modyfikacji ich składu chemicznego. Celem jest wzrost wytrzymałości na rozciąganie, temperatury pracy i odporności korozyjnej. Takie właściwości użytkowe cechują topy tytanu o mikrostrukturze złożonej z ziaren fazy α i/lub β z małą zawartością węglików, borków, krzemków o dużym stopniu dyspersji [1, 2]. Największy efekt umocnienia zapewniają pierwiastki charakteryzujące się dużą rozpuszczalnością w ciekłym tytanie i małą w stanie stałym. Dodatkiem spełniającym te wymagania jest węgiel, który jest podstawowym składnikiem większości stopów tytanu o zwiększonych właściwościach mechanicznych [2, 3]. Węgiel w stopach tytanu jest stabilizatorem fazy α. Dodatek węgla w tych stopach, podobnie jak azotu i tlenu, dotychczas był traktowany jako zanieczyszczenie. W stopach komercyjnych jego zawartość nie przekracza 0,1% mas. Przy większej zawartości węgla niż 0,2% mas. w stopach tytanu występują stabilne, twarde węgliki TiC. Ich obecność powoduje zwiększenie twardości oraz właściwości wytrzymałościowych w temperaturze pokojowej i podwyższonej. Jednocześnie stwierdzono znaczne zmniejszenie udarności i podatności do odkształcenia plastycznego na zimno. Dopuszczalna, możliwa do zaakceptowania ze względu na wartość granicy plastyczności zawartość węgla w tytanie wynosi poniżej 0,5% mas. [2, 3]. Maksymalna rozpuszczalność węgla w fazie β wynosi 0,14% mas. w temperaturze przemiany eutektycznej 1645°C. Zmniejsza się nieznacznie do ok. 0,1% mas. w temper więcej »

Kształtowanie mikrostruktury warstwy wierzchniej stopów tytanu w procesie przetapiania laserowego

RYSZARD FILIP Krzysztof Raga

Stopy tytanu dzięki dużej względnej wytrzymałości na rozciąganie (Rm/ρ) oraz dobrej odporności korozyjnej są szeroko stosowane w technice lotniczej, budowie maszyn oraz aparatury i instalacji chemicznych. Jednocześnie duży współczynnik tarcia i mała odporność na ścieranie istotnie ograniczają ich zastosowanie [1, 2]. Właściwości tribologiczne zależą od stanu warstwy wierzchniej, a ich poprawę dla elementów maszyn ze stopów tytanu uzyskuje się, stosując obróbkę powierzchniową. Stosowane jest przede wszystkim azotowanie dyfuzyjne lub nakładanie powłoki azotku TiN metodą jonowo-plazmową [3]. Konwencjonalne metody obróbki cieplno-chemicznej w niektórych przypadkach są niekorzystne - zmniejszają właściwości użytkowe stopów tytanu. Zwiększa się ich kruchość, szczególnie stopów o dużej skłonności do nawodorowania oraz rozrostu ziarna w temperaturze stabilności fazy β [4]. Dlatego trwają poszukiwania efektywnej technologii otrzymywania warstw wierzchnich elementów maszyn wykonanych ze stopów tytanu o dobrych właściwościach tribologicznych i nie powodujących pogorszenia właściwości użytkowych podłoża. Jedną z nich jest laserowe modyfikowanie warstwy wierzchniej. Przetopieniu ulega strefa przypowierzchniowa warstwy, czego efektem jest zmiana mikrostruktury bez zmiany składu chemicznego. Stosuje się również stopowanie powodujące zmianę składu chemicznego warstwy wierzchniej i mikrostruktury. Tworzą się wówczas odporne na ścieranie metaliczno-ceramiczne warstwy kompozytowe o dobrych właściwościach tribologicznych. Fazami umacniającymi są najczęściej azotki lub węgliki tytanu wprowadzone w postaci proszków do przetopionej laserowo warstwy stopu lub powstawanie in situ. Stosowanie techniki laserowej umożliwia wzbogacenie w pierwiastki stopowe wybranych fragmentów powierzchni elementów maszyn w zależności od wymagań konstrukcyjnych lub eksploatacyjnych. Laserowe przetapianie warstwy wierzchniej podłoża następuje w krótkim czasie i więcej »

Lutowanie próżniowe tytanu technicznego i stopu tytanu na osnowie fazy TiAl (γ)

ZBIGNIEW MIRSKI MACIEJ RÓŻAŃSKI

Szybko rozwijający się przemysł lotniczy, samochodowy i energetyczny stwarzają coraz większe zapotrzebowanie na nowe materiały inżynierskie, których właściwości odpowiadałyby tak ekstremalnym warunkom eksploatacji jak: wysoka temperatura pracy, duże obciążenia czy korozyjne środowisko spalin. Cennymi i pożądanymi właściwościami poszukiwanych materiałów jest duża twardość i wytrzymałość, odporność na korozję, również w środowisku agresywnych chemicznie spalin, a przede wszystkim mała gęstość. Dzięki takim właściwościom jak mała gęstość ≈4,5⋅103 kg/m3, duża wytrzymałość Rm 500÷700 MPa i odporność na korozję perspektywicznie postrzeganymi materiałami konstrukcyjnymi są tytan i jego stopy konwencjonalne [1÷3]. Od połowy lat 90. ubiegłego wieku coraz większym zainteresowaniem cieszą się także stopy tytanu na osnowie uporządkowanych faz międzymetalicznych z układu Ti-Al, w szczególności Ti3Al (α2) i TiAl (γ) oraz tzw. stopy typu duplex zawierający obie te fazy [1]. Stopy te tworzą nową generację tworzyw metalowych (tzw. intermetaliki) łączących cechy metali i ceramiki, a więc odpornych na korozję, żaroodpornych i żarowytrzymałych, o dużej twardości i zachowujących przy tym bardzo małą gęstość. Najbardziej popularną z faz układu Ti-Al jest faza γ (TiAl). Charakteryzuje się wysoką temperaturą topnienia (1460°C), małą gęstością (3,8⋅103 kg/m3), dużą wytrzymałością względną, dobrą odpornością na pełzanie i utlenianie oraz brakiem skłonności do samozapłonu, niekorzystnej cechy tytanu. Wykazuje ona również dużą twardość i małą plastyczność. Jej wydłużenie w próbie rozciągania w temperaturze pokojowej wynosi zaledwie 1÷3%. Zarówno czysty tytan jako metal reaktywny, jak i jego stopy na osnowie faz międzymetalicznych należą do materiałów trudno lutowalnych [1÷3]. Jedną z najkorzystniejszych technicznie metod łączenia tych coraz częściej stosowanych materiałów konstrukcyjnych o korzystnych, specjalistycznych więcej »

