ZLEPŠOVÁNÍ VLASTNOSTÍ TURBODMYCHADEL APLIKACÍ SLITIN TIAL

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV STROJÍRENSKÉ TECHNOLOGIE FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF MANUFACTURING TECHNOLOGY

ZLEPŠOVÁNÍ VLASTNOSTÍ TURBODMYCHADEL APLIKACÍ SLITIN TIAL IMPROVING THE PROPERTIES OF TURBOCHARGERS BY THE APPLICATION OF TIAL ALLOYS

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS

AUTOR PRÁCE

JIŘÍ KUŇÁK

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2012

prof. Ing. LADISLAV ZEMČÍK, CSc.

Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství Ústav strojírenské technologie Akademický rok: 2011/2012

ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE student(ka): Jiří Kuňák který/která studuje v bakalářském studijním programu obor: Strojní inženýrství (2301R016) Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma bakalářské práce: Zlepšování vlastností turbodmychadel aplikací slitin TiAl v anglickém jazyce: Improving the properties of turbochargers by the application of TiAl alloys Stručná charakteristika problematiky úkolu: Slitiny TiAl jsou pro svou nízkou hustotu a zajímavé vysokoteplotní vlastnosti perspektivním konstrukčním materiálem pro turbínová kola plnících turbodmychadel. Cíle bakalářské práce: Zpracování odborné rešerše shrnující zkušenosti s výrobou a aplikací turbínových kol ze slitin TiAl.

Seznam odborné literatury: 1. NODA, T. Application of Cast Gamma TiAl for Automobiles. Intermetallics. 1998, vol. 6, no. 7-8, p. 709-713. ISSN 0966-9795. 2. LORIA, E.-A. Quo vadis gamma titanium aluminide. Intermetallics. December 2001, vol. 9, no. 12, p. 997-1001. ISSN 0966-9795. 3. LORIA, E.-A. Gamma titanium aluminides as prospective structural materials. Intermetallics. September 2000, vol. 8, no. 9-11, p. 1339-1345. ISSN 0966-9795. 4.TETSUI, T. Development of TiAl turbocharger for passenger vehicles. Materials Science & Engineering: A. June 2002, vol. 329-331, p. 582-588. ISSN 0921-5093.

Vedoucí bakalářské práce: prof. Ing. Ladislav Zemčík, CSc. Termín odevzdání bakalářské práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2011/2012. V Brně, dne 24.1.2012 L.S.

_______________________________ prof. Ing. Miroslav Píška, CSc. Ředitel ústavu

_______________________________ prof. RNDr. Miroslav Doupovec, CSc., dr. h. c. Děkan fakulty

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 4

ABSTRAKT BakaláĜská práce obsahuje popis vlastností slitin TiAl a jejich aplikace se zamČĜením na zlepšování vlastností turbodmychadel v porovnání s tradiþními materiály. Dále je zde také uvedena technologie výroby TiAl slitin a jejich odlitkĤ. Klíþová slova Slitiny TiAl, odlitky ze slitin TiAl, turbínová kola turbodmychadel, výfukové ventily, pĜesné lití

ABSTRACT This bachelor thesis contains characterization of TiAl alloys, theirs applications and focusing on improving of the turbocharges properties, compared with conventional materials. Furthermore there is also included manufacturing process of TiAl alloys and castings.

Key words TiAl alloys, TiAl castings, turbine wheel of turbocharger, exhaust valves, investment casting

BIBLIOGRAFICKÁ CITACE KUĕÁK, JiĜí. Název: Zlepšování vlastností turbodmychadel aplikací slitin TiAl. Brno: Vysoké uþení technické v BrnČ, Fakulta strojního inženýrství, 2012. 43 s. Vedoucí práce prof. Ing. LADISLAV ZEMýÍK CSc.

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 5

Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakaláĜskou práci na téma Zlepšování vlastností turbodmychadel aplikací slitin TiAl vypracoval samostatnČ s použitím odborné literatury a pramenĤ, uvedených na seznamu, který tvoĜí pĜílohu této práce.

Datum 21.5.2012

…………………………………. JiĜí KuĖák

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 6

PodČkování DČkuji tímto prof. Ing. Ladislavu Zemþíkovi, CSc. za cenné pĜipomínky a rady pĜi vypracování bakaláĜské práce.

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 7

OBSAH Abstrakt .......................................................................................................................... 4
Prohlášení...................................................................................................................... 5
PodČkování.................................................................................................................... 6
Obsah ............................................................................................................................. 7
Úvod ............................................................................................................................... 8
1
Materiál, vlastnosti ................................................................................................... 9
1.1
Titan ...................................................................................................................... 9
1.1.1
Vlastnosti titanu ............................................................................................ 10
1.1.2
Využití titanu.................................................................................................. 11
1.2
Slitiny titanu ........................................................................................................ 12
1.2.1
DČlení slitin titanu ......................................................................................... 12
1.2.2
Druhy slitin titanu .......................................................................................... 13
1.3
Slitiny Ti - Al ....................................................................................................... 14
1.3.1
Fázový diagram ............................................................................................ 14
1.3.2
Vlastnosti ....................................................................................................... 15
1.3.3
Chemické složení ......................................................................................... 17
1.3.1
Mikrostruktura ............................................................................................... 19
2
Aplikace slitin TiAl .................................................................................................. 20
2.1
Ventily spalovacích motorĤ ............................................................................. 20
2.2
Lopatky nízkotlakých stupĖĤ spalovacích turbín ......................................... 21
2.3
Turbodmychadla ............................................................................................... 23
2.3.1
Problematika turbodmychadel.................................................................... 23
2.3.2
Aplikace TiAl ................................................................................................. 24
2.3.3
OvČĜovací testy ............................................................................................. 26
2.3.4
Spojení s ocelovou hĜídelí .......................................................................... 29
3
Výrobní technologie............................................................................................... 30
4.1
Výroba ingotĤ..................................................................................................... 30
4.2
Tavení slitiny ...................................................................................................... 31
4.2.1
Tavení slitin technologii VAR...................................................................... 31
4.2.2
Tavení elektronovým paprskem ................................................................. 33
4.2.3
Tavení plazmou ............................................................................................ 34
4.2.4
Tavení ve studeném kelímku (ISM) .......................................................... 34
4.2.5
Vakuové indukþní tavení v keramickém kelímku (VIM) ......................... 35
4.3
Odlévání slitiny TiAl .......................................................................................... 36
4.3.1
Gravitaþní odlévání ...................................................................................... 37
4.3.2
Antigravitaþní nízkotlaké vakuové odlévání (CLV) ................................. 37
4.3.3
OdstĜedivé lití ................................................................................................ 38
4.3.4
LEVICAST ..................................................................................................... 38
ZávČr ............................................................................................................................ 40


FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 8

ÚVOD BakaláĜská práce s názvem Zlepšování vlastností turbodmychadel aplikací slitin TiAl se skládá ze tĜí þástí. V první þásti této bakaláĜské práce se budu zabývat popisem vlastností titanu a jeho slitin se zamČĜením na slitiny TiAl. V druhé þásti své práce se budu zabývat aplikacemi slitin TiAl. Slitiny TiAl se využívají na ventily spalovacích motorĤ, obČžná kola turbodmychadel a na lopatky nízkotlakých stupĖĤ spalovacích turbín. Mým úkolem bude zamČĜit se na aplikaci TiAl slitin v turbodmychadlech a také poukázat na lepší vlastnosti tČchto turbodmychadel. Ve tĜetí þásti mé bakaláĜské práce se zamČĜím na technologii výroby titanu a slitin TiAl. Pokusím se také uvést nejnovČjší technologie v oblasti odlévání slitin TiAl a jejich výhody a nevýhody.

