Titanium, having atomic number 22, is classified as a transition metal. In its natural state it already possesses some characteristics making it an interesting material for certain aerospace applications.

These are:

Strength
It possesses roughly the same strength as steel; however it is much lighter. In other words: it has a very favorable strength-to-weight ratio, which is an important parameter in aerospace.

Favorable fatigue properties
Equally important is its high resistance to fatigue. Many aerospace structures are fatigue-critical due to cyclic loading, requiring fatigue-resistant materials.

Corrosion resistance
Outstanding corrosion resistance properties lead to applications in harsh environments; for example it is used in propellor shafts. Also, this is part of the justification for use of titanium within landing gear of newer wide body aircraft.

Resistance to extreme temperatures
The material is resistant to both very high and cryogenic temperatures, temperature fluctuations, and extreme environments in general. Furthermore, it has a low coefficient of thermal expansion, which makes it compatible with other materials like carbon fiber composites.

Machinability
The material can be machined, but this poses challenges (when compared to aluminium it is much harder to machine). For example, the poor heat dissipation causes concentration of heat on the cutting edge and the tool face.

Creep resistance
Creep resistance (the ability to withstand deformation under sustained load and / or elevated temperatures) is another favorable characteristic.

Toughness
The material is very tough, meaning to say it can absorb large amounts of energy per unit volume before rupturing. It can also retard crack growth relative to other aerospace materials, such as aluminium.

Above-mentioned properties are greatly alloy-dependent and can be further enhanced and fine-tuned by processes like heat treatments.

British companies will soon be able to offer some of the largest aerospace components made from cast titanium following the completion of a new furnace in South Yorkshire.

The new plant, which will be capable of producing some of the biggest titanium aerospace castings in the world, is nearing completion at AMRC Castings’ facilities on the outskirts of Sheffield.

Two large-scale power supply units are said to have been installed to deliver the energy required by AMRC’s new Retech Consumable Electrode Casting Furnace.

The furnace will be capable of melting the 1000kg of titanium required to make a 500kg casting and has three interchangeable bodies, which will allow it to produce components with a finished weight ranging upwards from 60kg.

Closed loop cooling systems that prevent the furnace bodies themselves from melting are being installed, plus hydraulic and pneumatic systems that carry out a number of functions, including removing air from the furnace and casting chambers.

The systems are also used to rotate the furnace body to pour molten titanium into a ceramic mould in the casting chamber below, which incorporates a turntable that can spin the mould at up to 300 revolutions a minute to create a centrifugal casting.

A new plant is being installed to make ceramic mould shells up to 2m in diameter and 2.5m long which could weigh more than 2.5 tonnes and will be large enough to produce the largest variants of aero engine intercases up to 500kg, and other structural aerospace components.

Furnace construction is due to finish in time for training and cold commissioning to start during November and will be followed by hot commissioning and the first test melts in December.

AMRC Castings, part of the University of Sheffield Advanced Manufacturing Research Centre (AMRC), has expertise in manufacturing smaller titanium castings and its technology has been used to produce titanium castings with a poured weight in excess of 300kg.

Initial casts will be poured into a static metal mould before trials begin using static ceramic moulds from the new shelling plant. Staff will then start building up the experience needed to operate the centrifugal casting system at full speed.

AMRC Castings’ new furnace is part of a major investment and R&D programme, designed to enable UK companies to break into global markets for large-scale titanium aerospace engine and structural components.

The programme is backed by the UK’s Aerospace Technology Initiative (ATI); Innovate UK; and High Value Manufacturing Catapult funding.

Formerly, only the United States is believed to have had the capability to cast near net shape aerospace components weighing up to 500kg.

“We plan to create a world class titanium casting capability in the UK developing the skills base necessary to enable companies to reap the rewards of carrying out a process that is very, very challenging,” says AMRC Castings’ Richard Gould.

Titanium is één van de metalen die, als het heet genoeg word, kan ontbranden en moeilijk is te blussen.

In Juli 2013 ontstond brand in een titanium buis bij een bedrijf in Vlaardingen. Tijdens laswerkzaamheden aan de buis, een warmtewisselaar (ca. 2 meter diameter en 6 meter lang , 30 ton) gevuld met titanium buizen, liep de temperatuur zo hoog op dat het metaal vlam vatte.

In eerste instantie werd geprobeerd de brand te doven met droog zand. Maar dat had niet het gewenste effect. De temperatuur liep vervolgens nog verder op, zodat het titanium smolt en vloeibaar werd.

Daarom werd vanuit de regio Nijmegen een wagen met het blusmiddel BerkiCold -in combinatie met MicroCAFS systeem- gehaald . Dit blusmiddel is speciaal voor de klasse D metaalbranden, dus klasse A, B, D en F. Het zand werd zo goed mogelijk weer van de brandende buis verwijderd, waarna deze weer bedekt werd met een dikke laag BerkiCold-schuim. Door de enorme warmteopname van het schuim lukte het uiteindelijk wel om de brand te doven.

Titanium lassen / titaan lassen is een heel specialistisch onderdeel in de metaal bewerking.
Titanium heeft de vervelende eigenschap elementen als zuurstof, stikstof en waterstof in zich op te nemen bij een temperatuur boven de 250 graden.
Een goede titanium las is zilver of strogeel van kleur, hoe meer verkleuring hoe meer opgenomen elementen en hoe brosser het titanium, verkeerd gelast en dus verontreinigd titanium is in tegenstelling tot bijvoorbeeld rvs niet meer te herstellen.
Meer info hierover kunt u vinden in dit topic.

