TITAAN VOOR DE JACHTBOUW
Al vele decennia is roestvast staal AISI316L een van de meest toegepaste legeringen in de jachtbouw. Vele componenten worden van dit type roestvast staal vervaardigd. Onder meer kan dan gedacht worden aan bolders, leidingen, uitlaten, belbeugels, luchthappers, kikkers, trappen, zwemplatforms, relingen, fairleads, katrollen, rondsels, scharnieren, warmtewisselaars, enz. Ook wordt roestvast staal gebruikt als interieurmetaal, liften en kozijnen en dat vooral als de jachten qua omvang groter worden.
Roestvast staal heeft echter zijn beperkingen t.a.v. de corrosiebestendigheid en dat vooral in maritieme toepassingen. Deze bestendigheid hangt wel sterk af van de oppervlaktegesteldheid. Een geslepen rvs-oppervlak is gevoelig voor corrosie zodra een jacht het ruime sop kiest. Meestal gaat het dan om ‘under deposit corrosion’ dat ontstaat onder de vuilafzetting in de slijpgroeven. Indien een dergelijk component wordt gepolijst dan heeft men praktisch gezien niet veel last van deze corrosie. Dat is dan ook de reden dat dergelijke rvs-componenten meestal worden gepolijst als een jacht zeewaardig moet zijn.
Vanwege de beperkingen van roestvast staal is er in de laatste jaren een steeds grotere belangstelling gekomen om het metaal titaan toe te gaan passen in de exclusieve jachtbouw. Daarom is het nuttig eerst eens wat meer kennis te maken met dit unieke metaal. Titaan c.q. titanium is een relatief licht reactief metaal met een zilverachtige kleur, dat bepaald niet schaars aanwezig is in de aardbodem. Sterker nog, het is op vier na het meest voorkomende element in onze aardkorst. De vraag is dan ook gerechtvaardigd waarom dit metaal bepaald niet goedkoop is. De primaire reden hiervan is de omslachtige reductie vanuit het rutielerts dat ook nog eens veel energie vraagt. Titaan is een metaal met een normaalpotentiaal van –1,63 volt en dat is maar liefst zo’n vier keer meer negatief dan de negatieve potentiaal van ijzer. Toch gedraagt dit onedele metaal zich enorm edel omdat de huid van titaandioxide zo’n geweldig goede bescherming geeft. Titaan is zo reactief dat er zich spontaan een titaanoxidehuid zal vormen aan de lucht, zonder een waterig milieu. Dat in tegenstelling tot ijzer want dat heeft wel vocht en lucht nodig om te gaan oxideren. Daarom is ijzer geen reactief maar een actief metaal. Is titaan eenmaal vrijgemaakt vanuit zijn gebonden status, dan blijkt de corrosiebestendigheid in zeer veel gevallen vergelijkbaar te zijn met goud en platina. Titaan is weliswaar geen edelmetaal, maar het gedraagt zich uiterst edel dankzij de reeds genoemde sterke taaie passieve oxidehuid die zich onlosmakelijk aan het oppervlak bevindt. Vooral in zeewater en chloridehoudende milieus voelt dit metaal zich als een ‘visje in het water’ waardoor het probleemloos een mensenleven mee kan gaan. In tegenstelling tot roestvast staal speelt de oppervlaktegesteldheid van titaan geen enkele rol van betekenis meer, als het om de corrosiebestendigheid gaat. Door de dikte van de titaanoxidehuid te laten variëren m.b.v. anodiseren, kunnen alle kleuren van de regenboog ontstaan. Deze oxidehuid is transparant en kleurloos en door de extra oxidatie zal deze huid een weinig dikker worden waardoor het invallende licht een andere brekingsindex krijgt met zijn eigen specifieke kleur (afbeelding 2). Dit kan fraaie effecten op bepaalde titaan componenten geven die een esthetische of exclusieve uitstraling moeten hebben.
