آلیاژهای تیتانیوم

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو

آلیاژهای تیتانیوم، رده‌ای از آلیاژهای سبک هستند که عنصر اصلی سازنده آنها تیتانیوم است. این رده از آلیاژها علاوه بر استحکام کششی و چقرمگی بالا (حتی در دماهای زیاد)، از مقاومت به خوردگی و خزش بی نظیری نیز برخوردارند. اما هزینه بالای تولید و پردازش آنها مانع از اقبال عمومی در تمامی صنایع شده و تنها کاربرد آنها را به صنایع نظامی، هوافضا، برخی تجهیزات پزشکی و ایمپلنت‌ها و برخی تجهیزات الکترونیکی محدود ساخته است.فورج آلياژهاي آلومينيم تاثير دماي قالب : برخلاف مراحل فورج براي كربن و آلياژ فولادها، قالبهاي مورد استفاده در مراحل فورج آلومينيوم به منظور تسهيل در مراحل فورج، گرم مي‌شوند. بنابراين حرارت قالب مسئله بحراني ديگري در توانايي فورج است و مراحل فورج را بهينه مي‌كند. بهينه كردن مراحل بستگي به بيشترين حرارت قالب، دستگاههاي مورد استفاده ، آلياژي كه فورج مي‌شود، و مقاومت تغيير شكل يا طراحي قالب صحيح دارد. براي تغيير شكل آرام، مانند پرسهاي هيدروليك فورج، حرارت قالب به وسيله فلزاتي كه در موقع حرارت تغيير شكل داده مي‌شوند كنترل مي گردد، و در حقيقت فورج آلياژهاي آلومينيوم در پرسهاي هيدروليك فورج ايزوترمال مي‌باشد و قالب همان درجه حرارت فلز را پيدا مي كند. بنابراين حرارت قالب ايجاد شده در پرسهاي هيدروليك از تغيير شكل در پرسهاي مكانيكي و Hammer تجاوز مي‌كند. روشهاي فورج Forging Mehtods قطعات آلياژهاي آلومينيومي با تمام روشهايي كه در دسترس مي‌باشد مي توانند توليد گردند كه شامل ring rolling, mandrel forging, spin forging, orbital forging, roll forging, up settind , close, die, open, die و اكستروژن مي باشد. انتخاب بهترين روش فورج كه شامل يك طرح خوب و قيمت مناسب مي باشد يك اصل در قطعات فورج مي باشد. در خيلي از حالات دو يا چند روش به منظور به دست آوردن شكل قطعه مورد نظر لازم مي باشد. بعنوان مثال معمولاً در فورج open- die نيز استفاده مي‌شود. Open-die Forginigs: معمولاً براي فورج قطعات كوچك آلياژ آلومينيوم استفاده مي‌گردد، چون قالب open- die پرهزينه است و توجيه نمي‌گردد. همچنين در بعضي حالات لازم است كه براي آماده سازي قطعه براي قالب open- die از قالب open- die استفاده بشود. اگر چه فورج open- die به اين منظور نيست كه محدود به قطعات كوچك يا مقدار مشخصي از توليد گردد، بلكه در بعضي ازحالات استفاده از اين روش اثر اقتصادي دارد. براي مثال براي توليد بيش از 2000 قطعه بيسكويت از فورج open- die استفاده مي‌شود، چون با همان خواصي كه در close-die مي باشد توليد مي گردد و ارزش اقتصادي بهتري نياز دارد. فورج open- die شكلهاي متنوعي توليد مي كند و شمش گرد ساده را به مربع يا مربع مستطيل يا شكلهاي مركب ديگر تبديل مي كند. در گذشته تلرانسها قطعه فورج توليد شده بستگي به مهارت اپراتور پرس داشت، در صورتيكه با برنامه هاي كنترل كامپيوتري پرسهاي فورج open- die آلياژهاي آلومينيوم پيش فرمي براي فورج close-die مي باشد، اين كار بايستي خيلي دقيق انجام شود و اصلاح كردن اندازه ها و تلرانسها در فورج close- die ايجاد گردد تا هزينه كار كاهش بيابد. اطلاعات بيشتر از فورج open- die را رد همين فصل مشاهده مي‌كنيد. Close-die Forgings : بيشتر قطعات آلياژ آلومينيوم به روش Clsoe-die توليد مي‌گردند. 