FSI VUT

1

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 9

MATERIÁL, VLASTNOSTI

1.1 Titan V roce 1791 zkoumal William Gregor [1] (chemik amatér) magnetický písek, ze kterého za použití magnetu vybral þerný materiál (ilmenit). RozpouštČním v kyselinČ chlorovodíkové jej zbavil železa a zbytek, který získal, a který se jen obtížnČ rozpouštČl v koncentrované kyselinČ sírové, byl zneþištČný oxid nového prvku. Gregor po dlouhém bádání a zkoumání objevil reakce, které byly základem výroby veškerého TiO2 až do roku 1960. O þtyĜi roky pozdČji objevil M. H. Klaproth [1] nezávisle tentýž oxid ve vzorku rudy, kterou nyní známe pod názvem rutil, a prvek, jehož oxid izoloval, nazval titan po Titánech. Avšak pĜipravit dostateþnČ þistý kovový titan se dlouho nedaĜilo. PodaĜilo se to teprve r. 1910 M. A. Hunterovi [2]. Uplynulo však dalších 40 let, než W. Kroll vypracoval provozní metodu výroby. Potom svČtová výroba titanu prudce stoupla a v mnohém pĜipomínala zaþátky výroby hliníku a hoĜþíku. Zprvu se využívalo vlastností titanu jen ve vojenské technice a teprve po roce 1957 se titan zaþal uplatĖovat v nČkterých oborech prĤmyslu. V roce 1961 byla svČtová výroba þistého titanu jen asi 15 000 t, avšak v letech 1970 až 1975 dosáhla 60 000 t roþnČ [2]. Svým obsahem 0,63 % v zemské kĤĜe titan náleží mezi rozšíĜené prvky. Je devátým v popĜedí mezi všemi prvky a druhým mezi pĜechodnými kovy. Pro svĤj rozptýlený výskyt a obtížnou pĜípravu þistých kovĤ byly tyto prvky v minulosti považovány za ménČ bČžné. Titan se vyskytuje v mnoha horninách v podobČ kĜemiþitanĤ a oxidĤ[1]. Významné zásoby tČchto minerálĤ se nacházejí v Austrálii, Severní Americe a Skandinávii. VýznamnČ je titan zastoupen i na mČsíþním povrchu. Horniny, které získala mise Apollo 17, obsahují pĜibližnČ 12 % TiO2 [1]. Celkem bylo mineralogicky popsáno více než 400 nerostĤ s obsahem titanu. NejvýznamnČjší rudy titanu jsou ilmenit FeTiO3 – þerný, pískovitý materiál, rutil (anatas, brookit) TiO2 , perovskit CaTiO3 a titanit CaTiSiO5 [3].

Obr. 1.2 Rutil Į [4]

Obr. 1.3 Anatas [5]

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 10

V roce 2010 se nejvíce ilmenitu vytČžilo v JAR - 1,1 kt, v Austrálii 1 kt a v KanadČ 700 t, nejvíce rutilu se vytČžilo v Austrálii 280 t, v JAR 130 t a v Sierra Leone 67 t. NejvČtší zásoby obou hlavních rud titanu má ýína 200 kt, Austrálie 100 kt a Indie 85 kt. CelosvČtové zásoby ilmenitu se pohybují okolo 650 kt, zásoby rutilu se pohybují na úrovni 45 kt. Z evropských zemí má nejvyšší tČžbu i potvrzené zásoby ilmenitu i rutilu Ukrajina [6]. 1.1.1 Vlastnosti titanu VČtšinu fyzikálních vlastností titanu se podaĜilo urþit pĜesnČ teprve tehdy, když se vyrobil velmi þistý titan. Titan je velmi tvrdý a lehký kov ocelového vzhledu, který je dobĜe odolný vĤþi korozi. PodobnČ jako u vČtšiny d-prvkĤ závisí jeho reaktivita na úpravČ povrchu. Dokonale vyleštČn odolává za laboratorní teploty i kyselinám [2]. Velká odolnost proti korozi je jednou z hlavních pĜedností titanu. V pĜírodních podmínkách je titan prakticky stálý a pĜedþí nerezavČjící oceli nejen v prĤmyslovém ovzduší, ale hlavnČ v pĜímoĜských atmosférách a moĜské vodČ [2]. Za vyšších teplot ztrácí titan pomČrnČ rychle pevnost, takže jeho pĜíznivých vlastností lze využít jen do 300°C. Pro vy šší teploty je titan vhodný jen pĜi malých zatíženích. Naproti tomu pĜi nízkých teplotách se u titanu zvyšuje pevnost, mez kluzu i modul pružnosti, zmenšuje se však tažnost a vrubová houževnatost. Tab.1.1 Charakteristika Ti [3]

chemická znaþka

Ti

protonové þíslo

22

relativní atomová hmotnost

47,88

perioda

4

skupina

IV.B

rok objevu

1795

teplota tání

1668 °C, 1941 K

teplota varu

3287 °C, 3560 K

hustota tvrdost podle Mohse

4,506 g/cm3 6,0

tvrdost podle Vickerse

970 MPa

tvrdost podle Brinella

716 MPa

modul pružnosti bod supravodivosti skupenství za norm. podmínek

44GPa 0,4 K s

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 11

Jedním z problémĤ, které je tĜeba brát v úvahu pĜi používání nebo výrobČ titanu, je jeho teplota samovznícení, která je 1200°C pro pevný kov na vzduchu a 250°C pro prášek [7]. PĜi výrobním procesu se pracuje s vysokými teplotami, a proto je tĜeba použít Ĝadu bezpeþnostních opatĜení, aby k samovznícení nedošlo. V pĜípadČ, že se k horkému titanu dostane voda, mĤže dojít k tomu, že se bude vyvíjet vodík. V takovém pĜípadČ mĤže i dojít k explozi [7]. KvĤli velmi nízké teplotČ samovznícení suchého prášku titanu by se míchání, smČšování nebo drcení mČlo provádČt pouze v argonu nebo héliu. Nízká teplota samovznícení prášku klade také vysoké nároky na skladování s ohledem na bezpeþnost. 1.1.2 Využití titanu Již od poþátku prĤmyslové výroby kovového titanu spoþívalo tČžištČ jeho využití v kosmických technologiích a speciálních aplikacích leteckého prĤmyslu. Titan a jeho slitiny jsou proto základním materiálem pĜi výrobČ skeletĤ nebo povrchových ochranných štítĤ kosmických objektĤ (družice, vesmírné sondy a vesmírné stanice). V leteckém prĤmyslu nacházejí využití pĜi výrobČ zvláštČ namáhaných souþástí letadel, tedy pĜedevším pĜi konstrukci vojenských stíhacích letounĤ a dnes i pĜi konstrukci komerþních dopravních letadel. V chemickém prĤmyslu je titan stále populárnČjším materiálem pro výrobu nebo pouhou vystýlku chemických reaktorĤ, které pracují v extrémních podmínkách a vyžadují vysokou odolnost proti korozi. Titan je stále þastČji používán v zaĜízeních, která dlouhodobČ pracují ve styku s moĜskou vodou. Mohou to být souþásti lodí nebo ponorek (lodní šrouby), ale i komponenty prĤmyslových celkĤ, sloužících k odsolování (desalianci) moĜské vody. V bČžném každodenním životČ se s titanem mĤžeme setkat napĜíklad jako s materiálem pro výrobu luxusních náramkových hodinek nebo þástí šperkĤ [8]. Pro praktické použití je však nejvíce vhodná amorfní prášková forma nazývaná titanová bČloba (þistý TiO2 ). Tento bílý pigment je mimoĜádnČ stálý, zdravotnČ zcela nezávadný s vysokou krycí schopností a patĜí proto mezi nejkvalitnČjší dostupné bílé pigmenty. Praktické použití nachází jak pĜi výrobČ barev, tak ve skláĜském a keramickém prĤmyslu, používá se i pĜi výrobČ vysoce kvalitního papíru, jako plnivo pĜi výrobČ plastických hmot a nČkteĜí výrobci jej pĜidávají i do zubních past. Díky tomu, že prochází trávícím traktem nepozmČnČn, je používán i v potravináĜském prĤmyslu k bČlení mléka. Odhaduje se, že oxid titaniþitý tvoĜí více než 90 % celosvČtové spotĜeby produktĤ z titanu. NejvČtšími výrobci titanové houby jsou Rusko, USA, Japonsko a ýína [8]. Pro zajímavost lze uvést, že v 50. a 60. letech 20. století byla výroba kovového titanu soustĜedČna prakticky pouze do SovČtského svazu. Zde byl postup jeho výroby pĜísnČ utajován a titan byl v probíhající „studené válce“ považován za jednu ze základních strategických surovin. Teprve pozdČji byl výrobní postup špionážnČ odhalen a pĜedán do Západní Evropy a USA [8].

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 12

1.2 Slitiny titanu 1.2.1 DČlení slitin titanu Slitiny titanu dosahují ještČ výraznČ vyšších pevnostních vlastností v porovnání s þistým kovem. Hlavní legující prvky jsou Al, V, Sn, Nb, Cr, Mo, Zr, atd. VČtšina kovĤ tvoĜí s titanem substituþní tuhé roztoky. Plynné prvky (vodík, kyslík, dusík) tvoĜí s titanem adiþní tuhé roztoky. Pro slitiny s titanem se z fyzikálních dĤvodĤ nehodí antimon, olovo, rtuĢ, kadmium, arzén a zinek. Titan má dvČ alotropické modifikace Į a ß lišící se krystalickou mĜížkou. Jednotlivé legující prvky mohou zvýšit nebo snížit teplotu pĜemČny fáze Į na fázi ß (bČžnČ 882 °C). V Čtšina pĜidávaných prvkĤ rozšiĜuje oblast ß tak, aby buć smČs fází Į a ß nebo i jen þistá fáze ß mohly existovat i pĜi nižších teplotách [9]. Slitiny titanu dČlíme podle fázového složení na: -

slitiny Į

-

slitiny Į+ȕ

-

slitiny ȕ

-

intermetalika

Obr. 1.5. a) krychlová prostorovČ stĜedČná mĜížka (bcc) fáze Į uspoĜádaná mĜížka (hcp) fáze ȕ [10]

b) šestereþná tČsnČ

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 13

PĜidávané legující prvky se dČlí na Į- nebo ß-stabilizující. RĤzných potĜebných vlastností slitin se dociluje vhodnou kombinací prvkĤ. Strukturu dané slitiny lze urþit napĜ. mikrorentgenem a podle toho ji zaĜadit mezi Į, Į+ß nebo ß slitiny.