De enige manier om een goede titanium las te krijgen is d.m.v. een las couveuse gespoeld met een volledig inert gas.
In principe is de omschrijving van een las couveuse een volledig luchtdichte laskamer waarin een inerte atmosfeer heerst.
De primaire reden voor het lassen in een couveuse is het willen verdrijven van elementen die voorkomen in de omgeving lucht, waaronder zuurstof.

In theorie is deze primaire reden te verkrijgen door het gebruik van een flexibele couveuse, bekende merken zijn bijvoorbeeld Huntingdon fusion en Ck Worldwide.
Dit klinkt heel mooi, voor ongeveer 3000 euro een kant en klare couveuse waarmee je een start kan maken met het titanium lassen.
Helaas werkt het in de praktijk net even anders en blijft het inderdaad bij het maken van een (dure) start.

Wat belangrijk is om te realiseren is dat de las couveuse ooit bedacht is door iemand in de luchtvaart die voor het lassen van een bepaald product een volledig inerte omgeving wilde.
Er is toen gekeken naar bestaande oplossingen en al snel kwam men uit op de zogenaamde glove boxen uit de chemie.
Vandaag de dag zijn alle las couveuses nog steeds een afgeleide van deze glove boxen waarbij de belangrijkste factor het binnenhouden van schadelijke gassen en dampen is, in het geval van een lascouveuse is de bedoeling echter andersom, het buiten houden van 'gevaarlijke' (voor het titaan) gassen en dampen.
Dit feit is erg belangrijk en naast het voorkomen van wervelingen de belangrijkste reden van veel fouten in het ontwikkelen van een couveuse.

Ook de flexibele couveuse is afgeleid van een gasdichte couveuse uit de chemie.



In geen enkel geval is gebleken dat een flexibele couveuse direct in te zetten is op ons werk.
In eerste instantie is de zuurstof niet te meten, er is namelijk geen aansluiting op het hoogste punt voor een meet instrument, deze moet dus zelf aangebracht worden (lees plastic lassen).
Naast het niet kunnen aansluiten van een zuurstof meter is ook het aansluiten van een drukmeter, een temperatuur meter en een flow en werveling meter geen optie terwijl deze in onze vaste couveuses allemaal aanwezig zijn.

Na het aanpassen voor het gebruik van een zuurstof meter hebben we geen enkele standaard flexibele couveuse onder de 150 ppm kunnen krijgen, zelfs niet na 10 uur spoelen in compleet stilstaande positie.
Nadeel is dat de couveuse met vacuüm trekken verkreukeld en dus krijg je overlappingen waar lucht in blijft zitten, deze kreukels blijven altijd gedeeltelijk aanwezig waardoor het oppervlak dus niet constant is en lucht niet gemakkelijk naar boven kan bewegen.

Met diverse aanpassingen en aftapen van naden hebben we een couveuse in stilstaande positie uiteindelijk onder de 75 PPM gekregen, de norm welke "standaard" in Amerika word aangehouden voor een goede las op titanium grade 2.
Zelf hanteren wij minimaal 50 PPM maar deze waarde was helaas niet te halen, mede door het niet goed kunnen afstellen van  de vulsnelheid tegenover de uitlaatklep.

Echter op het moment dat we willen lassen, en dus de handschoenen aandoen en de couveuse bewegen treed er werveling op van overgebleven luchtpockets en schiet de waarde weer ver naar boven, met een simpele beweging gaan we alweer snel >1000 PPM.
Het verdrijven van die pockets neemt heel veel tijd in beslag en is, mede door het noodzakelijke gebruik van een inlegplaat (de bodem is immers ook van plastic) nooit volledig tegen te gaan.

Dit feit maakt eigenlijk dat deze couveuses onbruikbaar zijn voor industriële toepassingen en professionele lasbedrijven.
Natuurlijk is bijvoorbeeld een deel van een fietsframe of een oogje op een uitlaat redelijk te lassen in zo'n couveuse, maar de doelgroep die genoegen neemt met hetgeen je hiermee kan zal waarschijnlijk geen 3000 euro willen neertellen hiervoor.

Een andere belangrijke reden waarom wij deze couveuses niet kunnen gebruiken is het feit dat deze van plastic is en lassen heet is.
Als er tijdens het lassen bijvoorbeeld met de hete gascup tegen de wand word gestoten en er een gat inbrand zal de inerte atmosfeer direct verbroken worden en naar waardes schieten die zeer gevaarlijk zijn voor heet titanium.
De kans dat een werkstuk boven de 250 graden is als dit gebeurt is zeer groot en een duur gekwalificeerd werkstuk zal hierdoor onbruikbaar worden.
Je kan je dit als bedrijf bijna niet veroorloven en een klant die hiervan op de hoogte is zal je deze klus waarschijnlijk niet uitbesteden.
Mocht dit gebeuren met een werkstuk dat minder kritisch of duur is dan kan je de couveuse wand een keertje plakken met bijgeleverd plak setje, maar dit word natuurlijk al snel een zooitje.

De laatste reden waarom deze couveuses minder mooi zijn dan ze lijken is het feit dat je geen mogelijkheid hebt om de Argon op te warmen, iets wat een bedrijf met veel ervaring in couveuse lassen doet om de waardes stabieler te houden en de allerbeste kwaliteit te behalen, waardes van zelf tot 1 PPM kunnen hiermee behaald worden.

Toch zijn de flexibele couveuses wel handig voor titanium laswerk op locatie als er echt geen andere oplossing is, ze kunnen dan aangepast worden voor een specifieke klus, hiervoor zijn ze dan wel weer vaak te prijzig, zelf hebben we dit pas in één situatie gedaan.

In het board titanium lassen vind u een topic over 3D geprinte (additive manufacturing) titanium manifolds (klik).