4 نوع قالب در فروج Close-die وجود دارد كه عبارتند از : blocker-type(‌فورج نهايي)، Conventional ( block و فورج نهايي يا فقط فورج نهايي ) –high- definition ( نزديك به شكل نهايي) و Precision Blocker- در اندازه هاي نهايي و تلرانسها دقت كمي دارد و براي تبديل به Conventional يا high-definition احتياج به ماشين كاري بيشتري دارد. قالب فورج blokcer-type هزينه كمتري نسبت به Converntional يا high-definition دارد. Conventional Close-die ، اين نوع قالب بيشتر در قالبهاي فورج آلومينيوم متداول است. اين نوع قالب يا با blocker-type و قالب نهايي مي باشد و يا خود قالب نهايي است كه بستگي به ملاك طراحي دارد اين نوع قالب با تلرانسهاي كمتر از blocker-type مي‌باشد، اما احتياج به هزينه بيشتري براي ساخت دارد. High-Definition Forgings: با بهبود بخشيدن به لوازم كنترلي دستگاههاي فورج كه بعداً توضيح داده خواهد شد، مي توان شكل قطعه فورج در قالب بسته را نزديك به شكل اصلي آن توليد كرد. بالا بردن تلرانسها اثر بيشتري در كاهش هزينه ماشينكاري دارد. فورج high-definition با مجموعه ايي از قالبها كه شامل قالب blocker و قالب نهايي هستند توليد مي شود و معمولاً با همان سطوح ماشين كاري نشده به خريدار تحويل داده مي شود. Precision Forgings: نماينده بهترين طرحهاي فورج آلومينيوم توليد شده مي‌باشد. در اين نوع عمليات فورج كردن و ماشينكاري به صورت سري تركيب مي‌شوند كه هزينه آن بيشتر از قالب‌هاي فورج آلومينيوم ديگر است اما قطعه ديگر احتياج به ماشينكاري ندارد و براي خريدار هزينه كمي بعد از توليد در بر دارد. شكل نهايي قطعه فورج در دو يا سه مرحله توليد مي‌گردد و تلرانسهاي محدودي نسبت به ساير روشها دارد. Upset Forgings: در دستگاه مخصوص فورج كه Upsetter ناميده مي شود انجام مي‌گردد و براي سطوحي استفاده مي گردد كه احتياج به تغيير مقطع دارند مانند : پيچها، والوها، پيستونها و بلبرينگها. فورج upset ممكن است در يك مرحله مانند پيستونها استفاده شود يا مي تواند با ضربات متعدد شكلهاي خاصي را مانند چرخدنده ها به وجود آورد. براساس تجربه به دست آمده در فورج آلياژ آلومينيوم، طول قطعه فورج نبايد از سه برابر قطر مقطع مربع يا دايره تجاوز كند. roll forging را مي‌توان براي تغيير شكل ناگهاني به منظور كاهش فلز ورودي و يا كاهش تعداد عمليات close-die انجام داد. در roll forging، فلز بين دو roll حركت كرده و شكل مي‌گيرد و اغلب براي قسمتهايي مانند اتصال محور استفاده مي شود كه حجم زيادي دارند و سطح مقطعهاي نسبتاً محدودي در قسمتهاي مختلف دارند. Orbital (Rotary) Forgings: به اشكال مختلف در Close-die بر روي پرسهاي مكانيكي يا هيدروليكي بسته مي شود و سبب چرخش يك يا دو قالب مي شود كه معمولاً قالبها نسبت به هم داراي زاويه مي باشند و تغيير شكل زيادي را در قطعه كار به وجود مي آورد. Orbital forging هم براي تغيير سطح به روش فورج گرم و هم سرد استفاده مي شود و شكل نهايي را با تلرانس پايين توليد مي كند. Spin Forgings :تقريباً يكي از جديدترين تكنيكهاي فورج آلياژ آلومينيوم است كه تركيبي از Close-die forging و كنترل عددي