Obr. 1.6. Vliv legujících prvkĤ na rovnovážný diagram a) prvky stabilizující fázi Į b) prvky stabilizující fázi ȕ až do pokojové teploty c) prvky stabilizující fázi ȕ do eutektoidní teploty [9]

1.2.2 Druhy slitin titanu Slitiny ĮTi V této kategorii legujeme pĜevážnČ hliníkem, a to do 8% obsahu, doprovodnými legurami jsou Sn, Zr, Mo. NejvýznamnČjší slitinou této skupiny je TiAl5Sn2,5 pro použití za nízkých teplot. Dosahuje pevnosti v tahu až 860 MPa [11]. Slitiny (Į+ȕ)Ti NejvýznamnČjší slitinou je zde TiAl6V4, která tvoĜí asi polovinu zpracovaného titanu. Je tepelnČ zpracovatelná a po zpracování dosahuje pevnosti v tahu až 1100 MPa [11], díky þemuž je na pozici nejvíce využívané slitiny titanu pro namáhané souþásti. Slitiny ȕTi Do této skupiny patĜí slitiny titanu legované prvky, které stabilizují fázi ȕTi. Tím se pĜi vytvrzování vyluþuje velmi jemná fáze Į a výraznČ se tak zvyšují pevnostní charakteristiky. Tyto materiály patĜí mezi nejpevnČjší v kategorii titanových slitin. NapĜíklad slitina TiV10Fe2Al3 má po takovémto tepelném zpracování pevnost v tahu 1400 MPa [11].

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 14

Intermetalika Jedná se o slitiny titanu s tak vysokými obsahy legujících prvkĤ, že jejich struktura je tvoĜena pouze intermetalickými fázemi. Tyto fáze mají obecný vzorec TixMy. Krystalová struktura i mechanické vlastnosti intermetalik jsou obvykle výraznČ odlišné od kovĤ, které je tvoĜí [9]. Dále jsou uvedeny dva systémy: Ni-Ti a Ti-Al Slitiny TiNi obsahují cca 55% Ni a jsou známy pod komerþním názvem nitrinol. PatĜí mezi materiály s tvarovou pamČtí. Jestliže je slitina za nízké teploty plasticky zdeformována, po ohĜátí se vrací do pĤvodního nezdeformovaného tvaru. Využití nacházejí materiály s tvarovou pamČtí, napĜ. na rĤzné svorky, spony, tepelné pojistky, v lékaĜství na fixace þelistí nebo páteĜe. Princip spoþívá v tom, že výrobek je umístČn v deformovaném stavu do požadované polohy a po následném zahĜátí zaþne mechanicky pĤsobit na své okolí [9]. Slitiny Ti-Al s vysokými obsahy hliníku (45-50%) a s dalšími kovy (Nb, Cr, V, T) se nazývají intermetalika Ȗ(TiAl) (aluminidy). Jedná se o moderní materiály s nízkou hustotou, s vysokou žáruvzdorností a žárupevností. Proto je jejich využití soustĜedČno na takové aplikace, kde je pĤsobení vysokých teplot kombinováno s mechanickým zatížením. Využívají se pro výrobu souþástek leteckých tryskových motorĤ [9].

1.3 Slitiny Ti - Al 1.3.1 Fázový diagram Od sedmdesátých let 20.století se materiálové výzkumy mimo jiné vČnují otázce, zdali titanové aluminidy co do houževnatosti mohou soutČžit s niklovými superslitinami. V úvahu pĜicházejí dva kandidáti z aluminidĤ - Ti3Al a TiAl. Tyto materiály mají nižší hustotu než konvenþní titanové slitiny, mají vysokou teplotu tavení a uchovávají si svou pevnost za vysokých teplot. Avšak díky své omezené tažnosti za pokojové teploty a nízké lomové houževnatosti tyto materiály stále zĤstávají až na výjimky pĜedevším vývojovými materiály, než technickými materiály pro konstruktéry [12]. Strukturní materiály pro aplikace za vysokých teplot musí mít vysokou pevnost v oblastech pracovních teplot. Tato skuteþnost poukazuje na další dĤležitou vlastnost, a to na vysokou creepovou odolnost. Creepová odolnost závisí na dvou faktorech, které mají vztah k teplotČ tavení: modulu pružnosti ve smyku a difúzním koeficientu. Ve fázovém diagramu, obr.1.7, se vyskytuje nČkolik intermetalických fází. Jde, mimo jiné, o Ti3Al, oznaþovanou jako Į2 fázi a TiAl oznaþovanou jako Ȗ. Každý rozsáhlejší výzkum intermetalických slitin vyžaduje dokonalou znalost kĜivek binárního diagramu v oblasti vysokých teplot. Je dĤležité pochopit vliv intersticiálních neþistot, zejména kyslíku, na fázovou stabilitu. RĤzné výklady tohoto vlivu mají za následek více verzí fázového diagramu [12].

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 15

Obr. 1.7. fázový diagram [12]

Proti binárnímu diagramu na obr.1.7. existují námitky. Hlavní zmČnou je, že Į2 je v rovnováze s ĮTi. Tuhnutí a rovnováha v tuhých fázích je velmi citlivá na obsah Al. V oblastech koncentrací pĜi Ti-bohaté stranČ mĤže vznikat ĮTi jako produkt krystalizace nebo tepelného zpracování. VČtšina dosud studovaných slitin obsahuje 45-50 at. % Al vČtšinou krystalizují primárnČ jako ĮTi. TiAl - Ȗ vzniká reakcí: ĮTi + L = Ȗ . Taková peritektická solidifikace vede k segregaci a nestejnorodé struktuĜe. Rovnovážná jednofázová struktura se potom získává tepelným zpracováním nad 1300°C [13]. 1.3.2 Vlastnosti Intermetalické slitiny ze soustavy Ti-Al mají nízkou hustotu, dobrou mez pevnosti za vyšších teplot, dobrou korozní odolnost. Zejména pĜíznivý pomČr pevnost/hustota je þiní velmi atraktivními z hlediska aplikací v letecké a raketové technice a v automobilovém prĤmyslu. Z rĤzných vyvinutých slitin prokázala nejlepší kombinaci pevnosti a houževnatosti slitina s plnČ lamelární strukturou obsahující dvČ fáze: TiAl (Ȗ) a Ti3Al (Į2). Tažnost a pevnost jsou citlivé na orientaci lamel a na mezilamelární vzdálenost. Nejlepší kombinace meze kluzu mĤže být dosaženo, jestliže orientace lamel je rovnobČžná se zatČžovaným smČrem. Lamelární zrna jsou v rĤzných mikrostrukturách tvoĜeny stĜídajícími se vrstvami TiAl a Ti3Al [12].

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 16

Tab. 1.2. srovnání vlastností TiAl – Ȗ a Ti3Al – Į2 s niklovými superslitinami [13] Slitina Ti3Al - 2

Vlastnost -3

Slitiny TiAl - 

Ni - superslitiny

Hustota [g.cm ]

4,1 - 4,7

3,4 - 4

8ᦼ3

E-YoungĤv modul [GPa]

120 - 145

160 - 175

200

2 
5

1ᦼ3

3ᦼ5

700 - 900

400 - 650

1100

7

22

11

1180

1440

1450

Creep limit [°C]

750

900

1090

Limit oxidace [°C]

650

900

1090

Tažnost [%] Mez pružnosti [MPa] -

Teplotní vodivost [W.m 1 -1 .K ] Max. teplota stability fáze [°C]

Titanové intermetalické slouþeniny se vyznaþují vysokou odolností proti tepelné a napČĢové expozici. Protože byly pravdČpodobnČ vyþerpány možnosti zlepšování užitných vlastností klasických slitin legováním, vývojový trend smČĜuje k zlepšování korozní odolnosti cestou vyšší þistoty, zlepšování technologické dokonalosti, tepelným zpracováním a Ĝízenou tvorbou struktury [13]. Intermetalika na bázi TiAl - Ȗ a Ti3Al - Į2 se v souþasnosti intenzivnČ zkoumají. Fázové struktury aluminidu titanu TiAl jsou velmi citlivé na intersticiální neþistoty, zvláštČ pak na kyslík. PĜíkladem je jednofázová slitina Ti–50 at.%Al, kterou lze získat jen s použitím vysoce þistého Ti a Al, zatímco tradiþní Ti–50 at.%Al, slitina nízké þistoty, je dvojfázová s významným množstvím Ti3Al v Ȗ- TiAl matrici. Vysoce þistý TiAl je tažný s mezí pevnosti v lomu o více než o 3% vyšší nežli TiAl s nižší þistotou [13]. Tyto slitiny nacházejí použití napĜ. jako lopatky plynových turbín, popĜ. v automobilovém prĤmyslu. Obr.1.8. ukazuje srovnání vlastností TiAl slitin oproti bČžnČ užívaným slitinám na bázi Ni a ocelovým slitinám. Zatímco mČrné lomové napČtí i mČrná pevnost je u slitin TiAl vyšší než u porovnávaných materiálĤ, tažnost za pokojové teploty je nízká a pohybuje se obvykle kolem 1% [14]. Nedostateþná tažnost za nízkých teplot je nejvČtším problémem v aplikacích slitin TiAl