Om een beter beeld te krijgen van bepaalde kenmerken zijn in tabel 1 allerlei eigenschappen weergegeven van de metalen titaan, aluminium, koper en roestvast staal. Zo kan men een goede indruk krijgen hoe het zit met de onderlinge verschillen. Wat direct opvalt, is het hoge smeltpunt van titaan, de lage thermische uitzetting en het relatief lage soortelijk gewicht. Daardoor ontstaat een interessante verhouding tussen gewicht en sterkte wat soms ook voor de maritieme toepassingen van belang is. Voorbeelden hiervan zijn o.m. titaancomponenten voor onderzeeërs en voor de vliegtuigbouw.
| Titaan | Aluminium | Koper | RVS 316L | |
|---|---|---|---|---|
| Smeltpunt in °C | 1600 | 660 | 1084 | 1400 |
| Soortelijk gewicht | 4,51 | 2,70 | 8,94 | 7,9 |
| Uitzettingscoëfficiënt x10-6/K | 8,4 | 24 | 17 | 17 |
| Elektrische weerstand μΩcm | 48,2 | 2,68 | 1,72 | 74 |
| Elasticiteitsmodules GPa | 105 | 70 | 120 | 197 |
| Normaal potentiaal in Volt | -1,63 | -1,66 | +0,40 | +0,20 |
| Warmtegeleidingscoëfficiënt x 10-6/K | 16,2 | 210 | 385 | 15 |
Commercieel zuiver titaan wordt ingedeeld in de grades 1, 2, 3 en 4. Het betreffen allemaal typen met een hexagonale alfastructuur (α) met een oplopende onzuiverheid. Een hexagonale structuur heeft slechts twee glijvlakken in het atoomrooster en dat betekent dat zulk materiaal stug aanvoelt waardoor het minder goed te vervormen is dan bijvoorbeeld austenitisch roestvast staal. Ti-grade 2 wordt in de praktijk het meest toegepast. Ti-grade 1 is het meest zuivere commerciële titaan wat beschikbaar is en Ti-grade 4 het minst zuivere. In tabel 2 blijkt hoe sterk de verontreinigingen invloed hebben op de mechanische waarden. Titaan grade 1 heeft ook de laagste hardheid, waardoor het veelal wordt toegepast als cladding materiaal t.b.v. het explosieve lasproces. De typen Ti-grade 11 en 7 zijn in feite grade 1 en 2 met een additie van circa 0,2% palladium. Palladium zorgt ervoor dat de weerstand tegen spleetcorrosie in hoge mate verder toeneemt in warm zeewater. Als zeewater warmer is dan 80oC kunnen in nauwe titaanspleten spleetcorrosie ontstaan. Als er 0,2% palladium in dit titaan is gelegeerd, is dit risico te verwaarlozen. Een goed praktijkvoorbeeld is een platenkoeler, waar men vaak met nauwe spleten van doen heeft. Daarnaast zijn er ook β (bèta)-legeringen en bovendien α+β-legeringen. Dat zijn soorten met hoge mechanische waarden. Veelal betreffen dit ook smeed- en gietlegeringen. Indien titaan wordt gelegeerd met 6% aluminium en 4% vanadium ontstaat er een alfa bèta legering die over een uitzonderlijke sterkte beschikt. Dit type wordt aangeduid met Ti-grade 5 en de rekgrens wordt daardoor haast met een factor vijf verhoogd (zie tabel 2). Wel gaat dit ten koste van de breukrek. Ti-Gr 5 wordt vooral toegepast in de vliegtuigbouw vanwege een zeer gunstige verhouding tussen soortelijk gewicht en sterkte. Ook vindt dit type toepassingen in zwaar belaste delen die vooral in de jachtbouw en offshore voorkomen.