كامپيوتري (CNC) مي‌باشد. اپراتور با استفاده از فورج گرم يا سرد مي‌تواند سوراخي با تلرانس بسته توليد كند. چون فورج Spin با سنبه انجام مي شود، طرح قطر داخلي شكل واقعي را به وجود مي آورد، كه احتياج به ماشينكاري بعدي ندارد. طرح قطر خارجي مي‌ تواند به صورتي باشد كه شكل واقعي كه احتياج به ماشينكاري كمي داشته باشد را توليد كند. همچنين قابل ذكر است كه اين روش مشابه روش اكستروژن معكوس مي باشد كه مي‌تواند به فرمهاي يك طرف بسته، دو طرف بسته يا هر دو انتها باز توليد شود. Ring Rolling: براي توليد شكلهاي حلقه‌ايي آلياژ آلومينيوم استفاده مي شود. روش مورد استفاده در ring roll آلياژهاي آلومينيوم همان است كه براي فولاد نيز استفاده مي شود. مقاطع مربع مستطيل گردد در ring roll، بدون ماشينكاري بعدي در آلياژهاي آلومينيوم قابل توليد هستند. حرارت بكار رفته براي ring rolling آلياژهاي آلومينيوم مشابه مراحل ديگر فورج مي‌باشد، اگر چه در اين روش توجه مخصوصي به حرارت فلز نيز بايد شود، تغيير شكل به دست آمده در اين روش نتيجه قرار گرفتن دانه ها در جهت شيب دار يا دايره‌ايي شكل است. اگر قرار گرفتن دانه‌ها را در جهات ديگري مانند جهت محوري يا شعاعي بخواهيم، رينگ را به طريق ديگري بايد توليد كرد مانند فورج سنبه‌اي يا اكستروژن معكوس يا پيش رونده مسائل اقتصادي در ring rolling آلياژهاي آلومينيم بستگي به حجم، اندازه و طرح فورج دارد. براي بعضي قسمتهاي رينگ ممكن است اقتصادي تر اين باشد كه شكل به وسيله فورج سنبه‌اي (Mandrel Forging) يا اكسترود استوانه توخالي توليد شود. هر دو روش در زير توضيح داده شده است. Mandrel Forgings: براي توليد قطعات هم محور آلياژهاي آلومينيوم كه نسبتاً ساده هستند استفاده مي شود، مانند رينگ تو خالي يا شكلهاي استوانه‌اي شكل كه با Hammer يا پرس هيدروليكي فورج مي‌شوند، در مراحل فورج ضخامت ديواره در تغيير شكل كاهش مي‌يابد، و اين تغيير شكل قطر قطعه را افزايش مي‌دهد. Mandrel forging براي قطعاتي با حجم نسبتاً كم يا قطعات خيلي بزرگ شكلهاي رينگي (بيشتر از قطر m3/3 يا in130)‌اقتصادي هستند. با كنترل مراحل كاري mandrel forging و مواد ورودي مي‌توان دانه ها را در محيط دايره‌اي يا جهت محوري توليد كرد. Reverse or forward extrusion: از انواع مختلف فورج close-die براي آلومينيم مي باشد، كه مي‌تواند براي توليد شكلهاي تو خالي و هم محور در آلياژهاي آلومينيوم استفاده شود. اصطلاح اكستروژن معكوس يا پيش رونده بستگي به جهت حركت فلز نسبت به حركت سرپرس دارد. در اكستروژن پيش رونده، فلز در همان جهت سرپرس اكسترود مي‌شود. برعكس، در اكستروژن معكوس، جريان فلز عكس حركت سرپرس مي‌باشد. انتخاب اكستروژن پيش رونده يا برعكس آن معكوس بستگي به نوع و محدوديتهاي پرس دارد. بعضي از پرسها داراي تجهيزات مخصوص با مقطع بالايي باز هستند كه مطابق عمليات اكستروژن معكوس مي باشد. فورج آلياژهاي آلومينيوم تجهيزات فورج قطعات آلومينيومي با تجهيزات مخصوص به خود فورج مي‌شوند كه پتكها، پرسها و ماشينهاي مخصوص فورج مي‌باشد. انتخاب تجهيزات فورج بستگي به شكل و نوع قطعه فورج دارد. Hammers: Hammer با قدرت ضربه‌اي خوب هم در فورج آلياژ آلومينيوم open-die و هم close-die استفاده مي شود ونسبتاً هزينه كمتري نسبت