Gjuterihandboken 3.11 Titanlegeringar

3.11 Titanlegeringar

Titan och titanlegeringar är ett mycket ungt material som började användas först på 1950-talet i industriell skala. Titan är i mångas ögon materialens Rolls-Royce. Hög draghållfasthet och utmattningshållfasthet kombinerat med låg densitet, hög specifik styvhet och mycket goda korrosionsegenskaper är kännetecknande för titan.

Skriv ut
Innehållsförteckning

    3.11.1 Titanlegeringar

    När titanlegeringar utvecklades på 1950-talet var det med primära syftet att användas inom flygindustrin och mer specifikt till det idag välkända spionflygplanet Lockheed SR-71 Blackbird. Det var framför allt den låga densiteten som var den drivande faktorn och syftet var att ersätta stål- och nickellegeringar för att sänka vikten.

    Historiskt har ett stort antal titanlegeringar utvecklats där målet har varit att expandera användningsområdet till högre temperaturer där idag nickelbaslegeringar dominerar.

    Kommersiellt ren titan förekommer i ett antal olika varianter/grades och används i huvudsak där förhöjd korrosions-beständighet är prioriterat.

    Ren titan förekommer i två faser, a- och b-fas (alfa- resp. betafas). I a-fasen har atomerna en hexagonal tätpackad struktur (HCP) och är stabil upp till en temperatur av 882oC. Vid 882oC omvandlas a-fasen till b-fas vilket har en kubisk rymdcentrerad struktur (BCC) och är stabil upp till 1668oC (Smältpunkt). När man legerar titan använder man olika a- och b-stabiliserande ämnen beroende på vilka mekaniska egenskaper som eftersträvas.  Krävs hög hållfasthet vid låga temperaturer används mer b-stabiliserande ämnen och vid höga temperaturer då krypegenskaper kan vara viktiga används mer a-stabiliserande ämnen. Neutrala ämnen används framför allt för lösningshärdning.

    Titanlegeringar delas in i tre familjer: α- eller nära α-legeringar, α-β-legeringar och β-legeringar.

    De flesta titanlegeringarna kan hittas i a-b-familjen. Ti-6Al-4V är den mest använda titanlegeringen och är en så kallad a-b-legering. Ti-6Al-4V erbjuder mycket hög specifik hållfasthet och utmattningsegenskaper samt hög brottseghet.

    En annan mycket vanlig titanlegering, som har liknande mekaniska egenskaper som Ti-6Al-4V men som klarar högre temperaturer, är Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo. Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo är en s.k. nära a-legering.

    En ny typ av aluminiumlegering som började utvecklas redan på 1970-talet men som inte kom i användning förrän på 2000-talet är titanaluminider (TiAl, Ti3Al). Denna legering har främst utvecklats för gasturbiner i flygindustrin men används idag även i bilindustrin. Titanaluminider används idag enbart i gjuten form, men arbete pågår med att utforska möjligheten att tillverka komponenter genom additiv tillverkning (3D-printning).

    I gjuten form är titanlegeringar en relativt ny materialgrupp och gjutmetoden som används är precisionsgjutning. De två legeringarna som är de mest använda i gjuten form är Ti-6Al-4V och Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, där Ti-6Al-4V står för den absoluta majoriteten.

    Gjuten titan utgör endast några få procent av den totala volymen av titanprodukter, men som på många andra områden så är gjutning en mycket konkurrenskraftig tillverkningsmetod.

    Den absolut största utmaningen vid gjutning av titanlegeringar är materialets höga kemiska reaktivitet, inte bara i smält tillstånd men också vid förhöjda temperaturer. Detta innebär att smältning och gjutning av titan behöver ske i vakuum och mycket av processerna, så som svetsning och värmebehandling, behöver ske i vakuum eller skyddad atmosfär. Specialutvecklade keramiska material används i gjutformen för att minimera reaktion mellan titanet och gjutformen. Eftersom titanlegeringar är relativt låglegerade så har de metallurgiskt sett relativt bra gjutbarhet. Vid behov så finns det möjlighet att ta hjälp av centrifugalkraften (genom att rotera gjutformen) för att gjuta riktigt tunna sektioner eller mer effektivt fylla gjutformen och reducera krympdefekter som uppstår under stelning. Dessutom så fungerar det väldigt väl att varmisostatiskt pressa (HIP) gjuten titan. Tack vare den goda gjutbarheten och HIP-barheten kan oerhört komplexa detaljer gjutas i titan med hög kvalitet.