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 17

Obr. 1.8. Grafy pevnostních charakteristik v závislosti na teplotČ [14]

1.3.3 Chemické složení ýásteþný fázový diagram na obr 1.9. popisuje smČr pohybu fázových hranic zpĤsobený jednotlivými legurami. Délka šipky naznaþuje velikost úþinku posuvu hranice dané legury. Rozsah atomárních obsahĤ Al ve slitinách, které jsou za posledních 10 let vyvíjeny, se ustálil mezi 44 až 48 at.%. Jak je vidČt na þásteþném Ti-Al fázovém diagramu, pĜi nižším obsahu Al je rozšíĜena vysokoteplotní ȕ fáze což dČlá tepelné zpracování jednodušší. Pokud nejsou kladeny vysoké požadavky na vlastnosti pĜi vyšších teplotách, je tento postup vhodný pro snížení nákladĤ na zpracování [14]. Ovšem vČtšina aplikací na bázi TiAl vyžaduje vysokoteplotní pevnost, proto se obsah Al pohybuje kolem 46at.% [14].

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 18

Slitiny TiAl obsahující 45 – 48 at% hliníku jsou obvykle legovány malým množstvím prvkĤ (1-3 %). Je-li použit V, Hf, Cr, a Mn, legury lze rozdČlit do tĜí skupin [15]: • První skupina prvkĤ V, Hf, Cr, a Mn, zvČtšuje významnČ tažnost a zpevĖují tuhý roztok. Cr pĤsobí nejefektivnČji, Mn je nejménČ efektní [10, 15]. • Druhá skupina prvkĤ Nb, Si, Ta, W a Mo také zpĤsobuje primární zpevnČní tuhého roztoku a zvyšuje oxidaþní odolnost, snižuje však tažnost [10, 15]. • TĜetí skupina prvkĤ B, C, Si, ovlivĖuje jemnost zrna a snížení stupnČ disperze precipitátĤ [10, 15]. V posledních nČkolika letech byly vyvíjeny slitiny s vyšším obsahem (3 – 10%) legujícího prvku Nb, s cílem zvýšit odolnost vĤþi oxidaci a pevnost v tahu, jako je napĜíklad slitina: Ti46Al7Nb0.7Cr0.1Si0.2Ni (at. %) [17]. Na obr.1.10.[18] je vidČt porovnání pevností v tahu mezi bČžnČ používanou slitinou na bázi Ni Inconel 713C, slitinou TiAl a slitinou TiAl s pĜísadou Nb. Na grafu je vidČt, že tato novČ vyvinutá slitina s pĜísadou Nb mĤže být použita jako náhrada dosud používané slitiny Inconel 713C.

Obr. 1.10. Závislost napČtí na teplotČ [18].

Obr. 1.11 ýásteþný fázový diagram [14]

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 19

1.3.1 Mikrostruktura Jestliže chceme využít slitiny TiAl pĜi vysoko teplotních aplikacích, musí se obsah Al pohybovat kolem 46 at%. Pokud je Ti46Al ochlazen dostateþnČ rychle (tak jak by se dČlo v tenkých þástech odlitku), vznikne plnČ lamelární struktura. Pokud je ochlazování pomalejší než by se dČlo v tenkých þástech odlitku, vznikne témČĜ lamelární struktura [14]. PĜi tuhnutí odlitku je velikost zrna alfa u odlitku dČdiþná. Pokud je vzorek teplotnČ zpracovaný, je tato zdČdČná struktura eliminována a vzniká duplexní struktura obsahující gama zrna i lamelární zrna. Pro dané složení slitin je velikost zrna dána dobou teplotního zpracování a její teplotou. Velikost zrn s duplexní strukturou je obvykle 20ȝm. Tyto zrna jsou tedy mnohem menší než lamelární zrna [14].

Obr. 1.11. PlnČ lamelární struktura [14]

Obr. 1.12. TémČĜ lamelární struktura [14]

Obr. 1.13. Duplexní struktura [14]

FSI VUT

2

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 20

APLIKACE SLITIN TiAl

2.1 Ventily spalovacích motorĤ Aby se docílilo zvýšení výkonu a snížení spotĜeby paliva u automobilových motorĤ, je nezbytné zvýšit rychlost rotace a snížit ztráty tĜením. Použitím slitin TiAl se znaþnČ sníží hmotnost komponentu, což je velmi prospČšné hlavnČ u výfukových ventilĤ. Za úþelem zjištČní výkonu a odolnosti proti opotĜebení TiAl výfukových ventilĤ byly provedeny testy na testovacích motorech [16]. K zhodnocení odolnosti ventilĤ, byl proveden test [16] za použití 2,6 litrového DOHC testovacím motoru s dvojím turbem. Na konci testu, který probíhal 150h pĜi 6 400 ot/min, byly ztráty opotĜebením a oxidací na výfukových ventilech zanedbatelnČ malé [16]. To dokázalo, že spolehlivost litých ventilĤ ze slitiny TiAl je dostateþná k praktickému použití. Výkonový test byl proveden na 3,5 litrovém, 12V, DOHC testovacím motoru [16]. Maximální rychlost bČžného motoru byla limitována na 13 000 ot/min ventilovým skokem. Za použití ventilĤ ze slitiny TiAl pĜesáhla rychlost motoru 14 000 ot/min a to bez ventilového skoku [16]. Tento výsledek ovČĜuje výhody ventilĤ z lehkých TiAl slitin.

Obr. 2.1. Výfukové ventily vyrobené ze slitiny TiAl [19]

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 21

2.2 Lopatky nízkotlakých stupĖĤ spalovacích turbín V prĤbČhu 30 let bylo vynaloženo mnoho úsilí na uplatnČní TiAl slitin ve spalovacích turbínách leteckých motorĤ. Cílem bylo nahradit slitiny oceli nebo slitiny niklu materiálem s menší hustotou, tím pádem menší hmotností, a to umožĖuje snížit odstĜedivou sílu rotoru turbíny, þímž klesá napČtí, což umožĖuje použití menší velikosti disku vČnce motoru [20,21]. Lopatky nízkotlakých stupĖĤ spalovacích turbín ze slitiny TiAl byly úspČšnČ aplikovány napĜíklad v leteckém motoru spalovací turbíny GE90 firmou GE Aircraft Engines [21].

Obr. 2.2. Segment obČžného kola turbíny ze slitiny TiAl [20]

Pokud vezmeme v úvahu jen pevnost TiAl slitiny jsou lepší než tradiþní slitiny Ti a Ni jen v úzkém pásmu teplot tj. od 650 do 800°C [20] (viz. obr.2.3.). To vysvČtluje dva možné typy použití slitin TiAl v leteckých motorech, které jsou naznaþeny na obr.2.4 [20]. První možností jsou lopatky nízkotlaké þásti spalovací turbíny a druhou možností jsou lopatky kompresoru na konci vysokotlaké þásti. Použití pĜi nižších teplotách zabraĖuje kĜehkost slitin TiAl a použití pĜi vyšších teplotách nad 800°C není vhodné kv Ĥli nedostateþné odolnosti vĤþi oxidaci [20]. I pĜes dlouhodobý výzkum a pokroky v technologii výroby, je stále výrobní cena vysoká, což v dnešní dobČ pĜedstavuje velkou brzdu v komerþním využití lopatek spalovacích turbín leteckých motorĤ.