به تجهيزات متشابه دارد، اگر چه قدرت مورد نياز براي فورج آلومينيوم معمولاً بيشتر از فولاد است. Hammer ها قطعه را با سرعت زيادي تغيير شكل مي‌دهند، بنابراين كنترل كورس پرس، نيرو و سرعت در فورج آلياژ آلومينيوم مفيد است، چون حساسيت آنها نسبت به نرخ كشش بستگي به مراحل تغيير شكل سريع دارد. اگر زاويه طرح به كار رفته در قالب در حدود 5 تا 7 درجه باشد مي‌توان از Hammer در close-die استفاده كرد. Hammer ها معمولاً براي عمليات مقدماتي در فورج استفاده مي‌شوند. Mechnaical and screw presses: پرسهاي مكانيكي و پيچي در همه جا براي فورج close- die آلياژ آلومينيوم استفاده مي شود. اين نوع پرس مناسبترين دستگاه براي فورج آلياژ آلومينيوم با سايزهاي متوسط، حجم زيادي مي‌باشد. پرسهاي مكانيكي و پيچي با تركيب عمل ضربه و فشار براي آلياژهاي آلومينيوم خاصيت جريان يافتن آنرا بهتر از Hammer مي‌كند. پرسهاي پيچي با پرسهاي مكانيكي در كنترل نرخ فشار اختلاف دارند كه مي‌تواند در تغيير شكل زياد آلياژهاي آلومينيوم استفاده شود. حالت پيشرفته تري كه در اين نوع پرسها مي توان استفاده كرد، سيستمهاي كنترل پرس مي باشد. پرسهاي هيدروليكي : متداولترين نوع پرس مي‌باشند كه آرامتر از پرسهاي مكانيكي يا پيچي عمل مي كند ولي براي توليد قطعات با close-die بزرگ و قطعات خيلي بزرگ استفاده از پرسهاي هيدورليكي مناسب تر مي باشد. تغيير شكل بدست آمده در پرسهاي هيدروليكي قابل كنترل تر از پرسهاي مكانيكي با پيچي مي باشد. بنابراين پرسهاي هيدروليكي انتخاب خوبي براي كنترل نرخ فشار براي كمترين مقاومت تغيير شكل آلياژ آلومينيوم يا شكل قطعه فورج ، كاهش فشار مورد نياز زاويه طرح دقيق و راحت بدست آوردن شكل مورد نياز مي‌باشد. از انواع پرسهاي هيدروليكي كه دستگاههايي با قدرت بالا مي‌باشد، پرس 50000 ton مي باشد كه سرعت و فشار آن قابل كنترل است و داراي قابليت برنامه ريزي مي باشد. اين توانايي ها كه شامل كاركرد كمترين زاويه طرح مورد استفاده در اين نوع پرسها براي آلياژ آلومينيم زاويه 3 درجه مي باشد، كه براي پرسهاي هيدروليك دقيق زاويه بين 0 تا 5/0 درجه و براي زاويه طرح داخلي بين 5/0 تا 1 درجه مي باشد. مواد، طراحي و تكنولوژي ساخت قالب: انتخاب جنس قالب، طرح قالب وتكنولوژي ساخت آن از عوامل مهم در مراحل فورج آلومينيوم در قالب close-die مي‌باشد، چون قالبها عوامل اصلي در هزينه تمام شده اين چنين فورجهايي مي‌باشد. طرح قالب و اندازه‌هاي فورج نهايي پارامترهايي مي باشند كه بر مراحل فورج اثر مي گذارند. بنابراين فورج قطعات آلياژهاي آلومينيوم احتياج به استفاده از قالبهاي مخصوصي براي آلومينيوم به دلايل زير دارد: 1- رفتار تغيير شكل آلياژهاي آلومينيوم يا ديگر فلزات تفاوت دارد، بنابراين در طرح قالب پيشكوب و نهايي بايستي تغيير شكل بهينة فلز در جريان فورج تحت نظر باشد و عيب و نقص كمي در قسمت نهايي بوجود آيد. 2- حد مجاز shrinkage در آلياژهاي آلومينيوم نسبت به دو نوع مشابه قطعه فولادي و ديگر فلزات بزرگتر است. 3- كنترل حرارت قالبهاي مورد استفاده براي فورج آلياژهاي آلومينيوم مهم و بحراني است، بنابراين روش گرم نگهداشتن قالب در موقع فورج بايستي مورد توجه قرار بگيرد. مواد قالب: جنس قالب مورد استفاده براي فورج آلياژهاي آلومينيوم