Mikrostruktura i właściwości mechaniczne blachy stalowej platerowanej wybuchowo tytanem

STANISŁAW LALIK GRZEGORZ NIEWIELSKI

Z metali i stopów konstrukcyjnych odpornych na korozję najbardziej rozpowszechniony w budowie aparatury chemicznej jest tytan. Posiada on dobre właściwości wytrzymałościowe, żaroodporność i żarowytrzymałość, niewielką gęstość, ponadto cechuje go odporność na erozję i zmęczenie oraz dobre właściwości technologiczne. Pod względem odporności na korozję przewyższa on w szeregu przypadków wysokostopową stal kwasoodporną [1÷4]. Dla zmniejszenia kosztów wykonania urządzeń stosuje się blachy platerowane tytanem metodą zgrzewania wybuchowego [5, 6, 8], które po obróbce plastycznej są spawane [7÷9]. W APC Presmet Opole oraz na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Metalurgii Politechniki Śląskiej przeprowadzono badania, które pozwoliły na wykonanie z blachy platerowanej tytanem prototypowego aparatu mogącego znaleźć zastosowanie w przemyśle chemicznym do pracy w silnie korozyjnym środowisku, zwłaszcza zawierającym chlor i jego związki. Korozja elektrochemiczna w wilgotnym środowisku chloru przebiega z udziałem procesów elektrodowych, ponieważ czynnikiem korozyjnym jest roztwór elektrolitu. Rozpuszczanie się metalu jest procesem anodowym. W tym samym czasie powinien zachodzić proces katodowy, czemu towarzyszy zużywanie się składnika korozyjnego, którym zwykle jest rozpuszczony w środowisku tlen atmosferyczny, jony chloru lub czasem jony wodorowe. Proces korozji elektrochemicznej polega na tworzeniu się lokalnych ogniw korozyjnych na powierzchni metalu. Istotnym składnikiem tych ogniw jest roztwór elektrolitu. Podstawowymi problemami technologicznymi przy kształtowaniu elementów niezbędnych do wykonania aparatury chemicznej odpornego na korozję było tłoczenie den elipsoidalnych, zwijanie elementów rurowych, obróbka cieplna blach platerowanych przed procesami przeróbki plastycznej oraz spawanie wykonanych elementów. Tłoczenie den elipsoidalnych wymaga spełnienia następujących warunków pozwalających na otrzymanie wyrobów, które spełniałyby więcej »

Mikrostruktura i właściwości tribologiczne nanokrystaliczno-amorficznej powłoki nc-WC/a-C na podłożu stopu Ti-6Al-4V

TOMASZ MOSKALEWICZ BOGDAN WENDLER MARCIN KOT ALEKSANDRA CZYRSKA-FILEMONOWICZ

wprowadzenie Dużym problemem eksploatacyjnym występującym między współpracującymi powierzchniami elementów maszyn, także silników samochodowych, jest tarcie. Tarcie i jednocześnie zużycie współpracujących elementów można ograniczyć, stosując m.in. niskotarciowe powłoki. Zmniejszenie współczynnika tarcia umożliwia poprawę sprawności, zmniejszenie awaryjności układów smarowania w silnikach lub nawet częściową eliminację układów smarowania olejowego. W rezultacie umożliwia zmniejszenie masy silników oraz zwiększa bezpieczeństwo. Dlatego w ostatnich latach na świecie obserwuje się wzrost zainteresowania możliwością stosowania niskotarciowych powłok nanokompozytowych do poprawy właściwości tribologicznych materiałów, także stopów tytanu [1÷4]. Powłoki takie wykazują wyjątkowo dobre właściwości tribologiczne i mechaniczne, cechują je zwłaszcza małe wartości współczynnika tarcia i zużycia, dobra odporność na zmęczenie, korozję i erozję oraz duża twardość. Spośród niskotarciowych powłok nanokompozytowych dużo uwagi poświęca się grupie powłok nc-MC/a-C(:H) zbudowanych z nanokrystalicznych węglików (nc-MeC, Me = metal przejściowy, np. Ti, W, Cr, Ta) w amorficznej osnowie węgla (a-C) lub amorficznej uwodornionej osnowie węgla (a-C:H) [2÷6]. Twarde powłoki nanokompozytowe stosowane na elementach maszyn i urządzeń pracujących w warunkach ograniczonego smarowania lub w warunkach tarcia suchego powinny być wytwarzane na twardym podłożu, umożliwiającym przenoszenie dużych obciążeń normalnych. Dlatego w pracy podłoże stopu Ti-6Al-4V przed wytworzeniem powłoki poddano utwardzeniu międzywęzłowymi atomami tlenu w plazmie wyładowania jarzeniowego [7÷9]. Celem badań mikroskopowych i rentgenowskiej analizy fazowej była charakterystyka mikro/nanostruktury nanokompozytowej powłoki nc-WC/a-C oraz ocena efektu poprawy właściwości mechanicznych oraz tribologicznych stopu Ti-6Al-4V przez jego obróbkę powierzchniową. Praca ta jest kontynuacją badań pro więcej »

Mikrostruktura odkuwek narzędzi chirurgicznych ze stopu tytanu

JANUSZ KRAWCZYK Michał Karaś ANETA ŁUKASZEK-SOŁEK PIOTR BAŁA TOMASZ ŚLEBODA Sylwia Bednarek

