Praktické informace o zpracování titanu

Titan má dodnes mnoho lidí v povědomí jako "kosmický" materiál, který má extrémní mechanické vlastnosti, a je stejně tak náročné ho zpracovat. Tento mýtus skutečně vznikl díky leteckému a kosmickému průmyslu, kde je titan hojně využíván od druhé světové války. Málokdy jde ale o čistý titan, který má ve skutečnosti malou pevnost a používá se pro své ostatní výhodné vlastnosti, jako je nízká hustota, nízká teplotní vodivost, korozní odolnost, biokompatibilita a jiné. Tyto obecné informace o základních slitinách titanu se nacházejí ve článku Vlastnosti titanových slitin.

V tomto článku jsou uvedeny spíše praktické informace o zpracování titanu, které se v odborné literatuře téměř nevyskytují.

Svařování

Pro svařování titanu a jeho slitin se nejčastěji používá metoda TIG (tungsten inert gas) s ochrannou atmosférou argonu a neodtavitelnou wolframovou elektrodou, ačkoli lze použít i jiné metody (např. MIG). Od běžných ocelí se svařování titanu trochu odlišuje, především ochranou před oxidací a nárokem na vysokou čistotu pracoviště a samotného svařence. Nejzásadnější je vysoká reaktivita titanu se vzduchem, která se velmi negativně projevuje zvlášť při teplotách nad 420°C. V případě nedostatečné ochrany svarové lázně a tepelně ovlivněné zóny dochází k reakci s kyslíkem a dalšími plyny ve vzduchu, což má za následek zpevnění a významný pokles tažnosti, což se projeví prasknutím svaru vlivem vnitřních napětí, v extrémním případě už během svařování nebo okamžik po zhasnutí oblouku, případně po zatížení svaru provozními silami. V praxi se ochrana horkých míst provádí pomocí velké keramické hubice s plynovou čočkou, vlečnou a kořenovou ochranou argonem o vysoké čistotě. Kvalitu ochrany svaru je možné posoudit podle barvy. Správně provedený svar má čistě stříbřitou barvu a přípustná je ještě zlatavá (straw) barva. Následující barvy jako modrá, fialová, zelená, růžová a bílá jsou už znakem nedostatečné ochrany a pro náročné a dynamicky namáhané aplikace se použití takového dílu nedoporučuje. 

Průtok na hořáku záleží na tvaru hubice a hořáku, svařovací poloze a ostatních parametrech, ale výchozí nastavení se pohybuje kolem 12 l/min pro hořák a 6 l/min pro kořenovou a vlečnou ochranu. Dofuk argonu je nutné podstatně zvýšit, často i na více než 10 s. Wolframové elektrody pro svařování titanu se neliší od těch, vhodných pro svařování oceli, takže může být použita thoriová (červená), lanthanová (zlatá) nebo ceriová (šedá).

Před svařováním je potřeba základní i přídavný materiál dokonale očistit pomocí acetonu a zbavit materiál oxidické vrstvy. Je potřeba dávat pozor, aby se na povrch nedostaly  žádné nečistoty, proto není vhodné používat k očištění brusný papír. Kvůli nebezpečí difůze železa také není vhodné používat pilníky z uhlíkové oceli. V případě výskytu nečistot svar zpevní a ztratí tažnost, což se projeví praskáním, stejně jako u oxidace. K opracování a očistění titanu se používají nástroje ze slinutého karbidu, nebo alespoň z nerezavějící oceli. Ihned po očistění se začne znovu tvořit oxidická vrstva, proto je vhodné začít svařovat co nejdříve.

 Dalším specifikem titanu je jeho nízká teplotní vodivost, která v praxi znamená snížení svařovacích proudů zhruba o třetinu oproti ocelím. Jako přídavný materiál se používá titanový drát stejné jakosti jako základní materiál s požadavkem na mírně vyšší čistotu. V případě kombinace jakostí základního materiálu se volí přídavný materiál podle požadavku na poměr pevnosti ku tažnosti svaru. V praxi to znamená použití drátu Grade 1, pokud je požadována houževnatost svaru nebo Grade 5, pokud je požadována vysoká pevnost.