همانهايي مي باشند كه براي فولاد نيز به كار برده مي شود. البته فرقي كه بين آنها است، سختي كم قالبها مي باشد كه به خاطر انعطاف پذيري استفاده مي شوند. با پيشرفت تكنولوژي ساخت فولاد، مي‌توان از فولادهايي با مشخصات vacum degassing , ladle metallurgy , argon oxygen decarburization كه به صورت استاندارد مي‌باشد استفاده گردد و با روشهاي فوق فولاد بصورت خوبي اصلاح مي شود و قطعه فورج آلياژ آلومينيوم بطور برجسته ايي اصلاح مي گردد. سايش قالب در فورج آلياژهاي آلومينيوم كمتر از فولاد يا ديگر فلزات مي باشد ولي اگر حجم زيادي از آلياژ آلومينيوم فورج شود باعث سايش قالب مي‌گردد، بهمين دليل بايستي سختي قالب را كاهش دهيم تا انعطاف قالب بهتر شود. سختي زياد را فقط در قالبهاي upsetting مي توان استفاده كرد تا درون قالب upset به خوبي سخت گردد. بعد از سايش قالب، بيشترين عاملي كه باعث شكست قالبهاي فورج آلومينيوم مي‌گردد، شكاف قالب يا ترك مي‌باشد كه اگر به آن بي توجهي شود مي‌تواند باعث اتفاق مصيب باري گردد. اين نوع تركها معمولاً به علت بالا رفتن تنشهاي پسماند در قالب اتفاق مي افتد. بهبود بخشيدن انعطاف فولادهاي قالب ، اصلاح عمق قالب، بهبود دادن طرح قالب و كم كردن سختي قالب ها باعث كاهش ترك دو قالب فورج آلياژهاي آلومينيوم مي شود. بيشتر قالبهاي فورج آلومينيوم توسط جوش دادن تعمير مي شود كه از فلز با گاز خنثي، تنگستن با گاز خنثي يا ديگر تكنيكهاي جوش استفاده مي شود. طراحي قالب: يك عامل اصلي در كنترل هزينه‌هاي قالب فورج آلومينيوم، موفقيت در فورج قطعات با دقت‌هاي مورد نياز و ارائه سيستم مهندسي در قالب است. قالبها درون كفشك قرار گرفته و فورج مي‌شوند كه باعث كاهش هزينه قالبها مي‌شود. سيستم كفشك قالبها ممكن است به صورت عمومي قابل استفاده باشد. طرح قالب فورج وابسته به مهارتهاي مهندسي و تجربه وسيع و آزمايش مي‌باشد. ساخت قالب: قالبهاي فورج آلياژهاي آلومينيم توسط يكي از روشهاي زير توليد مي شود كه شامل: براده برداري دستي، فرز كپي از روي مدل، EDM و براده برداري مستقيم CNC مي‌باشد. با در اختيار داشتن CAD، CAM بوسيله CNC مي‌شود مستقيماً قالب براده برداري و يا EDM لبه هاي قالب را براي فورج آلياژ آلومينيم حالت دهيم. قالبهاي نهايي مورد استفاده در فورج آلياژهاي آلومينيم بحراني تر از قالبهاي مورد استفاده براي فولاد است. مراحل فورج آلياژ آلومينيم: آماده كردن ميله‌هاي فورج: اره كردن و بريدن دو روشي هستند كه بيشترين كاربرد را براي آماده كردن قطعه براي فورج دارند. برش بوسيله سايش را نيز مي توان استفاده كرد، اما كندتر از روش اره كردن مي باشد. اره كردن يكي از روشهايي مي باشد كه بيشترين و قابل قبول ترين كاربرد را توليد قطعه دارد، اگر چه در توليد به اين روش لبه هاي تيز در قطعه بوجود مي‌آيد كه به وسيله زدن پخ بر سر قطعات قابل رفع مي باشد. البته در دستگاههاي اره جديد اين پخ زدن بر سر قطعات در اره كردن ايجاد مي شود. برش روش ديگري مي باشد كه براي آلومينيم كمتر از فولاد استفاده مي‌شود. چون آلومينيوم نرم مي باشد برش باعث مي شود تا انتهاي ميله بريده شده مسطح مقطع نامناسبي ايجاد گردد و مشكلاتي را در فورج پديد آورد. برش را فقط مي توان براي مقاطع با قطر بيش از 50 ميليمتر به كار برد.

