Blog Ko Buijs: Het mechanisch gedrag van titaan
Titaan, dat in Nederland steeds meer titanium wordt genoemd, is een interessant licht zilverkleurig metaal dat over een uitzonderlijke corrosiebestendigheid beschikt. De uitdrukking ‘het weegt haast niets’ is overigens onjuist want het soortelijk gewicht van 4,51 is altijd nog twee keer hoger dan dat van aluminium. Toch is het soortelijk gewicht dermate laag dat het ongeveer de helft is dan die van roestvast staal en nikkellegeringen. Het zijn vooral de goede mechanische eigenschappen van titaan die een interessante verhouding geven tussen gewicht en sterkte. Titaan wordt vooral ongelegeerd toegepast. Dit is vooral vanwege de interessante sterkte/gewichtsverhouding gekoppeld aan een uitstekende corrosiebestendigheid.
Door Ko Buijs - www.innometconsultancy.nl
De commercieel zuivere kwaliteiten betreffen de grades 1 t/m 4 met oplopende verontreinigingen en hogere mechanische waarden. Titaan grade 1 is dus het meest zuiver en daardoor het meest zacht waardoor het bijzonder geschikt is voor het explosief plateren van stalen pijpplaten en rompen. Titaan grade 4 is vanwege de hogere hoeveelheid verontreinigingen het sterkst van de ongelegeerde typen. Hier worden dan ook meestal bouten en moeren van gemaakt. Het meest voorkomende type is titaan grade 2 dat als een soort compromis fungeert tussen de verschillende eigenschappen en kenmerken.
De titaan grades 1 t/m 4 zijn allemaal alfa-legeringen. Hoewel de mechanische waarden goed zijn, blijken deze typen toch niet geschikt te zijn voor de luchtvaartsector als het om de sterkte gaat. Daarom wordt titaan voor deze doelgroep gelegeerd met 6% aluminium en 4% vanadium. Deze elementen bewerken dat er een alfa + bètalegering ontstaat met zeer hoge mechanische waarden. Op deze wijze kan men beduidend lichter construeren en dat maakt deze legering zo interessant voor bepaalde vliegtuigcomponenten. Daarom wordt dit type ook wel het werkpaard genoemd onder de titaanlegeringen. In de onderstaande tabel is te zien hoe deze mechanische waarden stijgen door toenemende verontreinigingen en door het legeren met de genoemde elementen.
Overzicht van enige mechanische waarden van diverse titaankwaliteiten.
Duidelijk is het effect te zien van de toenemende verontreinigingen op de mechanische waarden in de grades 1 t/m 4 maar vooral de invloed van het legeren. Daarom is titaan grade 5 zo populair in de luchtvaart maar ook in de offshore waar de gunstige verhouding tussen sterkte en gewicht ook vaak relevant is. De rekgrens is in feite het meest belangrijkste kengetal omdat men immers in de praktijk altijd onder deze waarde moet blijven om te voorkomen dat er plastische vervorming op gaat treden. Daarom kan gesteld worden dat titaan grade 5 zo’n 3,5 x keer sterker is dan titaan grade 2. Het zal daarom duidelijk zijn dat er dan veel lichter geconstrueerd kan worden. Dat zal vooral het toepassen in de luchtvaartsector een extra stimulans geven. Vooral zwaar belaste componenten, zoals bewegende delen van de vleugels en bepaalde rompdelen, worden van deze kwaliteit gemaakt. In de offshore wordt dit type vooral gebruikt om er cilinders van te fabriceren die belast worden met zeer hoge persdrukken om leidingen op de zeebodem te koppelen. Dergelijke cilinders zijn te zien in onderstaande afbeelding. De wanden van deze cilinders zijn gemaakt van staf dat uitgeboord wordt want titaan grade 5 is te hard en niet ductiel genoeg om er naadloze buizen van te maken.
Titaan grade 5 cilinders t.b.v. de offshore (foto Titan Projects).
Zodra er buismateriaal nodig is met hoge mechanische waarden dan kan het beste titaan grade 9 (3Al2,5V) toegepast worden. Doordat dit type lager is gelegeerd, zal er een alfa-structuur ontstaan die voldoende vervormbaarheid geeft om er naadloze buizen van te maken. In bovenstaande tabel zijn deze mechanische waarden te zien en duidelijk is dat deze lager zijn dan die van titaan grade 5 maar nog altijd circa twee keer zo hoog dan grade 2. Dit is dan ook een ideaal materiaal om er o.a. frames voor professionele racefietsen van te maken maar ook sulky’s voor paardenraces, tennisrackets, golfsticks e.d.
Racefiets van titaan grade 9 (foto: Van Nicholas).
Ook de bouwsector heeft in toenemende mate belangstelling voor deze legering i.v.m. de sterkte en corrosiebestendigheid alsmede de fraaie uitstraling (estetisch aspect). Een voorbeeld is het dak van het Vincent van Goghmuseum in Amsterdam dat gemaakt is van titaan grade 2. Dergelijke daken gaan probleemloos en onderhoudsvrij een mensenleven mee. Dat kan van roestvast staal bepaald niet gezegd worden Veelal wordt er onterecht gedacht dat titaan ‘onbetaalbaar’ zou zijn. Dat is een misverstand want het is juist de laatste jaren qua prijs steeds aantrekkelijker geworden. Bovendien zorgt het relatief lage soortelijk gewicht ervoor dat dit ten goede komt aan de absolute aanschafprijs. Indien ook nog wordt gedacht aan het ondershoudsvrij zijn van dit metaal dan zijn de integrale kosten dermate interessant dat titaan meer toepassingen verdient.