Stopy tytanu charakteryzujące się wysoką wytrzymałością względną oraz odpornością na korozję są stosowane w wielu gałęziach przemysłu: chemicznym, medycznym, okrętowym, motoryzacyjnym, energetycznym i lotniczym. Duże możliwości kształtowania właściwości mechanicznych i chemicznych stopów tytanu metodami przeróbki plastycznej i obróbki cieplnej sprawiają, że stają się one jednymi z najbardziej konkurencyjnych materiałów konstrukcyjnych. Do najszerzej stosowanych stopów tytanu należy dwufazowy (α + β), martenzytyczny stop Ti6Al4V [1÷6]. Pomimo wielu badań nadal stwarza on istotne problemy podczas kształtowania plastycznego i obróbki cieplnej. Stąd celem prezentowanej pracy była analiza zmian mikrostruktury na poszczególnych etapach produkcji narzędzi chirurgicznych ze stopu tytanu Ti6Al4V. Wyniki badań posłużą do optymalizacji procesu produkcyjnego narzędzi chirurgicznych pod względem ekonomiki oraz jakości wyrobów. Opis analizowanego procesu ukucia Proces wytwarzania narzędzi chirurgicznych ze stopu Ti6Al4V (dostarczonego w postaci pręta - rys. 1a) prowadzono w warunkach: a) nagrzewanie i wytrzymanie w temperaturze 940°C przez 15 min, b) kucie wstępne - wydłużanie (rys. 1b), c) nagrzewanie i wytrzymanie w temperaturze 940°C przez 15 min, d) gięcie w wykroju gnącym [7], e) kucie wstępne w wykroju, trzy uderzenia młota (rys. 1c), f) chłodzenie w powietrzu, g) nagrzewanie do temperatury 940°C i wytrzymanie przez 15 min, h) kucie w wykroju wykańczającym, jedno uderzenie młota (rys. 1d). Wykonano również kucie ze smarowaniem (rys. 1e). Materiał po wydłużeniu pokrywano Smarem Thermex GL 7150 przed ponownym nagrzaniem do kucia w pierwszym wykroju. Natomiast matryce pokrywano smarem Thermex WG 1262. Proces kucia wykonywano na młocie o energii 8 kJ. MATERIAŁ WYJŚCIOWY Mikrostruktura stopu w stanie wyjściowym (oznaczanego literą A) składa się z faz α i β o różnej morfologii będącej efektem odkształcenia plastyczn więcej »

Model niekonwencjonalnego azotowania jarzeniowego tytanu technicznego

Tadeusz Frączek Leopold Jeziorski Michał Olejnik

Dynamiczny rozwój współczesnej nauki i techniki stwarza konieczność stosowania materiałów o coraz lepszych właściwościach mechanicznych, szczególnie wytrzymałości zmęczeniowej, odporności na korozję oraz zużycie w warunkach tarcia w parach kinetycznych współpracujących elementów maszyn lub konstrukcji. Te podstawowe cechy w dużym stopniu zależą od właściwości ukonstytuowanej warstwy wierzchniej elementów. Do kształtowania właściwości mechanicznych i użytkowych warstwy wierzchniej stosuje się różne metody inżynierii powierzchni, rozwijane szczególnie intensywnie w trzech ostatnich dekadach ubiegłego wieku [1]. Było to spowodowane koniecznością wprowadzania nowych rozwiązań konstrukcyjnych wymagających poprawy właściwości mechanicznych i użytkowych materiałów w celu ograniczenia zużycia energii, obniżenia kosztów eksploatacji przy jednoczesnym przestrzeganiu zasad ochrony środowiska [2]. Obecnie do najszybciej rozwijających się metod inżynierii powierzchni należą: azotowanie, obróbka cieplna i cieplno-chemiczna w próżni i w plazmie niskotemperaturowej oraz metody plazmowe i laserowe [3]. Modyfikowanie warstwy powierzchniowej tytanu i jego stopów w procesie azotowania gazowego w dużym stopniu utrudnia ich skłonność do pasywacji. Tworzą się zwarte warstwy tlenków TiO2 hamujące dyfuzję atomów innych pierwiastków w głąb podłoża. Dlatego w procesie azotowania gazowego tych materiałów jest stosowany zabieg usuwania warstwy tlenków w celu aktywacji powierzchni. W praktyce przemysłowej stosuje się w tym celu trawienie przez wprowadzenie aktywnych gazów do atmosfery azotującej, np. NH4Cl lub HCl, wytwarzanie powłok aktywnych, np. fosforanowych, niklowych lub siarkowych, szlifowanie lub polerowanie [4]. Usuwanie warstw tlenkowych zapewnia stosowanie wstępnej obróbki jarzeniowej (rozpylanie katodowe) [5]. Proces azotowania w warunkach wyładowania jarzeniowego pozwala na wytwarzanie warstw o lepszej jakości niż po konwencjonalnym azotowa więcej »

Niskotemperaturowe azotowanie jarzeniowe tytanu technicznego z zastosowaniem ekranu aktywnego

Michał Olejnik Tadeusz Frączek

Spośród biomateriałów metalicznych stopy na osnowie tytanu, ze względu na swoje właściwości użytkowe, są uważane za podstawowe. Są konkurencyjne dla używanych w medycynie stali austenitycznej oraz stopów na osnowie kobaltu. Tytan i jego stopy w porównaniu z innymi materiałami konstrukcyjnymi wyróżniają się przede wszystkim dużą wytrzymałością względna (Rm/ρ) w szerokim zakresie temperatury i dobrą odpornością na korozję w wielu chemicznie agresywnych środowiskach [1]. Cechują się także dużą wytrzymałością na rozciąganie i zmęczenie, korzystną proporcją wytrzymałości na rozciąganie i granicy plastyczności oraz małą wartością modułu Younga w połączeniu z małą gęstością (ok. 4,5 g/cm3) [2]. Tytan i jego stopy dzięki dobrej biozgodności jest powszechnie stosowany w bioinżynierii. Szczególnie w chirurgii kostnej na wszelkiego rodzaju implanty i endoprotezy oraz w kardiochirurgii - między innymi na zastawki i podzespoły rozruszników serca. Stosowany jest także w urządzeniach chirurgicznych oraz protetyce. Zaliczany jest do biomateriałów długotrwałych, których czas przebywania w organizmie znacznie przekracza dwadzieścia pięć lat [3, 4]. Pomimo wielu cennych zalet, podstawowym mankamentem ograniczającym stosowanie stopów tytanu są ich małe właściwości tribologiczne [5]. Charakteryzują się bardzo dużą wartością współczynnika tarcia i małą odpornością na zużycie ścierne. Dlatego dla elementów wykonanych z tytanu i jego stopów pracujących w warunkach tarcia jest konieczne stosowanie obróbki powierzchniowej. Analiza danych literaturowych wskazuje na trudności w prowadzeniu obróbki cieplno-chemicznej ze względu na właściwości chemiczne tytanu i jego stopów. Azotowanie jarzeniowe pozwala na konstytuowanie warstwy wierzchniej podłoża tytanu o określonej mikrostrukturze, składzie fazowym i chemicznym. Umożliwia jednocześnie zdecydowaną poprawę właściwości tribologicznych [6]. Azotowanie w warunkach wyładowania jarzeniowego prowadzi si więcej »