پيشگرم براي فورج: يكي از عوامل مهم در گرم كردن آلياژهاي آلومينيم دماي بحراني آن مي‌باشد. آلياژهاي آلومينيم داراي اكسيدهايي مي باشد كه مثل پوششي بر روي سطح ميله چسبيده اند. تغيير شكل اين پوشش خيلي محدود است، بنابراين آلياژهاي آلومينيوم به اندازه فولاد تغيير شكل نمي‌دهند.

اگرچه تیتانیوم «خالص تجاری» دارای خواص مکانیکی قابل قبولی برای برخی کابردها از جمله ایمپلنت‌های دندانی است، اما برای بهبود خواص تیتانیوم، آن را با برخی عناصر دیگر همچون آلومینیوم و وانادیوم آلیاژ می‌کنند. آلیاژ سازی در آلیاژهای تیتانیوم از روشهای گوناگونی همچون تشکیل محلول جامد یا عملیات حرارتی می‌تواند باعث افزایش شدید خواصی همچون استحکام، سختی و چقرمگی در این فلزات شود.

ساختار بلوری و استحاله[ویرایش]

تیتانیوم در دما و فشار محیط دارای ساختار بلوری HCP با نسبت فشردگی(c/a) برابر با ۱٫۵۸۷ می‌باشد (فاز α). در دمای ۸۹۰ درجه سلسیوس، تیتانیوم در اثر یک استحاله آلوتروپی به فاز β با ساختاربلوری BCC تبدیل می‌شود که این ساختار تا دمای ذوب (۱۶۷۸ درجه سلسیوس) پایدار باقی می‌ماند.