| Ti-grade | 0,2% rekgrens MPa | Treksterkte MPa | Breukrek % |
|---|---|---|---|
| 1 | 170-190 | 240-345 | 25-27 |
| 2 | 240-345 | 345-450 | 20-24 |
| 3 | 380-460 | 450-595 | 18-25 |
| 4 | 480-560 | 550-685 | 15-23 |
| 7 | 280-350 | 345-480 | 20-28 |
| 11 | 170-220 | 240-345 | 25-37 |
| 5 | 830-900 | 900-1000 | 10-18 |
In het kort kunnen de algemene eigenschappen van titaan als volgt worden samengevat:
- Relatief laag soortelijk gewicht;
- Hoge corrosiebestendigheid;
- Grote erosieweerstand;
- Hoge efficiënte warmteoverdracht;
- Gunstige sterkte/gewichtsverhouding;
- Geringe thermische uitzetting;
- Esthetisch fraai uiterlijk;
- Harde gladde oxidehuid;
De laatstgenoemde eigenschap belemmert in hoge mate vuilafzetting op het oppervlak en bevordert een druppelvormige condensatie wat van belang is t.b.v. het rendement van condensors en warmtewisselaars. Factoren zoals een laag soortelijk gewicht, goede mechanische waarden en corrosiebestendigheid, zijn belangrijke aspecten die het gebruik van titaan snel zullen rechtvaardigen in maritieme omgevingen. In de afgelopen 60 jaar heeft titaan zich bijzonder goed bewezen als een optimale materiaalkeuze in zouthoudend, brak en verontreinigd water. Vele miljoenen meter condensorpijp zijn wereldwijd geïnstalleerd in elektriciteitscentrales en ontziltingsfabrieken zonder dat er enige aantasting valt waar te nemen. Er zijn fabrikanten die maar liefst veertig jaar garantie geven bij het toepassen van titaan in maritieme omgevingen. Aanvankelijk werden brandblussystemen en koelsystemen t.b.v. offshore platforms van koolstofstaal gemaakt die beschermd werden met allerlei deklagen. Vanwege het beschadigen van deze coatings is men toen snel overgestapt naar cupronikkel, wat weer leidde tot putcorrosie en erosie in verontreinigd water. Sommige ontwerpers hebben toen getracht deze problemen te overwinnen door de wanddiktes te vergroten en de watersnelheden te verlagen. De nadelige gevolgen vanwege het beperkte debiet, waren er grotere diameters pijpen en grotere bochtradiussen nodig. Dit leidde dan weer tot een behoorlijke toename van de kosten en gewicht van het pijpsysteem, dat bovendien ook nog meer ruimte innam. Ondanks al deze maatregelen, kwamen toch weer op den duur allerlei gebreken openbaar, die ertoe geleid hebben dat er een noodzaak was tot een andere materiaalkeuze en bovendien ook een andere benadering van het ontwerp.
Dat heeft het gebruik van titaan een enorme boost gegeven. De doorstroomsnelheid van zeewater is in een titaanleiding het hoogst in vergelijking met andere metalen. Dat is te danken aan de harde gladde titaanoxidehuid waar zeewater twee keer zo snel door een leiding stroomt dan in het geval van roestvast staal 316L. Ten opzichte van koperlegeringen, zoals cupronikkel en cunifer, is dit zelfs een factor 15. Er worden dusdanige hoge snelheden met titaan bereikt, dat zelfs kleine zeepokken worden gedood en dat is gunstig tegen het ontstaan van maritieme fouling. Deze interessante informatie is getoond en verstrekt tijdens het zevende corrosiecongres in Scandinavië. Daarom is het ook niet verwonderlijk dat titaan tegenwoordig zeer frequent wordt gekozen bij het fabriceren van zeewater gekoelde warmtewisselaars en pijpsystemen. Maar ook als condensormateriaal bij elektriciteitscentrales en allerlei apparatuur op schepen zoals beunkoelers en handling systemen. Tot nu toe is gebleken dat de toepassing van titaan een garantie is voor het afdoende oplossen van corrosieproblemen in specifieke milieus. Titaan dient in principe altijd overwogen te worden zowel in de onshore als in de offshore, zodra er chloridehoudende milieus, zwavelverbindingen of koolwaterstofverbindingen in de processtroom aanwezig zijn. Financiële voordelen door deze prestaties zijn in de praktijk reeds bewezen en de ontwerp- en verwerkingsparameters zijn afdoende vastgesteld. Titaan is inderdaad niet goedkoop in aanschaf maar het interessante soortelijk gewicht zorgt ervoor dat men slechts de helft in gewicht hoeft aan te schaffen in vergelijking met roestvast staal. Daar komt nog bij dat er geen corrosietoeslag nodig is waardoor er ook nog dunner geconstrueerd kan worden. Daardoor wordt de prijs per gewichtseenheid steeds interessanter.
Toepassingen
Titaan wordt al vele jaren met succes toegepast als materiaal voor de apparatenbouw. Hierbij kan gedacht worden aan warmtewisselaars, leidingsystemen voor de chemie en offshore alsmede in de procesindustrie zoals pompen, afsluiters e.d. Daarnaast vindt men dit materiaal terug in de vliegtuigbouw, medische implantaten, sportartikelen zoals tennisrackets en golfsticks, brilmonturen, sieraden, etc. Titaan is ook heel gewild in apparaten voor de chloorbereiding en in PTA-fabrieken. Tegenwoordig komt er dus steeds meer interesse om het ook toe te passen in de jachtbouw. De toepassingen komen feitelijk overeen met de reeds genoemde componenten die aan het begin van dit artikel staan. Feitelijk is titaan dan de ultieme vervanger van roestvast staal. Roestvast staal heeft nu eenmaal een beperkte corrosiebestendigheid en een goed voorbeeld zijn scharnieren die nu eenmaal extra gevoelig zijn voor een aantasting. In dat geval is titaan een extra aantrekkelijke keuze, want dan behoort alle zorg over corrosie tot de verleden tijd. Op afbeelding 3 is een zogenaamde ‘headboard car’ te zien van titanium grade 5. Deze unit wordt gebruikt in een zeilmast om het hijsen en strijken van het grootzeil te vergemakkelijken.