Ohýbání  

Pro ohýbání zastudena jsou vhodné jakosti grade 1 a 2, které mají poměrně velkou tažnost při malé pevnosti, a dovolují u trubek ohyb o rádiusu až R = 1,5D. Plechy je možno ohýbat s rádiusem R = t. To ovšem neplatí pro grade 5, kde je tvařitelnost omezená a mez kluzu velmi vysoká (až 1000 MPa pro materiál v žíhaném stavu). Kromě toho, že ohýbací stroje nejsou na tak pevné materiály většinou uzpůsobené, dojde také při ohybu brzy k lomu plechu. Ohýbací síly a odpružení lze podstatně snížit ohřátím materiálu. Není ale vhodné překračovat 420°C. 

Obrábění

Titan grade 1 a 2 je podobně obrobitelný jako nerezové austenitické oceli, grade 5 pak ještě o něco hůře. Obecně se doporučuje používat relativně nízké otáčky, vysoké posuvy a dostatečný přísun chladiva, aby materiál nepřekročil teplotu, při které začně oxidovat a zpevňovat. Zejména při vrtání titanu grade 5 je potřeba dodávat co největší množství chladiva, jinak hrozí okamžité zpevnění a následné přivaření materiálu na vrták. Za předpokladu dodržení těchto zásad pro obrábění titanu (a při použití slinutých karbidů) je frézování a soustružení bezproblémové . Veškěré dělení titanu by mělo probíhat střiháním, nebo třískovým obráběním s vodním chlazením. Vyřezávání složitějších rovinných tvarů se provádí pomocí vodního paprsku. 

Tepelné zpracování

Titan a jeho slitiny se podle struktury - typu krystalické mřížky rozdělují na α, α+β a β slitiny. α slitiny nelze tepelným zpracováním vytvrzovat, jako tepelné zpracování se používá pouze žíhání ke snížení pnutí. Mezi tyto slitiny patří všechny komerčně čisté jakosti – grade 1,2,3,4. Ostatní slitiny (α+β a β) lze vytvrzovat pomocí rozpouštěcího žíhání, zchlazení a následného vystárnutí. U slitiny grade 5 - Ti-6Al-4V (α+β slitina) lze tímto procesem dosáhnout meze kluzu  až 1100 MPa. U tepelného zpracování je nutno dbát na ochranu před atmosférou, pokud teplota přesáhne 420°C, především před absorbcí vodíku, který způsobuje pokles vrubové houževnatosti a kyslíku, který způsobí zpevnění a pokles tažnosti. 

 V následující tabulce je uveden postup při zušlechtění nejrozšířenější slitiny titanu Ti-6Al-4V (Grade 5):

Žíhání pro snížení pnutí po svařování se pro  α, α+β slitiny liší velmi málo:

Povrchové úpravy

Při kontaktu s atmosférou dochází k samovolné oxidaci povrchu a vzniklá tenká vrstva je tvrdší než základní materiál. Na tloušťce této vrstvy závisí barva povrchu materiálu, která vzniká interferencí světla. Tloušťka vrstvy je úměrná teplotě, při které dojde k oxidaci.  Druhým způsobem, jak dosáhnout zbarvení povrchu pro dekorativní účely, je anodická oxidace. Anodická oxidace funguje na principu průchodu elektrického proudu vodivým vodním roztokem. Na anodě (anodizovaný předmět) se vylučuje kyslík, který okamžitě oxiduje a tvoří vrstvu s tloušťkou a tedy i barvou, úměrnou napětí.  

Vzhledem k tomu, že titan špatně odolává opotřebení, aplikují se na činné plochy různé povrchové vrstvy. Nejběžnější je cementace a nitridace v solné lázni. U slitiny Ti-6Al-4V lze takto dosáhnout 170 % nárůstu tvrdosti do hloubky asi 50 µm. Maximální dosažitelná tvrdost je asi 800 HV, ale ani tak titan s touto povrchovou úpravou nedokáže nahradit ocel v nejnáročnějších aplikacích, kde dochází k otěru. Asi nejtvrdší povrchovou úpravou je DLC (diamond like carbon), kdy lze dosáhnout mikrotvrdosti až 30 GPa. Dalšími výhodami DLC povlaku je absolutní korozivrdornost, malá odrazivost světla a vysoké povrchové napětí - na povrchu nedrží nečistoty.