    Egenskaper
    Titanlegeringar utgör en mycket viktig materialgrupp vid vissa extrema belastningssituationer. De egenskaper som främst bidrar till detta är:

    • Hög specifik hållfasthet (brottgräns/densitet och sträckgräns/densitet)
    • God utmattningshållfasthet och god duktilitet
    • Mycket goda högtemperaturegenskaper upp till cirka 600°C.
    • Utmärkta lågtemperaturegenskaper (gäller vissa legeringar)
    • Hög brottseghet och goda krypegenskaper (gäller vissa legeringar)
    • Mycket goda korrosionsegenskaper, främst i neutrala och oxiderande miljöer samt i kloridlösningar vid förhöjd temperatur, till exempel havsvatten.

    Genom dessa egenskaper har materialgruppen en given plats inom flyg- och rymdindustrin samt den kemiska industrin. Den höga materialkostnaden gynnar en övergång till tillverkningsmetoder med högt materialutbyte, främst gjutning vid komplicerade geometrier. Tekniken för gjutning av titanlegeringar finns idag och gjuterier för dessa legeringar finns framförallt i USA och Kina men även i Belgien, Frankrike, Japan, England och Tyskland.

    Titanlegeringar har högre specifik hållfasthet än aluminiumlegeringar och stål i konkurrerande applikationer. Högtemperaturegenskaperna, såsom varmhållfasthet och korrosionshärdigheten, ger kombinationer som få andra material klarar.

    Användningsområden
    Den absolut största användaren av titan är flyg- och rymdindustrin. Men sedan 1950-talet då titan började vinna mark som konstruktionsmaterial har fler användningsområden tillkommit. Exempel på det är kärnkraft och kemisk industri, medicinska implantat, bilindustri och det senaste även inom sport och fritid.

    Gjutgods kan konkurrera med smidda eller bearbetade titanprodukter inom många områden men det är framför allt intressant när man skall gjuta komplexa geometrier som är svåra att få fram genom bearbetning eller smidning/formning. Några av de mest komplexa komponenterna i en flygmotor är idag gjutna i titan. I många fall kan titangjutgods ersätta stål, aluminium, kompositmaterial m.fl.

    I flygplanskonstruktioner kan hjulnav, fästen, dörrlås, landningsställ och rörkopplingar för högtryckssystem nämnas. I flygplanskonstruktioner har användandet av titan ökat signifikant sedan man började ersätta aluminium i flygkroppen med komposit.

    Fokusering på att minska bränsleförbrukning och utsläppen av koldioxid har också bidragit till den ökande delen titan i flygmotorer. Här har delar som tidigare varit tillverkade i stål eller nickellegeringar blivit ersatta av titan med syfte att sänka motorernas vikt. Exempel på gjutna komponenter i flygmotorer är olika varianter av kompressorhus samt lagerhus men även fästelement. Blad och ledskenor framför allt på kompressorsidan tillverkas i titan men då i smidd form.

    Kompressormellanhus tillverkad av GKN Aerospace Engine Systems i Trollhättan. Mellanhuset sitter i Trent XWB motorn som används på Airbus 350 flygplanet.
    Komponenten som är ca 1,6m i diameter samt väger ca 180kg är tillverkad i legeringarna Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo och Ti-6Al-4V. Materialformerna som används i denna konstruktion är plåt, smide och gjutgods.

    Inom petrokemisk industri samt livsmedels- och cellulosaindustrin används titangjutgods i pumpar och ventiler, där främst korrosionsegenskaperna tas till vara.

    Inom den marina sektorn finns flera stora potentiella marknader. Pumpar, pumphjul, ventiler och komplicerade rörsektioner är några exempel på produkter, där titan ersatt bronser och nickelbaslegeringar, vilket har lett till stora viktsbesparingar.

    Inom bilindustrin har titan hittat en liten nisch inom turboladdare. Här kan man dra nytta av den låga densiteten som gör att man mycket snabbare kan få upp varvtalet på turbon och därmed få en snabbare respons vid acceleration. Detta är en marknad som kommer att försvinna i takt med att elbilar ersätter bilar med förbränningsmotorer.

    Den medicinska industrin är ett intressant område med vissa utvecklingsmöjligheter. Proteser och implantat tillverkas i allt större utsträckning i titan tack vare dess goda biokompatibilitet och låga vikt. I knäleder, armbågsleder, höftleder, käkproteser och hjärtklaffar används titangjutgods med stor framgång.