Ocena mikrostruktury i plastyczności stopu tytanu pseudo-β Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn

Maciej Motyka Jan Sieniawski Krzysztof Kubiak Janina Adamus Piotr Lacki Waldemar Ziaja

Postęp w technice lotniczej jest nierozerwalnie związany z rozwojem i zastosowaniem nowych materiałów konstrukcyjnych. Charakteryzują się one większą wytrzymałością, mniejszą gęstością oraz dobrą odpornością na działanie czynników środowiska, również w wysokiej temperaturze, w porównaniu z materiałami będącymi w użyciu. Materiały mają szczególnie duży wpływ na projektowane konstrukcje lotnicze, bowiem od ich właściwości zależą przede wszystkim parametry eksploatacji i nowoczesność. Wraz z rozwojem materiałów są opracowywane nowe technologie ich przetwarzania. Umożliwiają one zastosowanie materiału w konkretnych podzespołach oraz prowadzą do poprawy właściwości elementów konstrukcji, oszczędności materiałowych i obniżenia kosztów wytwarzania. Dotyczy to zarówno materiałów nowych, jak i konwencjonalnych, stosowanych w konstrukcjach silników lotniczych. Główne wymagania stawiane materiałom na konstrukcje silników lotniczych to [1]: -- zdolność przenoszenia obciążeń w zadanych warunkach eksploatacji przy możliwie małych wymiarach i masie konstrukcji, -- podatność na przetwarzanie (lejność, plastyczność, skrawalność, spawalność itp.), -- zapewnienie dużej trwałości i niezawodności elementów oraz podzespołów, -- możliwie małe koszty wytwarzania elementów. Większość stopów tytanu cechujących się dobrymi właściwościami mechanicznymi jest mało podatna do przeróbki plastycznej na zimno. Obecne procesy kształtowania plastycznego na gorąco wymagają stosowania atmosfer ochronnych bądź pieców próżniowych (duże powinowactwo tytanu do tlenu) oraz narzędzi specjalistycznych. Przeróbka plastyczna na gorąco jest więc procesem energochłonnym i kosztownym. Dodatkowo powoduje niekorzystne zmiany morfologii mikrostruktury i tym samym właściwości mechanicznych odkształcanych stopów tytanu. Opracowanie nowoczesnych technologii przeróbki plastycznej wymaga określenia korelacji pomiędzy mikrostrukturą i właściwościami mechanicznymi oraz podatnością więcej »

Ocena możliwości stosowania metody EBSD w badaniach mikrostruktury stopów tytanu

Maria Sozańska Bartosz Chmiela

Rosnące zainteresowanie stopami tytanu jest związane z ich szczególnymi właściwościami: małą gęstością, dużą wytrzymałością na rozciąganie i zmęczeniową oraz dobrą odpornością na korozję. Odpowiednio wysoki poziom właściwości mechanicznych stopów tytanu można osiągnąć pod warunkiem uzyskania drobnoziarnistej mikrostruktury. Efektywne rozdrobnienie ziaren tytanu i jego stopów występuje w obecności defektów struktury powstałych w wyniku odkształcenia plastycznego [1, 2]. Rozdrobnienie ziaren stopów tytanu można uzyskać także podczas cyklicznej obróbki cieplnej [3, 4] lub obróbki wodorowej [5, 6]. Zaletą tych procesów jest możliwość rozdrobnienia ziaren bez konieczności przeróbki plastycznej, której wykonanie nie zawsze jest możliwe. Ukształtowanie drobnoziarnistej mikrostruktury oraz odpowiedni skład fazowy mają podstawowe znaczenie dla właściwości nowoczesnych stopów tytanu, dlatego istotne są badania mikrostruktury, w tym wykorzystujące dyfrakcję elektronów wstecznie rozproszonych EBSD (Electron Backscatter Diffraction). Pozwala ona m.in. na określanie rozmiaru ziaren i ich orientacji, tworzenie map orientacji ziaren oraz identyfikację faz [7÷ 11]. W pracy metodę EBSD stosowano do określenia orientacji ziaren i stworzenia map ich orientacji dla dwufazowego stopu tytanu Ti-6Al-4V. Ponadto określono wartości kąta dezorientacji granic ziaren oraz wykonano identyfikację składników fazowych mikrostruktury. Materiał i metodyka bada ń Badania prowadzono na dwufazowym stopie tytanu Ti-6Al-4V. Skład chemiczny stopu przedstawiono w tabeli 1. Stop tytanu poddano obróbce cieplnej wstępnej - wygrzewanie: 1100°C/1 h, chłodzenie z piecem oraz zasadniczej - 950°C/0,5 h i chłodzenie w wodzie. Tabela 1. Skład chemiczny stopów Ti-6Al-4V (% mas.) Table 1. Chemical composition of Ti-6Al-4V alloy (wt %) Pierwiastek Al V Fe Ti Zawartość, % mas. 6,4 4,2 0,3 reszta Próbki do badań EBSD przygotowano, stosując polerowanie elektrolityczne. Badania mi więcej »

Otrzymywanie bioaktywnych powłok na podłożu tytanu metodą osadzania elektroforetycznego (EPD)