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 22

Obr. 2.3. Specifické napČtí slitin TiAl v porovnání se slitinami na bázi Ti a Ni [20]

Obr. 2.4. Rozsahy teplot pro aplikace slitin TiAl a NiAl v leteckých motorech [20]

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 23

2.3 Turbodmychadla 2.3.1 Problematika turbodmychadel Turbodmychadlo je zaĜízení, ve kterém energie tepla z motorových výfukových plynĤ roztáþí turbínu spolu s kompresorem na stejné ose. PĜíchozí vzduch je kompresorem stlaþen a dopraven do motoru, tím se zlepšuje spalovací úþinnost v motoru. Aby byly splnČny ekologické požadavky blízké budoucnosti související s emisemi z osobních automobilĤ a zároveĖ zlepšena akcelerace vozidla, je tĜeba zlepšit odezvu u turbodmychadel. Nejjednodušší cestou jak toho docílit, je použití lehþích materiálĤ na rotující, þásti než jsou bČžnČ používané Ni slitiny (Inconel 713C) [18]. Turbíny jsou dlouhodobČ vystavovány vysokým teplotám od 850°C [18]. Žáruvzdornost je proto jedním z hlavních pĜedpokladĤ pro materiály turbínových obČžných kol. Tradiþní lehké kovové materiály jako Al nebo Ti slitiny nemohou být použity. Pro obČžná turbínová kola se také používají keramické materiály, které jsou lehké a žáruvzdorné. Jejich uplatnČní je stále omezeno kvĤli vysokým výrobním cenám a nedostateþné tvarové optimalizaci [18]. ěešením mĤže být nová vysoce úþinná intermetalická slitina TiAl, která byla vyvinuta spolu s rĤznými výrobními technologiemi. Tato slitina byla použita na výrobu turbínového obČžného kola a díky své malé hmotnosti má turbodmychadlo velmi rychlou odezvu. Výkonnost a výdrž tČchto turbodmychadel byla úspČšnČ potvrzena poþetnými testy [18], které vedly k úspČšnému komerþnímu využití slitin TiAl.

Obr. 2.5. Schéma funkce turbodmychadla [18]

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 24

2.3.2 Aplikace TiAl Aplikací pro odlitky TiAl obsahující 7at.% Nb, která se uplatnila v praxi, je turbínové kolo v automobilovém turbodmychadlu. Tento odlitek vyrobený pomocí technologie LEVICAST nahrazuje tČžší variantu vyrobenou z Inconel 713 [21].

Obr. 2.6. TiAl turbína pĜipojená na hĜídel [18]

NovČ vyvinutá TiAl turbodmychadla byly poprvé použity firmou Mitsubishi pĜi výrobČ automobilĤ série Lancer Evolution, která se úspČšnČ prodává již od roku 1999 [18]. Na obrázku obr.2.7. je automobil Lancer evolution VI a na obr.2.8. je v nich používané turbodmychadlo TD05 vyrobené firmou Mitsubishi.

Obr. 2.7. Mitsubishi Lancer Evolution VI [18]

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 25

Obr. 2.8. Turbodmychadlo TD05 [18]

Také firma Hawmet vyrobila lité kolo turbodmychadla ze slitiny TiAl, které bylo úspČšnČ otestováno [21]. V porovnání s leteckými motory je realizace automobilových produktĤ mnohem kratší a pravdČpodobnČ nejvČtší potencionální trh pro slitiny TiAl je právČ v automobilových turbodmychadlech. Díky úsporám na váze u turbínového rotoru turbodmychadla se zmenšuje prodleva a redukují se emise þástic u dieselového motoru. Tyto výhody turbodmychadel ze slitin TiAl byly potvrzeny laboratorními testy [16].

Obr. 2.9. ObČžné kolo turbíny u turbodmychadla vyrobeno ze slitiny TiAl [19]

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 26

2.3.3 OvČĜovací testy Test rychlosti odezvy (Response ability testing) Test odezvy akcelerace byl proveden mČĜením þasu zrychlení z klidových otáþek 34 000 na 100 000 a 170 000 ot/min. NovČ vyvinuté turbodmychadlo ze slitiny TiAl ukázalo o 16% rychlejší þas zrychlení z klidových otáþek na 100 000 ot/min a o 26% rychlejší þas zrychlení na 170 000 ot/min než bČžné turbodmychadlo vyrobené z Inocelu 713C. Také maximální rychlost TiAl turbodmychadla byla 180 000 ot/min tedy o 10 000 ot/min vČtší [16]. Na obr.2.10. je porovnání rychlostí odezvy TiAl turbodmychadla a bČžnČ používaného turbodmychadla vyrobeného z Inconelu 713C. TiAl turbodmychadlo projevuje 0,2 sekundové zlepšení þasu potĜebného k dosažení požadovaného kompresního tlaku 50 kPa. Tím jasnČ ukazuje úþinek redukce hmotnosti turbínového obČžného kola. Tohoto 0,2 sekundového rozdílu si již Ĝidiþ snadno povšimne a pocítí znaþnČ zvýšenou akceleraci vozidla. Lepší odezva turbodmychadla díky aplikaci slitin TiAl pro turbínové obČžné kolo byla tedy potvrzena [18].

Obr. 2.10. Graf porovnání schopnosti odezvy [18]

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 27

Testování otáþení (Hot spin testing) Obr.2.11. ukazuje výsledky testĤ pĜi teplotČ 1000°C. Materiály použité pro porovnání jsou Inconel 713C (nejbČžnČji používaný pro turbodmychadla) a MAR-M247 (speciální materiál používaný v turbodmychadlech závodních vozĤ). U TiAl turbodmychadla je pozorován velký nárĤst maximální rychlosti oproti ostatním. Dokonce i pĜi pĜekroþení rychlosti nad 600 m/s nedošlo k prasknutí. To dokazuje excelentní vlastnosti pĜi vysokých teplotách TiAl slitin [18]. Tento výsledek naznaþuje, že TiAl slitiny by mohly dovolit zvČtšení prĤmČrĤ turbín a vČtší úþinnosti aerodynamického designu, což u standartních turbín nebylo možné. To znamená, že designové zmČny by mČly umožnit vyšší výkon a úþinnost a tím poskytnout další výhody k již potvrzené dobré odezvové schopnosti u TiAl turbodmychadel [18].

Obr. 2.11. Graf porovnání maximálních dosažených rychlostí (zdroj)

Test výdrže motoru (Engine endurance testing) K hodnocení výdrže ve skuteþných provozních podmínkách bylo turbodmychadlo ze slitiny TiAl vloženo do benzínového motoru a podrobeno zkoušce. Testovací podmínky se skládaly ze spojitého zatížení a ze zrychlování/zpomalování pĜi teplotČ 900°C a vyšší. Tyto testovací podmínky jsou mnohem závažnČjší, než jakékoliv myslitelné skuteþné provozní podmínky [18].

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 28

Obr. 2.12. TiAl turbína po absolvování testu [18]

Po skonþení testu nebyly na turbínČ objeveny žádné problémy jako tvarové deformace nebo defekty, aþkoliv povrch turbíny zmČnil barvu na bČlavou, to bylo vysvČtleno jako výsledek usazenin z motoru [18]. Obr.2.13. pĜedstavuje mikrograf povrchové vrstvy po dokonþení testování. Je zde dobĜe vidČt adhezivní vrstva i oxidaþní vrstva. Analýzou bylo zjištČno obohacení povrchové vrstvy prvky Ca, Zn, P, Fe, a O. Z toho Ca, Zn a P byly pĜítomny jako pĜísady do paliva a mazacích motorových olejĤ a pĤvod Fe je pĜiþítán korozi válce [18].

Adhezivní vrstva Oxidaþní vrstva

Slitina

Obr. 2.13 Mikrograf povrchové vrstvy TiAl turbíny po absolvování testu [18]

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 29

Naproti tomu oxidaþní vrstva pod adhezivní vrstvou je extrémnČ tenká, což naznaþuje velmi malé okysliþení. TloušĢka oxidaþní vrstvy je rovna asi jedné pČtinČ tloušĢky oxidaþní vrstvy vzniklé pĜi testu atmosférické oxidace. To dokazuje, že náchylnost k oxidaci za provozu není tak velká, jak bylo oþekáváno. PĜesný dĤvod je zatím nejasný, pravdČpodobnČ jeden z prvkĤ Ca, Zn, P nebo Fe by mohl mít stabilizaþní funkci na hustou Al2O3 vrstvu a tím tedy zlepšovat oxidaþní chování TiAl slitin [18].

2.3.4 Spojení s ocelovou hĜídelí PĜi výrobČ TiAl turbodmychadel je velmi dĤležitá technologie spoje mezi turbínovým kolem a ocelovou hĜídelí. Protože se koeficient lineární roztažnosti mezi TiAl a ocelí velmi liší, kvalita spoje by se v bČžném provozním prostĜedí vysokých teplot, charakteristickém pro turbodmychadla, rychle zhoršovala, pokud by bylo kolo s hĜídelí spojeno pĜímo [18]. K vyĜešení tohoto problému se používá vložkový materiál, který má koeficient lineární roztažnosti podobný jako slitina TiAl. Spoj mezi TiAl turbínovým kolem a vložkovým materiálem byl docílen pomocí pájení, a spoj mezi vložkou a ocelovou hĜídelí byl proveden technologii EBW – elektron beam welding (svaĜování elektronovým paprskem) [18]. Ze dvou jmenovaných je právČ technologie spojování pájením tou obtížnČjší. Do nedávna pro tuto aplikaci neexistovala dostateþnČ spolehlivá metoda pro masovou produkci. Proto byl proveden výzkum vČnující se právČ této problematice a jeho výsledkem bylo vyvinutí vysoce spolehlivé pájecí technologie, jejíž spoje nemají skoro žádné defekty a dosahují uspokojivé pevnosti jak pĜi pokojové teplotČ, tak i pĜi vysokých teplotách. Na obr. 2.12 je vyobrazen celkový proces výroby spoje mezi TiAl turbínovým kolem a ocelovou hĜídelí [16,18].