بعضی از عناصر می‌توانند دمای تبدیل آلفا به بتا را افزایش یا کاهش دهند؛ عناصری که در فاز آلفا حل می شومد همچون آلومینیوم، گالیم، ژرمانیم، کربن، اکسیژن و نیتروژن باعث افزایش دمای انتقال می‌شوند و به عناصر پایدارکننده آلفا مشهورند. اما عناصری همچون مولیبدن، وانادیم، تانتال، آهن، کروم، کبالت، نیکل، مس و سیلیکون دمای انتقال را کاهش داده و پایدارکننده فاز بتا هستند.[۱]

طبقه‌بندی آلیاژی بر اساس ساختار بلوری[ویرایش]

آلیاژهای تیتانیوم را می‌توان بر اساس ساختار بلوری آنها به چهار دسته تقسیم‌بندی کرد:[۲]

  • آلیاژهای آلفا که دارای عناصر آلیاژی خنثی (همچون قلع) و/یا عناصر پایدار ساز فاز آلفا (همچون آلومینیوم یا اکسیژن) هستند. مثال‌ها عبارتند از: Ti-5AL-2SN-ELI و Ti-8AL-1MO-1V.
  • آلیاژهای نزدیک به آلفا که حاوی مقدار اندکی فاز بتای شکل پذیر هستند. این گروه علاوه بر عناصر پایدارساز فاز آلفا، با مقدار کمی (۱ تا ۲٪) از پایدار سازهای فاز بتا مانند مولیبدن، سیلیکون یا وانادیم آلیاژسازی می‌شوند. مثال‌ها عبارتند از: Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo ,Ti-5Al-5Sn-2Zr-2Mo IMI 685 و Ti 1100.
  • آلیاژهای آلفا/بتا، که از لحاظ ترمودینامیکی آلیاژهای شبه پایداری بوده و عموماً شامل ترکیبی از پایدارسازهای فاز آلفا و بتا هستند. این سری از آلیاژها قابلیت عملیات حرارتی دارند. مثال‌ها عبارتند از: Ti-6Al-4V-ELI ,Ti-6Al-4V و Ti-6Al-6V-2Sn.
  • آلیاژهای بتا نیز از لحاظ ترمودینامیکی شبه پایدار بوده و حاوی مقادیر کافی از عناصر پایدارساز فاز بتا هستند که به این آلیاژها امکان می‌دهد تا فاز بتا را هنگامی که کوئنچ می‌شوند، حفظ کنند. این آلیاژها همچنین قابلیت عملیات پیرسختی به منظور افزایش استحکام را دارند. مثال‌ها عبارتند از: Ti-10V-2Fe-3Al ,Ti-13V-11Cr-3Al ,Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al ,Beta C و Ti-15-3.[۳]

تیتانیوم بتا[ویرایش]

آلیاژهای تیتانیوم بتا ساختار bcc دارند. عناصر مورد استفاده در این آلیاژها عبارتند از مولیبدن، وانادیم، نئوبیوم، تانتالیوم، زیرکونیوم، منگنز، آهن، کرم، کبالت، نیکل و مس هستند که در مقادیر مختلف و به صورت تکی یا چندتایی به تیتانیوم اضافه می‌شوند.
این آلیاژ قابلیت شکل پذیری عالی دارد و به راحتی جوشکاری می‌شود.[۴] تیتانیوم بتا امروزه به صورت گسترده در ارتودنسی به کارگرفته می‌شود. این نوع آلیاژ در کاربردهای خاصی می‌تواند جایگزین فولاد زنگ نزن شود، همانظور که پیش از این در ارتودنسی از فولاد زنگ نزن استفاده می‌شد. مدول الاستیسیته و استحکام این گروه تقریباً دو برابر فولاد زنگ نزن ۸–۱۸ است و تغییر شکل الاستیک بزرگ‌تری در فنرها از خود نشان می‌دهد.

خواص و کاربردها[ویرایش]

درون‌کاشت استخوانی از جنس تیتانیوم با رده پزشکی، پوشش دهی شده به روش لایه نشانی اتمی

در کل، فاز بتا شکل پذیری بیشتری دارد و فاز آلفا گرچه استحکام بیشتری دارد، اما شکل پذیری آن نسبت به فاز بتا کمتر است. دلیل آن، بیشتر بودن صفحات لغزش در ساختار bcc فاز بتا در مقایسه با ساختار hcp فاز آلفا است. آلیاژهای آلفا/بتا نیز از خواصی مابین این دو فاز برخوردارند.