Barbara Szaraniec Łukasz Zych

Osadzanie elektroforetyczne (EPD) jest efektywną metodą modyfikacji powierzchni biomateriałów metalicznych. Technika ta umożliwia uzyskanie szerokiej gamy mikro- i nanopowłok o wysokiej czystości, również na implantach o złożonych kształtach [1÷3]. Najczęściej są nanoszone powłoki bioaktywne, np. hydroksyapatytowe, poprawiające jakość połączenia na granicy tkanka-implant [4, 5]. Inną funkcją jaką może spełniać warstwa modyfikująca na powierzchni materiału metalicznego jest ograniczenie jego korozji oraz zapobieganie przedostawaniu się szkodliwych związków do środowiska biologicznego [6]. W przypadku implantów długookresowych ważnym problemem po wszczepieniu do żywego organizmu są zakażenia bakteryjne, które mogą pojawić się nawet kilka lat po implantacji i doprowadzić do bardzo poważnych następstw zdrowotnych. Dlatego coraz częściej zwraca się uwagę, aby implanty, szczególnie te stosowane w chirurgii kostnej, spełniały również funkcję bakteriobójczą lub bakteriostatyczną [7]. Optymalnym rozwiązaniem stają się więc warstwy wielofunkcyjne łączące działanie antykorozyjne, bioaktywne i antybakteryjne. Niniejsza praca przedstawia badania wstępne dotyczące modyfikacji podłoża tytanowego metodą osadzania elektroforetycznego wielofunkcyjnych powłok łączących działanie bioaktywne fosforanów wapnia lub krzemionki z działaniem antybakteryjnym srebra. Na tym etapie prac podjęto próbę otrzymania odpowiednich powłok bioaktywnych. materiały I METODY Próbki o wymiarach 14×10×0,5 mm wykonane z tytanu Grade 2 pokrywano bioaktywnymi proszkami fosforanu trójwapnia TCP lub nanokrzemionki za pomocą elektroforezy. W celu dobrania odpowiednich parametrów procesu zbadano zachowanie się cząstek w warunkach osadzania elektroforetycznego i wyznaczono zależność potencjału ζ (dze więcej »

Perspektywy zastosowania tytanu w nowoczesnych konstrukcjach budowlanych

Janina Adamus

Na świecie obserwuje się tendencje zastępowania tradycyjnych materiałów metalicznych, głównie stali, materiałami, które po pierwsze spowodują zmniejszenie masy konstrukcji, a po drugie są odporne na korozję. Oprócz stopów aluminium na rynku metali nieżelaznych coraz częściej pojawiają się wyroby z tytanu i jego stopów. Do niedawna tytan uważano za materiał strategiczny, stosowany na potrzeby militarne, głównie w przemyśle kosmicznym, lotniczym i stoczniowym [1÷4] oraz tam, gdzie to było konieczne (np. w przemyśle chemicznym). Obecnie materiały z tytanu i jego stopów coraz częściej znajdują zastosowanie w innych obszarach, m.in. w medycynie i przemyśle motoryzacyjnym [5, 6]. Rozpowszechnienie tytanu w aplikacjach cywilnych spowodowało powolny wzrost zainteresowania jego zastosowaniem w budownictwie, głównie ze względu na dobrą odporność korozyjną. Zwraca się również uwagę na jego małą gęstość, dużą wytrzymałość i małe przewodnictwo cieplne. Mimo iż zastosowanie tytanu jest ograniczone ze względu na wysoki koszt wytwarzania i trudności w przetwarzaniu, należy się spodziewać, że wraz z rozwojem nowych technologii zakres jego stosowania będzie się zwiększał [7, 8]. TYTAN TECHNICZNY I STOPY TYTANU W technice zastosowanie znajduje zarówno czysty tytan, jak i jego stopy. Technicznie czysty tytan jest produkowany w 5 gatunkach. Według normy ASTM B265 wyróżnia się gatunki Grade 1÷4 oraz 7. Każdy z nich ma inną zawartość zanieczyszczeń zależną od sposobu otrzymywania i przetwarzania tytanu. Zwiększenie zawartości zanieczyszczeń prowadzi do wzrostu właściwości mechanicznych i obniżenia plastyczności materiału. Najczystszym gatunkiem tytanu technicznego jest Grade 1. Granica plastyczności tytanu technicznego zawiera się w zakresie od 170 MPa - Grade 1 do 480 MPa - Grade 4, natomiast wytrzymałość na rozciąganie odpowiednio od 240 do 740 MPa. Pierwiastki stopowe w stopach tytanu mogą zwiększyć ich wytrzymałość na rozciąganie do ponad 1200 więcej »

Poprawa odporności na korozję wysokotemperaturową elementów wykonanych ze stopów tytanu na osnowie fazy międzymetalicznej γ (TiAl)

Marek Góral

Stopy tytanu na osnowie fazy międzymetalicznej γ (TiAl) charakteryzują się dobrymi właściwościami fizycznymi i chemicznymi, a w szczególności mechanicznymi, pozwalającymi na ich zastosowanie w lotnictwie oraz w motoryzacji. Należą do nich: -- mała gęstość (3,8 g/cm3), -- duża wytrzymałość względna, -- dobra odporność na utlenianie, -- odporność na samozapłon (titanium fire), -- dobra odporność na pełzanie. Prace prowadzone nad stopami tytanu γ (TiAl) są skoncentrowane na poprawie ich właściwości mechanicznych i odporności na utlenianie oraz obniżeniu kosztów ich wytwarzania. Szczególne znaczenie mają obecnie dwa gatunki: Ti-48Al-2Cr-2Nb (48-2-2) opracowany przez General Electric oraz Ti-46Al-7Nb opracowany przez Mitsubishi Heavy Industries. Stopy te są już zamiennikami wielu gatunków nadstopów niklu, szczególnie w zastosowaniach na łopatki ostatnich stopni turbiny niskiego ciśnienia. Temperatura gazów na tych stopniach jest obniżona do 900°C. Zastosowanie stopów tytanu γ (TiAl) prowadzi również do obniżenia masy całkowitej silnika. Stopy γ (TiAl) są stosowane także w silnikach samochodowych wyższej klasy. Wytwarzane są z tych stopów wirniki turbosprężarek oraz zawory. Umożliwiają zwiększenie mocy silnika, przyspieszenia samochodu oraz zmniejszenie toksyczności spalin [1÷3]. Podstawowymi ograniczeniami dla szerokiej aplikacji stopów tytanu γ (TiAl) w przemyśle są wciąż wysokie koszty wytwarzania oraz niewystarczająca odporność na utlenianie w temperaturze 900÷1000°C, także mała ich odporność na korozję siarkową (hot corrosion). Do innych barier należy także mała plastyczność i duża degradacja ich mikrostruktury w czasie długotrwałej pracy w wysokiej temperaturze. Obecnie brak jest technicznej możliwości opracowania składu chemicznego stopów tytanu γ (TiAl) zapewniającego dobrą odporność na korozję wysokotemperaturową przy jednoczesnym obniżeniu kosztów wytwarzania. Dlatego podobnie jak w przypa więcej »