Obr. 2.14. schéma výroby spoje [18]

FSI VUT

3

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 30

VÝROBNÍ TECHNOLOGIE

4.1 Výroba ingotĤ Schéma procesu výroby ingotĤ ze slitiny TiAl je ukázáno na obr. 3.1. Jak je vidČt, tento proces se skládá z velkého množství jednotlivých operací, což ve výsledku vede k vysoké výrobní cenČ už pĜi výrobČ ingotĤ. Hliník je lehký kov, který je vyrábČn redukcí z jeho oxidĤ pomocí elektrolýzy. Titan je vyrábČn takzvaným Krollovým procesem, který není pĜíliš produktivní a je pomČrnČ drahý. Bohužel do dnešní doby v podstatČ neexistuje jiná alternativní metoda výroby titanu. Titan, hliník a legující pĜísady jsou po té mechanicky smíchány a svaĜeny do elektrod, které se následnČ pĜetavují technologií VAR. Z dĤvodu nízké výsledné homogenity ingotu je nutné ingot pĜetavit vícenásobnČ. StČžejní operací Krollova procesu je redukce chloridu titaniþitého hoĜþíkem nebo sodíkem. PrĤmyslová výroba titanu se skládá z pČti základních operací: [9,22] • pĜíprava materiálu pro chloraci • výroba chloridu titaniþitého • redukce titanové houby • lisování elektrod • pĜetavování Ti houby na kujný titan

Obr. 3.1. schéma výroby ingotĤ [22]

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 31

Obtíže pĜi výrobČ titanu (prĤmyslová výroba titanu je jedna z nejmladších) pĤsobí jeho znaþná reaktivnost s kyslíkem, dusíkem a vodíkem, které i pĜi velmi malém obsahu zvyšují jeho tvrdost a kĜehkost a snižují jeho tváĜitelnost [9]. Další nevýhodou titanu je jeho strategický význam pro vojenský prĤmysl. Titan je totiž hojnČ využíván ve vojenské technice. Proto mĤže být jeho dostupnost omezena v závislosti na politické situaci ve svČtČ [22].

4.2 Tavení slitiny Metody tavení slitin TiAl lze rozdČlit podle druhu používaných tavících kelímkĤ na tavení ve vodou chlazených mČdČných tavících kelímcích a na tavení v keramických kelímcích. Tavící proces musí být správnČ vybrán s ohledem na složení slitiny, tvar, velikost a také na ekonomické a provozní faktory [23]. Z metalurgického hlediska je pĜi pĜípravČ slitin TiAl tĜeba Ĝešit problémy vyvolané pomČrnČ vysokými licími teplotami, reakcemi obou základních složek slitiny, tj. Ti i Al, s atmosférou tavícího agregátu, vypaĜováním složek slitiny, zejména pak Al, a reakcemi Ti s tavícími kelímky, pĜípadnČ formami. Tavení ve vakuu je doprovázeno snižováním obsahu Al ve slitinČ. Vhodné je proto pĜed zaþátkem natavování pec napouštČt inertním plynem (Ar) [17]. 4.2.1 Tavení slitin technologii VAR V souþasné dobČ nejpoužívanČjší zpĤsob komerþní pĜípravy slitin TiAl je obloukové tavení (VAR). VAR je plynulé pĜetavování tavné elektrody, získané slisováním Ti houby pomocí elektrického oblouku ve vakuu. Energie stejnosmČrného proudu je používána na vytvoĜení oblouku mezi elektrodou a základovou deskou chlazenou vodou. Teplo generované elektrickým obloukem taví špiþku elektrody a tím se postupnČ vytváĜí nový ingot ve vodou chlazené formČ. Aby se docílilo homogenního chemického složení v celém objemu ingotu, je nutné ingot pĜetavit ještČ jednou (tzv. dvojí pĜetavení) [24]. Výhodou procesu obloukového tavení je velmi dobrá homogenita výsledného ingotu, malá ztráta Al a dalších lehko se vypaĜujících legujících prvkĤ [23,24]. Velkou nevýhodou technologie VAR je problematická výroba elektrod požadovaných vlastností. Díky tomu je tato metoda obtížná a finanþnČ nákladná, pokud chceme zmČnit druh slitiny. Tavení slitiny probíhá ve vodou chlazených mČdČných kelímcích, což s sebou také pĜináší urþité bezpeþnostní rizika. Titan má tavící teplotu 1668°C [25]. To znamená, že pĜi pĜehĜátí taveniny o 200°C se pracovní teplota pohybuje kolem 1868°C [25]. M ČdČné kelímky se roztavují pĜi teplotČ 1100°C, proto musí být neustále chlazeny [25].

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 32

Pokud by nastala situace, kdy by se voda dostala k taveninČ, zpĤsobilo by to dvoustupĖovou explozi. První výbuch by zpĤsobila pára a poté by následoval druhý vodíkový výbuch. Titan má totiž velkou afinitu ke kyslíku, který je složkou vody. Titan na sebe naváže kyslík a tím z vody uvolní vodík, který mĤže expandovat. Dohromady tyto dva výbuchy mají sílu pĜibližnČ jako výbuch 100 kilo trhaviny TNT [25]. Ve Spojených státech bylo od doby poþátku výroby titanu zaznamenáno nejménČ 50 pĜípadĤ, kdy došlo k explozi pece. Z tČchto dĤvodĤ jsou bezpeþnostní opatĜení potĜebná pro provoz této technologie stále rozsáhlejší [25].

obr. 3.2. Schéma vakuové obloukové peci [26]

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 33

4.2.2 Tavení elektronovým paprskem Tavení elektronovým paprskem (electron beam melting – EBM) se používá na tavení reaktivních kovĤ jako titan, niob, tantal, molybden, vanad, zirkonium a jejich slitiny. Výhody EBM jsou: • • •

flexibilní a snadná kontrola teploty, rychlosti a reakcí možnost použití širokého spektra materiálĤ z hlediska kvality, rozmČrĤ a tvarĤ vČtší produktivita než VAR nebo PAM

Tavení probíhá ve vodou chlazených mČdČných kokilách ve vakuu, díky kterému je natavená lázeĖ dokonale zbavena plynĤ a tak je dosaženo vysoké výsledné þistoty. Nevýhodou EBM je obtížná kontrola slitinových prvkĤ Al, Sn a Cr, protože tyto slitinové prvky se vypaĜují pĜi vysokých tlacích [23]. EBM hraje dĤležitou roli ve výrobČ vysoce þistých materiálĤ, slitin pro elektroniku a recyklování titanového šrotu. Elektronový paprsek pĜedstavuje vysokoteplotní zdroj tepla, který je schopen pĜekonat tavící a dokonce i odpaĜovací teploty všech materiálĤ. Elektronový paprsek má výkonovou hustotu kolem 100W/cm2 [23]. Efektivnost pĜenosu výkonu paprsku se pohybuje pĜibližnČ od 50 do 80% [23]. Jelikož je EBM povrchová metoda, vytváĜí jen mČlkou lázeĖ pĜi pĜijatelné tavící rychlosti, což má pĜíznivý úþinek na výslednou strukturu.

Obr. 3.3. Tavení elektronovým paprskem [27]

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 34

4.2.3 Tavení plazmou Tavení plazmou (plasma arc melting – PAM) je technika zpracování materiálu, která využívá teplo plazmy k tavení. Použití plazmy je vhodné tam kde se vyžaduje vysoká tavící teplota v definované inertní atmosféĜe, pĜed dalším zpracováním. PAM pece obvykle pracují pĜi pozitivním tlaku inertní atmosféry, aby se zabránilo potencionální atmosférické kontaminaci kyslíkem a dusíkem. Vysoký tlak je také nezbytný pro zabránČní selektivnímu odpaĜování legujících prvkĤ jako Al, Cr, Mg v titanových slitinách. [23] PAM je alternativní proces tavení k technologiím VAR a EBM s cílem pĜekonat nČkteré jejich nedostatky. Výhodou oproti technologii VAR je možnost použití nezpracovaného vratného materiálu namísto drahých elektrod. Nevýhodou technologie PAM je problematické pĜehĜátí taveniny. PĜi zvýšeném výkonu se dociluje pouze lokálního pĜehĜátí taveniny místo pĜehĜátí v celém objemu [23].