Ook wordt titaan tegenwoordig toegepast als componenten in onderzeeboten die door particulieren worden gebruikt. De interessante verhouding tussen gewicht en sterkte maakt dit metaal interessant voor dit marktsegment. Op afbeelding 4 ziet men een dergelijk vaartuig dat veelal meegenomen wordt in een ruimte die een megajacht biedt.
3D printen
Tegenwoordig groeit de interesse om gecompliceerde scharnieren en andere componenten 3D te printen waardoor veel materiaal uitgespaard kan worden. Een andere uitdrukking hiervoor is ‘Additive Manufacturing’. Tijdens het mechanisch bewerken van metalen ontkomt men er niet aan dat er metaalspanen ontstaan. Deze spanen voldoen op zich qua chemische analyse volledig aan de gestelde eisen en kunnen als zodanig omgesmolten worden tot nieuwe halffabricaten. Dat vraagt echter veel energie en overeenkomstig veel CO2 uitstoot c.q. milieubelasting. Bovendien ervaart men in toenemende mate de nadelige en ondermijnende effecten van de aanwezige snijolie en residuen op de uiteindelijke kwaliteit van het gerecupereerde product. Een goed voorbeeld hiervan zijn spanen en residuen van titaan. Geprinte 3D-producten worden gerealiseerd m.b.v. fijn titaanpoeder. Titaniumpoeder laat zich prima verwerken om m.b.v. deze ‘layer technology’ hoogwaardige producten te maken die nauwelijks afval genereren. In de bouwruimte van een 3D-printer heerst een inerte argonatmosfeer die het poeder beschermd tegen oxidatie. Zodra een product gereed is, gaat het ongebruikte titaanpoeder terug naar de cartridge om opnieuw benut te worden bij een volgende productiegang. M.a.w. men heeft op deze wijze minieme hoeveelheden metaalafval. Op afbeelding 5 is een geprinte warmtewisselaar te zien die open geslepen is. Met conventionele methoden is deze complexe geometrie niet te realiseren.
Microbieel geïnduceerde corrosie
Een toenemend probleem in de jachtwereld is microbieel geïnduceerde corrosie dat kortweg MIC wordt genoemd. Deze vorm van corrosie wordt meestal veroorzaakt door sulfaat-reducerende bacteriën die in alle types water kunnen voorkomen en dus ook in zeewater. Er hebben inmiddels ingrijpende gevolgen voorgedaan in superjachten en dan met name bij lensleidingen en warmtewisselaars. Vooral in tropische gebieden is de kans op MIC extra groot en daar varen veelal zulke exclusieve jachten. Zo is het voorgekomen dat jachten water maakte door lekkages van leidingen door de MIC-bacteriën. Roestvast staal is zeer gevoelig voor deze aantasting want door de zwavelreductie ontstaat er onder gevormde tuberkels (wratten) zwavelzuur en daar is dit materiaal niet tegen bestand. Ook koperlegeringen kunnen bezwijken maar niet zo snel als roestvast staal omdat koper een biocidale uitwerking heeft. Titaan staat bekend als een metaal dat totaal ongevoelig is voor MIC en daarom is een lensleiding van titaan een prima optie.
Het lassen van titaan
Titaan is uitstekend lasbaar zodat het mede daardoor steeds meer aan populariteit heeft gewonnen. Toch gebeurt het nog regelmatig dat men zich niet goed houdt aan de spelregels die voor het lassen van titaan zijn opgesteld. Een van de belangrijkste regels is dat de laszone tijdens het lassen zeer goed beschermd moet worden tegen zuurstof vanuit de atmosfeer omdat titaan zo enorm reactief is.Heet titaan is uiterst gevoelig om stikstof, waterstof en andere gassen in zich op te nemen. Daarom worden hoogwaardige toepassingen zelfs in een couveuse gelast waarin een volledig inert milieu heerst. Toch kan men ook met moderne lastoortsen gecombineerd met sleepsloffen tot een afdoende bescherming komen, zodat men een prima lasresultaat krijgt. Wat men vaak niet weet is dat de afkoelende las boven de 350°C ook gevoelig is voor gasopname waardoor deze lasverbinding bros, hard en minder corrosiebestendig wordt. Dit wordt veroorzaakt door het poreuze karakter van de oxidehuid boven de 350°C.