Wpływ niskotemperaturowego procesu jarzeniowego azotowania i tlenoazotowania na mikrostrukturę i efekt pamięci kształtu stopów Ni-Ti

Józef Lelątko Zdzisław Lekston Marlena Freitag Tadeusz Wierzchoń Tomasz Goryczka

Stopy Ni-Ti o składzie chemicznym zbliżonym do równoatomowego, wykazujące efekt pamięci kształtu, są znane z licznych zastosowań w medycynie. Takie właściwości jak efekt pamięci kształtu, a w szczególności pseudosprężystość, otwierają szerokie możliwości ich zastosowania jako biomateriału w ortopedii, protetyce stomatologicznej, chirurgii szczękowo-twarzowej oraz chirurgii naczyń bądź narządów wewnętrznych [1, 2]. Jednakże zastosowanie stopów Ni-Ti na długoterminowe implanty budzi wątpliwości ze względu na możliwość wystąpienia zjawisk korozji lub metalozy [3]. Dlatego w celu poprawy biokompatybilności, powierzchnia stopów Ni-Ti jest pokrywana warstwami m.in. tlenków [4÷6] i azotków tytanu [7÷9], lub warstwami diamentopodobnymi [10]. Jedną z perspektywicznych metod wytwarzania tych warstw jest technika jarzeniowa. Metoda ta pozwala na wytworzenie na powierzchni stopów cienkich, elastycznych warstw azotkowych lub tlenkowo-azotkowych poprawiających biokompatybilność stopów Ni-Ti [11, 12]. Jednocześnie zastosowanie tej metody do modyfikacji powierzchni stopu Ni-Ti wymaga znacznego podwyższenia temperatury, co może prowadzić do rozkładu fazy macierzystej β na fazy równowagowe, takie jak Ni3Ti, czy Ti2Ni. Istnieje więc możliwość wystąpienia takich zmian w mikrostrukturze stopów Ni-Ti, które będą miały negatywny wpływ na przebieg odwracalnej przemiany martenzytycznej, odpowiedzialnej za zjawisko pamięci kształtu oraz właściwości nadsprężyste tych stopów [13, 14]. W pracy przedstawiono wyniki badań wpływu procesu niskotemperaturowego jarzeniowego azotowania i tlenoazotowania na mikrostrukturę stopów Ni-Ti, przebieg przemiany martenzytycznej, a także jednokierunkowy efekt pamięci kształtu i efekt nadsprężystości. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ Warstwy azotkowe i tlenkowo-azotkowe tytanu wytwarzano na powierzchni stopu Ni-Ti o składzie chemicznym zbliżonym do równoatomowego (50,6% at. Ni), wyprodukowanego przez firmę AMT (Belgia). Ta więcej »

Wpływ parametrów odkształcania na mikrostrukturę stopu Ti-6Al-2Mo-2Cr-Fe-Si

SYLWIA BEDNAREK JAN SIŃCZAK ANETA ŁUKASZEK-SOŁEK PAWEŁ CHYŁA JOANNA AUGUSTYN-PIENIĄŻEK

Stopy tytanu, stale o ultrawysokich właściwościach mechanicznych oraz stopy niklu znajdują zastosowanie do produkcji odpowiedzialnych podzespołów, takich jak m.in. części maszyn latających czy pojazdów sportowych [1, 2]. Konieczność ścisłego przestrzegania zakresów temperaturowych przeróbki plastycznej, czasu przerw międzyoperacyjnych oraz schematów chłodzenia, powoduje konieczność poznania zachowania tych materiałów w różnych warunkach odkształcenia. W prezentowanym opracowaniu skupiono się na analizie wpływu warunków odkształcenia w próbie spęczania na zachowanie i mikrostrukturę dwufazowego stopu tytanu Ti-6Al-2Mo-2Cr-Fe-Si. CEL I ZAKRES BADAŃ Celem badań było określenie wpływu warunków odkształcania plastycznego na gorąco na naprężenie uplastyczniające i mikrostrukturę stopu Ti-6Al-2Mo-2Cr-Fe-Si. Wykonano próby spęczania na symulatorze Gleeble 3800 w zmiennych warunkach temperatury i prędkości odkształcenia. Do badań przyjęto próbki walcowe o wymiarach ø10×12 mm. Próby przeprowadzono dla prędkości odkształcenia: 0,1, 1 oraz 10 s-1 w temperaturze: 850, 900 oraz 950°C [3]. Badania wykonano zgodnie ze schematem przedstawionym na rysunku 1. Próbki nagrzewano z prędkością 3°C/s, wygrzewano przez 30 s, spęczano gniotem 58% i chłodzono w powietrzu. Na podstawie wyników badań wyznaczono krzywe płynięcia w funkcji temperatury, odkształcenia i prędkości odkształcenia (1)  = f (T, ,) (1) gdzie: σ - naprężenie, T - temperatura, ε - odkształcenie, ε̇ - prędkość odkształcenia więcej »