Obr. 3.4. Tavení plazmou [27]

4.2.4 Tavení ve studeném kelímku (ISM) Tavící a odlévací systém pro slitiny titanu, známý jako tavení ve studeném kelímku (induction skull melting – ISM), byl vyvinut za úþelem minimalizace nevýhod ostatních tavících metod jako VAR, EBM, PAM, které jsou používány pĜevážnČ jen na výrobu ingotĤ. Za hlavní nedostatky procesu ISM lze pokládat velmi nízkou energetickou úþinnost, obtížné dosažení potĜebného pĜehĜátí taveniny a s tím spojené nebezpeþí nezabČhnutí odlitku. Technologie ISM nabízí Ĝadu výhod pro odlévání titanových odlitkĤ, vþetnČ rychlého þasu cyklu a možnosti odlévaní tvarovČ složitČjších i tenkostČnných titanových odlitkĤ. Proces využívá vodou chlazené mČdČné tavící kelímky, tím se zabraĖuje kontaminaci

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 35

a dociluje menšího nárĤstu obsahu kyslíku bČhem pĜetavby v porovnání s keramickými kelímky [17,23]. Tavným materiálem mĤže být v podstatČ cokoliv, co se fyzicky vejde do tavícího kelímku, vþetnČ ingotu, plechu, trubky, turbíny, titanové houby, prášku a vratného materiálu [23]. Protože je vsázka tavena prostĜednictvím magnetického pole, není potĜeba výroby elektrod. Tyto výhody dČlají z ISM atraktivní proces pro produkci rĤzných vysoce kvalitních titanových odlitkĤ [17,23].

Obr. 3.5. Schéma tavení ve studeném kelímku [28]

4.2.5 Vakuové indukþní tavení v keramickém kelímku (VIM) Jednou z cest výrazného snížení nákladĤ na výrobu odlitkĤ ze slitin TiAl je použití vakuové indukþní pece osazené keramickým kelímkem. Vakuové indukþní tavení v keramickém kelímku (vacuum induction melting – VIM) mĤže být použito v mnoha aplikacích, zvláštČ v pĜípadech reaktivních titanových slitin a složitČji tvarovaných souþástí. V porovnání s metodou tavení ve studeném kelímku VIM proces mĤže kontrolovat pĜehĜátí tavené slitiny titanu. KromČ toho elektromagnetické pole zajišĢuje homogenitu chemického složení slitin [17,23]. Použití keramických kelímkĤ dovoluje dosažení vyššího pĜehĜátí taveniny v porovnání s ISM, tavení v tČchto kelímcích však pĜináší nárĤst obsahu kyslíku v taveninČ a zvýšení podílu nekovových vmČstkĤ v porovnání s výchozím ingotem. Z hlediska kontaminace taveniny bČhem pĜetavby se jako problematické ukázaly kelímky z Al2O3, které podle výrobcĤ obsahují

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 36

1,8–9 hm. % SiO2. Kvalitu taveniny lze zlepšit ošetĜením líce kelímku vhodným nátČrem (CaO, Y2O3) [17,23]. Za nejvhodnČjší žárovzdorný materiál tavicích kelímkĤ je z hlediska rĤstu obsahu kyslíku bČhem pĜetavby pokládán oxid vápenatý (CaO), avšak nejnižších obsahĤ kyslíku i nekovových vmČstkĤ je dosahováno u kelímkĤ z Y2O3. Oxid ytritý (Y2O3) je použitelný na celý kelímek nebo v podobČ plazmového nástĜiku na vnitĜní stČnu kelímku. Nevýhodou tČchto kelímkĤ je jejich praskání pĜi chladnutí na pokojovou teplotu. Akceptovatelné se jeví i použití kelímkĤ z oxidu hlinitého (Al2O3). Za zcela nevhodné jsou pokládány kelímky z oxidĤ hoĜeþnatého (MgO) a zirkoniþitého (ZrO2) [17,23].

Obr. 3.6. Schéma vakuového indukþního tavení v keramickém kelímku [29]

4.3 Odlévání slitiny TiAl KvĤli své enormní reaktivitČ roztaveného kovu, bez ohledu na typ formy, tvoĜí slitina TiAl na povrchu odlitku alfa fázi, která je velmi tvrdá, obtížnČ obrobitelná a mĤže vést ke vzniku a šíĜení trhlin. Odlévání slitiny TiAl pĜedstavuje, v porovnání s ostatními metodami výroby, použitelný prostĜedek k výrobČ komplexních souþástek vzhledem k jejich špatné zpracovatelnosti a obrobitelnosti. [23,30]. KromČ konvenþního gravitaþního lití je pĜi odlévání odlitkĤ aplikována i metoda antigravitaþního lití (Chandley low-pressure process for vacuum melt alloys – CLV); technologie spojující pĜednosti levitaþního tavení ve studeném kelímku a antigravitaþního nízkotlakého lití je oznaþována jako LEVICAST proces [17].

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 37

4.3.1 Gravitaþní odlévání Gravitaþní odlévání je nejdĤležitČjší metodou bez potĜeby speciálního vybavení. ZajištČní zabíhavosti (schopnost slitiny vyplnit co nejdokonaleji dutinu formy) pro správné lití taveniny je obtížné, protože v pĜípadČ gravitaþního lití, licí rychlost a pĜehĜátí taveniny nemohou být Ĝízeny. Správného pĜehĜátí taveniny mĤže být docíleno tavením metodou VIM s grafitovými nebo CaO kelímky a také teplota pĜedehĜátí formy mĤže být Ĝízena odporovou pecí. Ovšem v pĜípadČ lití slitiny TiAl se nelze vyhnout problémĤm reakce na mezifázové úrovní – tvorba alfa fáze u keramických forem. Vysoká adheze titanové slitiny ke kovovým permanentním formám zpĤsobuje takzvané titanové pájení. Z tČchto dĤvodĤ má gravitaþní lití slitiny TiAl nízkou produktivitu výroby [23].

4.3.2 Antigravitaþní nízkotlaké vakuové odlévání (CLV) Firma Hitchiner vyvinula v 70. letech 20.století metodu odlévání CLV (counter gravity low-pressure vacuum melting process) Tradiþní gravitaþní lití potĜebuje vhodnou vtokovou soustavu k minimalizaci vad odlitkĤ, zpĤsobených turbulentním proudČním taveniny. V porovnání s gravitaþním litím technologie CLV poskytuje plynulejší plnČní dutiny formy, a to umožĖuje odlévat složitČjší tvary odlitkĤ. Navíc technologie CLV nabízí menší erozi formy, menší vznik oxidĤ a zlepšení kvality a efektivnosti odlévání. Technologie CLV také používá keramické kelímky a formy, a proto se také objevuje s tím spojený problém výskytu alfa fáze a kontaminace taveniny materiálem keramických kelímkĤ. Principem technologie CLV je antigravitaþní proces, pĜi kterém je tavenina nasáta do dutiny propustné keramické skoĜepinové formy pomocí snížení tlaku na vnČjšku formy. Hlavní výhodou této technologie je schopnost plnČní tenkých dutin formy a tím snížení vad odlitkĤ. [23]

Obr. 3.6. Schéma CLV technologie [31]

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 38

4.3.3 OdstĜedivé lití Roztavený kov je vléván do rychle se otáþející formy a odstĜedivou silou pĜitlaþován ke stČnČ formy, kde tuhne. Odlitky jsou hutné a bez bublin, výhodou je lepší využití materiálu a vyšší pĜesnost odlitku. Lepší plnČní dutiny formy pomocí odstĜedivé síly je více úþinné než pĜehĜívání taveniny a pĜedehĜívání formy. Podle osy rotace odlitku rozdČlujeme odstĜedivé odlévání na vertikální a horizontální, a podle zpĤsobu lití na pravé a nepravé. U pravého odstĜedivého lití je osa rotace totožná s osou odlitku. Používá se hlavnČ na výrobu dutých válcĤ. U nepravého odstĜedivého lití se odstĜedivá síla využívá na podporu vyplnČní dutiny formy, jak je ukázáno na obr. 3.7. [23]

Obr. 3.7. Schéma pravého a nepravého odstĜedivého lití [23].

4.3.4 LEVICAST Pokud chceme zlepšit tažnost odlitkĤ ze slitiny TiAl za pokojové teploty, musíme zmenšit obsah kyslíku, který vzniká pĜi tavení, kvĤli reakci mezi taveninou TiAl a keramickým kelímkem. ZároveĖ, pokud kelímek není pĜedehĜátý, vznikají velké tepelné ztráty. Za úþelem odstranČní tČchto nevýhod byla vyvinuta technologie odlévání LEVICAST, která se skládá z antigravitaþního nízkotlakého lití a z pokroþilého levitaþního tavení ve studeném kelímku [16]. Obr. 3.11. ukazuje schéma procesu, kde slitina TiAl je tavena ve speciálním, vodou chlazeném mČdČném kelímku v inertní atmosféĜe argonu pomocí vysokofrekvenþního ohĜevu. Tavenina je udržována dál od stČn kelímku pomocí magnetického pole generovaného indukþními cívkami. Tím jsou eliminovány tepelné ztráty na stČnách kelímku. Roztavený kov v kelímku tedy díky magnetickému poli levituje a po natavení se odlévá technologií CLV antigravitaþním nasátím do skoĜepinové keramické formy [16]. Tato technologie byla vyvinuta a patentována spoleþností Daido Steel [16], proto není dostupná jako konvenþní metoda odlévání slitin TiAl.