Titaan heeft een oxidehuid van titaanoxide die transparant is en door de veranderingen van de dikte zullen door de brekingsindex van het invallende licht allerlei kleuren ontstaan. De kleur geeft dan een indicatie over de kwaliteit van deze las. Indien de las een doffe grijze kleur heeft dan kan men met zekerheid stellen dat de laskwaliteit niet goed is, omdat dit uiterlijk aangeeft dat er in de laszone ongewenste gasopname heeft plaatsgevonden. In het algemeen kan men na het lassen van titaan het volgende stellen:
- Een helder zilverachtige kleur is het gevolg van een uitstekend lasresultaat;
- Een blauwe en een goudachtige kleur duidt op een acceptabele laskwaliteit;
- Een doffe grijze kleur is het bewijs dat men niet afdoende de afkoelende las heeft beschermd tegen ongewenste gassen. Dan is er maar een oplossing om dit weer in orde te krijgen. Dat is de las eruit slijpen en opnieuw leggen met de juiste bescherming.
Het bewerken van titaan
Met de juiste snijgereedschappen en parameters is het geen moeilijke opgave om titaan mechanisch te bewerken. Vooral het frezen en draaien op de gewenste geometrie zijn veel voorkomende bewerkingen. In vergelijking met het bewerken van andere metalen is het wel raadzaam om te beseffen dat er wel wezenlijke verschillen bestaan. Daarom zal er een ruime mate van snijolie gebruikt moeten worden. T.a.v. het verwerken spelen de afwijkende elasticiteitsmodules, hoge smelttemperatuur en een lagere ductiliteit een belangrijke rol. Titaan kan over het algemeen ook verwerkt worden met bewerkingsmachines die ook gebruikt worden voor roestvast staal.
Vormgeheugenmetaal
Vormgeheugenmetaal is een legering van titaan en nikkel (50/50) dat ook wel Nitinol of ‘shape memory metal’ wordt genoemd. Vormgeheugenmetaal is een metaal dat na een beperkte deformatie bij een relatief lichte temperatuurverhoging weer geheel terugkomt in zijn oude vorm onder afgifte van arbeid. Een en ander heeft te maken met een structuuromslag van austeniet naar martensiet in het metaal. Meestal geschiedt het deformeren van vormgeheugenmetaal bij kamertemperatuur en het verwarmen bij circa 60°C. Bij deze laatstgenoemde temperatuur heeft het materiaal een structuurverandering gekregen. Indien men een rechte draad bij kamertemperatuur vervormt, dan zal het zich weer geheel strekken tot zijn rechte oorspronkelijke vorm bij circa 60°C onder afgifte van arbeid. Deze arbeid kan men gebruiken om iets te activeren, bijvoorbeeld sprinklers of actuatoren (afbeelding 6). Wel zal de deformatie beperkt moeten blijven tot maximaal 8% en dat betekent dat men deze draad nooit mag knikken.
Slot
De verwachting is dat titaan een steeds grotere vlucht gaat nemen, omdat duurzaamheid ook voortdurend een steeds belangrijker thema is. De aanschafprijs van titaan is per gewichtseenheid weliswaar hoger dan bijvoorbeeld roestvast staal, maar het aantrekkelijke soortelijke gewicht compenseert dat ook weer ten dele. Daarnaast is er geen corrosietoeslag nodig en kan het een mensenleven mee. Dat betekent dat de absolute prijs uiteindelijk enorm mee zal vallen.
Heeft u nog vragen over het toepassen van bepaalde RVS kwaliteiten of andere legeringen?
Metaalselector is een computerprogramma dat in eigen beheer ontwikkeld is om een juiste keuze te maken op basis van corrosie- en materiaal eigenschappen.
Ga naar Metaalselector.nl voor meer informatie en om eigen toegang te krijgen tot dit programma, waarmee u een eigen gedegen materiaalkeuze kunt maken voor uw toepassingen.
Vind hier ook mijn blogs welke geschreven zijn voor AluRVS: https://www.alurvs.nl/roestvast-staal/Blog/
en AluRVS Staal: https://www.alurvs.nl/staal/blog/