Wpływ procesu kucia matrycowego na mikrostrukturę stopu Ti-6Al-4V

TOMASZ ŚLEBODA JANUSZ KRAWCZYK PIOTR BAŁA ANETA ŁUKASZEK-SOŁEK MAREK PAĆKO

Stop Ti-6Al-4V jest szeroko stosowany przede wszystkim w przemyśle lotniczym ze względu na mały ciężar właściwy oraz atrakcyjną kombinację własności wytrzymałościowych, odporności na pękanie i wysokiej odporności na korozję [1]. Jest to stop trudno odkształcalny, stąd formowanie części o złożonej geometrii z tego typu stopu wymaga precyzyjnie dobranych parametrów cieplno- -mechanicznych. W praktyce przemysłowej jego kształtowanie odbywa się najczęściej przez kucie lub wyciskanie. Własności wytrzymałościowe oraz plastyczne stopu Ti-6Al-4V są silnie związane z jego mikrostrukturą. Wiele prac poświęcono zagadnieniom związanym z ewolucją mikrostruktury tego stopu podczas jego odkształcania na gorąco [2, 3]. Badaniom poddano również wpływ charakteru mikrostruktury wsadu na sposób płynięcia materiału podczas odkształcania na gorąco [3÷5]. Zmiany w mikrostrukturze stopu Ti-6Al-4V związane z zachodzącymi w trakcie odkształcenia procesami rekrystalizacji dynamicznej i zdrowienia dynamicznego były również dyskutowane w pracach [6÷8]. W prezentowanej pracy analizie poddano wpływ kucia na gorąco na zmiany mikrostruktury stopu Ti-6Al-4V. materiał do BADAŃ Stop Ti-6Al-4V był dostarczony w formie pręta o średnicy Ø50 mm. Mikrostrukturę stopu w stanie dostawy przedstawiono na rysunku 1. Skład chemiczny badanego stopu podano w tabeli 1. BADANIA DYLATOMETRYCZNE Badania dylatometryczne wykonano za pomocą dylatometru DT1000 francuskiej firmy Adamel (próbki Ø2×12 mm). Na rysunku 2 przedstawiono uzyskaną krzywą dylatometryczną nagrzewania (Vnagrz. = 300°C/h, do 1000°C), która umożliwiła wyznaczenie punktów charakterystycznych stopu Ti-6Al-4V. Podczas nagrzewania przemiana α → β rozpoczyna się w temperaturze około 810°C. W zastosowanym zakresie pomiarowym przemiana ta nie zachodzi do końca. W tabeli 2 zaprezentowano wyznaczone współczynniki rozszerzalności liniowej stopu Ti-6Al-4V. Silny spadek współczynnika rozszerzaln więcej »

Wpływ stężenia ozonu na stan energetyczny warstwy wierzchniej stopu tytanu Ti-6Al-4V

MARIUSZ KŁONICA JÓZEF KUCZMASZEWSKI

W nauce i technice występuje wiele metod wyznaczania wartości swobodnej energii powierzchniowej. Dla cieczy są to metody bezpośrednie, natomiast dla ciał stałych są to metody pośrednie, bazujące przede wszystkim na pomiarze wartości kąta zwilżania cieczami pomiarowymi. Jedną z najczęściej stosowanych metod do wyznaczenia swobodnej energii powierzchniowej materiałów konstrukcyjnych jest metoda pośrednia wykorzystująca pomiar kąta zwilżania. Istotę oddziaływania pomiędzy ciałem stałym i cieczą opisuje równanie Younga (rys. 1) [1÷11]. σ SV =σ SL +σ LV cosΘV (1) gdzie: σSV - napięcie powierzchniowe na granicy faz ciało stałe-gaz, σSL - napięcie powierzchniowe na granicy faz ciało stałe-ciecz, σLV - napięcie powierzchniowe na granicy faz ciecz-gaz, ΘV - równowagowy kąt zwilżania. Z bilansu energetycznego dla punktu równowagi trzech faz równanie to jest zapisane w postaci: γ SV =γ SL +γ LV cosΘV (2) gdzie γ oznacza swobodną energię powierzchniową, natomiast pozostałe symbole zachowują takie samo znaczenie jak w równaniu (1). Metodą najczęściej stosowaną do wyznaczenia wartości swobodnej energii powierzchniowej na potrzeby technologii, w których znaczenie adhezji jest dominujące lub znaczące jest metoda Owensa-Wendta [6÷8]. Przyjmuje się, że wartość swobodnej energii powierzchniowej jest sumą dwóch składowych: polarnej i dyspersyjnej, oraz że istnieje zależność addytywna między tymi wielkościami: γ s γ s γ d s = + p (3) Do obliczenia polarnej i dyspersyjnej swobodnej energii powierzchniowej jest konieczna znajomość wartości kątów zwilżania powierzchni badanych materiałów. Do ich wyznaczenia stosuje się ciecze pomiarowe o znanych wartościach swobodnej energii powierzchniowej oraz składowych: polarnej i dyspersyjnej. W badaniach najczęściej jako cieczy polarnej używa się wody destylowanej oraz jako cieczy apolarnej dijodometanu. Swobodną energię pow więcej »

Wybrane właściwości wytrzymałościowe laminatów hybrydowych tytan-kompozyt węglowo/epoksydowy