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

Obr. 3.8. Schéma technologie odlévání LEVICAST [16]

List 39

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 40

ZÁVċR Slitiny TiAl se již uplatnily jak v turbodmychadlech, tak i u výfukových ventilĤ. V tomto ohledu je nejdále firma Mitsubishi, která slitiny TiAl používá v sériové výrobČ u ventilĤ i turbodmychadel. Naproti tomu však do dnešního dne neexistuje praktické využití slitin TiAl u lopatek leteckých turbínových motorĤ, pĜestože výzkum v této oblasti již probíhá dlouhou dobu a bylo i úspČšnČ otestováno nČkolik prototypĤ. Hlavními dĤvody tohoto problému zĤstává stále vysoká výrobní cena a také úzký rozsah teplot, pĜi kterém se vyplatí použít slitiny TiAl. Technologie slitin TiAl v turbodmychadlech byla ovČĜena mnohými testy, které dokázaly, že tato turbodmychadla mají lepší vlastnosti než turbodmychadla z tradiþních materiálĤ, jako slitiny Ni. Díky menšímu momentu setrvaþnosti je rychlost odezvy u tČchto turbodmychadel mnohem lepší. To má za následek rychlejší akceleraci automobilu a tuto zmČnu již Ĝidiþ sám snadno pocítí. ÚspČchy v aplikacích slitin TiAl u turbodmychadel a výfukových ventilĤ, mohou výraznČ snížit þas potĜebný k uplatnČní v nároþnČjších aplikacích, jako jsou letecké motory.

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 41

Seznam použitých zdrojĤ 1. Titan. Katedra chemie FP TUL [online]. 2003 [cit. 2012-03-05]. Dostupné z: http://www.kch.tul.cz/filebrowser/download/3977468 2. SEDLÁýEK, Vladimír. Titan a jeho slitiny. 1. Vyd. Praha : Státní nakladatelství technické literatury, 1963. 205 s. 3. Periodická tabulka prvkĤ [online]. 2009, Duben 2012 [cit. 2012-03-05]. Dostupné z: http://www.prvky.com 4. Rutil. Mineralogie pro školy [online]. 2003 [cit. 2012-04-19]. Dostupné z: http://web.natur.cuni.cz/ugmnz/mineral/mineral/rutil.html 5. Mineral Specimens. Attard's minerals [online]. 2011 [cit. 2012-04-19]. Dostupné z: http://attminerals.com/50_200_p5.htm 6. Titan. Tabulka.cz [online]. 1998 [cit. 2012-03-11]. Dostupné z: http://www.tabulka.cz/prvky/ukaz.asp?id=22 7. Záznamový list k bezpeþnosti materiálu - TITAN. BIBUS s.r.o. [online]. 2003 [cit. 2012-05-09]. Dostupné z: http://new.bibus.cz/pdf/Special_Metals/Titan/M.pdf 8. Titan - vlastnosti, použití, slitiny a výroba. Katedra technologií a materiálového inženýrství Univerzity J.E.PurkynČ v Ústí nad Labem [online]. 2007 [cit. 2012-04-20]. Dostupné z: http://www.stefanmichna.com/download/technickematerialy_II/titan_vlastnosti_pouziti_slitiny.pdf 9. VOJTċCH, Dalibor. Kovové materiály [online]. Praha: Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, 2006, 185 s. [cit. 2012-04-01]. ISBN 807080-600-1. Dostupné z: http://vydavatelstvi.vscht.cz/knihy/uid_isbn-807080-600-1/pages-img/137.html 10. CHEN-MIN LI, James. Microstructure and Properties of Materials: Svazek 2 [online]. World Scientific, 2000 [cit. 2012-03-22]. ISBN 981-02-4180-1. Dostupné z: http://books.google.cz/books?id=4c31Fipmc5AC&printsec=frontcover&dq=g ama+Titanium+Aluminides+character+%22property%22&lr=&hl=cs&source= gbs_summary_s&redir_esc=y#v=onepage&q&f=false 11. MAZÁNEK, OndĜej. PĜehled a využití neželezných kovĤ ve strojírenství. Liberec, 2010. 25 s. Dlouhodobá roþníková práce. StĜední prĤmyslová škola strojní a elektrotechnická a Vyšší odborná škola, Liberec 1.

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 42

12. SMÍŠEK, VítČzslav a Miroslav KURSA. Vliv smČrové krystalizace na mikrostrukturu slitiny Ti-46Al-5Nb-1W. In: Metal2012 [online]. 26.5.2005 [cit. 2012-03-21]. Dostupné z: www.metal2012.com/files/proceedings/metal_05/papers/99.pdf 13. KÁRNÍK, Tomáš, Miroslav KURSA a Kamil KRYBUS. Charakteristika intermetalických slouþenin ze systému Ti-Al. In: Metal2011 [online]. 2011 [cit. 2012-04-03]. Dostupné z: http://www.metal2011.com/data/metal2000/sbornik/papers/615.pdf 14. WU, Xinhua. Review of alloy and process development of TiAl alloys. Intermetallics. 2006, vol. 14, no. 10-11, s. 1114–1122. 15. ULICHOVÁ, Alena. Intermetalika a uspoĜádané fáze v konstrukþních materiálech [online]. Brno, 2006 [cit. 2012-04-14]. Dostupné z: http://is.muni.cz/th/106482/prif_b/bakalarka.doc. BakaláĜská práce. Masarykova univerzita. Vedoucí práce Doc. RNDr. JiĜí Sopoušek, CSc. 16. NODA, T. Application of cast gamma TiAl for automobiles, Intermetalics, 1998, vol. 6, no. 7-8, s. 709-713. 17. ZEMýÍK, Ladislav; DLOUHÝ, Antonín a UMSHAUS, Josef. Odlévání turbínových kol turbodmychadel ze slitin TiAl. In : Slévárenství . LVI . záĜíĜíjen, 2008, s. 417-421. 18. TETSUI, Toshimitsu. Development of a TiAl turbocharger for passenger vehicles. Materials Science and Engineering : A. 2002, vol. 329-331, no. 1, s. 582-588. 19. LORIA, Edward A. Quo vadis gamma titanium aluminide. Intermetallics. 2001, vol. 9, is. 12, s. 997-1001. 20. LASALMONIE, A. Intermetallics: Why is it so difficult to introduce them in gas turbine engines?. Intermetallics, 2006, vol. 14, is. 10-11, s. 1123-1129. 21.LORIA, Edward A. Gamma titanium aluminides as prospective structural materials. Intermetallics. 2000, vol. 8, is. 9-11, s. 1339-1345. 22. STOEPHASIUS, J., Friedrich, B, Production of Ȗ-TiAl-Ingots by Aluminothermic Reduction of TiO2 and Refining by ESR, IME Process Metallurgy and Metal Recycling, Aachen 2005 23. SUNG, Si-Yuong, KIM Young-Jig. Melting and casting titanium alloys. Materials Science Forum, 2007, vol. 539-543, s. 3601-3606 24. Vacuum arc remelting. Materials engineer [online]. 2010 [cit. 2012-03-22]. Dostupné z: http://www.materialing.com/node/327

FSI VUT

BAKALÁěSKÁ PRÁCE

List 43

25. Safety-Related Problems in the Titanium Industry in the Last 50 Years. The minerals, metals and materials society [online]. 2000 [cit. 2012-05-03]. Dostupné z: http://www.tms.org/pubs/journals/JOM/0005/Poulsen-0005.html 26. Vacuum Arc Remelting (VAR). ALD Vacuum Technologies [online]. 2010 [cit. 2012-05-04]. Dostupné z: http://web.ald-vt.de/cms/?id=62 27. Progress in Titanium-Alloy Hearth Melting. Industrial heating [online]. 2002 [cit. 2012-04-11]. Dostupné z: http://www.industrialheating.com/Articles/Feature_Article/2514c7909ebb701 0VgnVCM100000f932a8c0____ 28. ASHTON, M. Induction Skull Melting (ISM) of Titanium Alloys. Castings Technology International [online]. 28.03.2007 [cit. 2012-03-26]. Dostupné z: http://www.castingstechnology.com/ismtialloys.asp 29. Avalloy company overview. Avalloy [online]. 2010 [cit. 2012-03-22]. Dostupné z: http://www.avalloy.co.za/about/ 30. KIM, Myoung-Guyn, at al. Investment casting of near-net shape gamma titaium aluminide automotive turbocharger rotor, Materials Science Forum, 2005, vol. 475-479, s. 2547-2550. 31.Countergravity Casting. Hitchiner Technology [online]. 2010 [cit. 2012-0515]. Dostupné z: http://www.hitchiner.com/countergravity-casting.html#