JAROSŁAW BIENIAŚ PATRYK JAKUBCZAK

Kompozyty polimerowe wzmacniane włóknami oraz stopy aluminium, tytanu i magnezu stanowią aktualnie grupę materiałów znajdujących szerokie zastosowanie w przemyśle lotniczym [1÷3]. Klasyczne kompozyty polimerowe wzmacniane włóknami w porównaniu ze stopami metali charakteryzują się bardzo dobrymi wskaźnikami wytrzymałości i sztywności względnej, a także wysoką wytrzymałością zmęczeniową. Jakkolwiek niektóre właściwości fizykochemiczne osnowy mogą wpływać na obniżenie ich charakterystyk materiałowych. Wadami kompozytów w porównaniu ze stopami metali stosowanymi w lotnictwie jest absorpcja wilgoci i mała odporność na kruche pękanie oraz względnie niska temperatura pracy [4÷8]. Nową generację materiałów kompozytowych wykorzystywanych w zaawansowanych konstrukcjach lotniczych stanowią laminaty metalowo-włókniste (Fibre Metal Laminates - FML). FML są materiałami hybrydowymi, składającymi się z na przemian ułożonych warstw metalu i kompozytu polimerowego wzmacnianego włóknami, łączącymi właściwości metalu i kompozytu [6, 7]. Najbardziej rozpowszechnionymi rodzajami FML są laminaty GLARE - cienkie warstwy stopu aluminium 2024T3 oraz kompozytu polimerowego o osnowie epoksydowej wzmacnianego włóknem szklanym typu S, stosowane m.in. w samolocie Airbus A380 (panele kadłuba, krawędzie natarcia usterzenia pionowego i poziomego) [6]. Aktualnie prowadzone prace naukowo-badawcze w zakresie kompozytów FML są ukierunkowane na wytwarzanie nowych laminatów, w których warstwę metalu stanowi tytan lub magnez, z kompozytami polimerowymi wzmacnianymi włóknami węglowymi i szklanymi w tym kompozytami o osnowie termoplastycznej [4, 6÷10]. Przyszłościowym typem FML z punktu widzenia zastosowań w lotnictwie wydają się laminaty w układzie tytan/kompozyt polimerowy wzmacniany włóknami węglowymi - HTCL (Hybrid Titanium Composite Laminates) [4, 6, 11]. Połączenie tych dwóch materiałów jako kompozytu hybrydowego pozwala w porównaniu z FML-GLARE czy kompozyt więcej »

Zastosowanie metody zasysania ciekłego metalu do wytwarzania częściowo skrystalizowanego stopu Ti-Zr-Be-Cr

Marcin Nabiałek Leopold Jeziorski Michał Szota Jarosław Jędryka

W ostatnich latach wiele uznanych laboratoriów naukowych i przemysłowych intensywnie zajmowało się badaniami nad amorficznymi i częściowo skrystalizowanymi stopami na bazie Ti [1÷5]. Powodem zainteresowania ze strony nauki i przemysłu tą grupą stopów są ich bardzo dobre właściwości wytrzymałościowe, mała gęstość oraz niski koszt produkcji. Materiały na podstawie Ti posiadające w matrycy drobne ziarna krystaliczne wykazują również dużą mikrotwardość i odporność na korozję [6]. Większość materiałów amorficznych w temperaturze pokojowej jest krucha, co determinuje małą odporność na odkształcenia plastyczne [7]. W ostatnim dziesięcioleciu opracowano kilkanaście stopów bezpostaciowych i częściowo skrystalizowanych na bazie tytanu, wykazujących dobrą plastyczność przy ściskaniu w temperaturze pokojowej, co w znacznym stopniu przyczyniło się do zwiększenia możliwości ich aplikacji [8]. W pracy badano krystaliczne wlewki oraz częściowo skrystalizowane pręty stopu Ti40Zr25Be30Cr5, które wytworzono za pomocą urządzenia zaprojektowanego i zbudowanego na Wydziale Inżynierii Procesowej, Materiałowej i Fizyki Stosowanej Politechniki Częstochowskiej (rys. 1) [9]. Za pomocą prezentowanego na rysunku 1 zestawu aparaturowego jest możliwe przetopienie składników stopu w strumieniu plazmy argonowej w atmosferze gazu ochronnego. Częściowo skrystalizowane pręty badanego stopu zestalano w chłodzonej formie miedzianej (rys. 2b). Natomiast wlewki krystaliczne schładzano na miedzianej płycie w atmosferze ochronnej argonu (rys. 2a). Wytworzone próbki do badań schładzano z różnymi prędkościami, co zgodnie z wynikami zamieszczonymi w pracy [10] powinno wpłynąć na ich m więcej »

Zastosowanie tytanu i jego stopów w implantologii i inżynierii biomedycznej

Monika Gierzyńska -Dolna Marcin Lijewski

Obecnie powszechnie stosowane są różne rodzaje implantów w ortopedii (rys. 1), kardiologii, okulistyce, stomatologii, laryngologii itp. Sprawia to, że z każdym rokiem wzrasta zapotrzebowanie na biomateriały. Biomateriały stosowane w implantologii są klasyfikowane w czterech zasadniczych grupach: metaliczne, ceramiczne, polimerowe i węglowe. Dużą grupę stanowią biomateriały metaliczne. W tej grupie najczęściej są stosowane stal 316L (wg AISI), stop Co-Cr-Mo oraz stop tytanu Ti-6Al-4V. Specyficzne wymagania stawiane tej grupie materiałów sprawiają, że liczba gatunków proponowanych stopów metali jest ograniczona. Jednym z kryteriów doboru biomateriałów metalicznych na implanty jest wartość modułu sprężystości - powinien być zbliżony do modułu sprężystości kości. Stąd nowym kierunkiem jest opracowanie i wprowadzenie stopów tytanu nowej generacji, np. Ti-Nb-Zr, Ti-Al-Nb-Ta o małej wartości modułu sprężystości. Właściwości użytkowe stopów tytanu można także poprawić przez dobór i wykonanie odpowiedniej obróbki powierzchniowej. Stopy tytanu są najczęściej stosowane na trzpienie endoprotez i obejmy panewek - ze względu na ich małą gęstość i duże właściwości wytrzymałościowe. Natomiast z czystego tytanu są wytwarzane warstwy porowate nanoszone głównie na trzpienie endoprotez mocowanych bezcementowo. Stopy tytanu są stosowane na implanty zębów, a także wytwarza się z nich różnego rodzaju implanty kręgosłupa, w tym także "sztuczne dyski". Dużym problemem współczesnego społeczeństwa są choroby kręgosłupa. Stanowią problem zarówno medyczny, jak i społeczny. Na dolegliwości kręgosłupa uskarżają się nie tylko ludzie w podeszłym wieku, ale także osoby w wieku produkcyjnym. Najczęściej występującymi schorzeniami kręgosłupa są zespoły bólowe jego odcinka lędźwiowego. Znajduje się tam środek ciężkości ciała człowieka i występują największe siły działające na kręgi i krążki międzykręgowe. Obecnie są dostępne implanty o wielu rozwiązaniach krąż więcej »