تیتانیوم دی اکسید در فلزات در دماهای بسیار بالا حل می‌شود و شکل دهی آن انرژی زیادی می‌طلبد. این دوعامل نشان می‌دهد که مقدار قابل توجهی از اکسیژن به صورت محلول در آن وجود دارد و از این رو می‌توان آن را به نوعی آلیاژ Ti-O در نظر گرفت. رسوبات اکسید استحکام نسبی را ارائه می‌دهند امّا در مقابلِ عملیات حرارتی به خوبی پاسخگو نیستند و می‌توانند چقرمگی آلیاژ را به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش دهند.
بسیاری از آلیاژها از تیتانیوم یه صورت جزئی بهره می‌گیرند. امّا از آنجایی که آلیاژها بر اساس آن که کدام عنصر بیشترین مقدار ماده را تشکیل می‌دهد، طبقه‌بندی می‌شوند، این‌ها معمولاً به عنوان آلیاژ تیتانیوم در نظر گرفته نمی‌شوند. تیتانیوم به تنهایی یک فلز سبک و مستحکم است. این فلز از فولادهای کم کربن معمول مستکحم تر است، در حالی که ۴۵٪ از آن سبک‌تر است. همچنین این فلز دوبرابر مستحکم ترآلیاژهای ضعیف آلومینیوم است، درحالی که تنها ۶۰٪ از آنها سنگین تر است. تیتانیوم از مقاومت به خوردگی بی نظیری در برابر آب دریا برخوردار است و به همین دلیل بخش‌هایی از شناور که در معرض آب دریا قرار می‌گیرند، همچون محور پروانه از آلیاژهای تیتانیوم ساخنه می‌شوند. تیتانیوم در راکت‌ها، موشک‌ها و هواپیماها کاربرد زیادی دارند، چراکه این آلیاژها نه تنها نسبت استحکام به وزن بالایی دارند بلکه از مقاومت زیادی در برابر دمای بالا نیز برخوردارند. علاوه براین، از آنجایی که تیتانیوم با بدن انسان واکنش نمی‌دهد، خود و آلیاژهایش در ساخت لگن مصنوعی، پین‌های مورد استفاده در ترمیم شکستگی استخوان‌ها و ایمپلنت‌ها استفاده می‌شود

رده‌های آلیاژهای تیتانیوم[ویرایش]

انجمن مواد و آزمون آمریکا (به اختصار ASTM) استانداردهایی را برای دسته‌بندی آلیاژهای تیتانیوم ارائه کرده است که از آن بین می‌توان به استاندارد میله‌ها و شمش‌های تیتانیومی با مشخصه ASTM B348[۵] و همچنین ASTM B265[۶] برای ورق‌ها و صفحات تیتانیومی اشاره کرد؛ شایان ذکر است که استانداردهای کمتر شناخته شده‌ای همانند ASTM B381 برای آلیاژهای مخصوص آهنگری یا استاندارد JIS H4600 (مربوط به سازمان استاندارد صنعتی ژاپن) نیز برای دسته‌بندی آلیاژهای تیتانیوم وجود دارد.

مشخصات و شرایط عملیات حرارتی بعضی از این آلیاژها بر اساس استاندادرهای ASTM B265/B348 مطابق زیر است (باید اشاره کرد که در کل ۳۹ رده مختلف آلیاژی در استاندارد ASTM B265/B348 وجود دارد):
آلیاژهای Ti در شرایط زیر عرضه می‌شوند: گریدهای ۵، ۲۳، ۲۴، ۲۵، ۲۹، ۳۵ و ۳۶ تحت عملیات آنیلینگ یا پیرسازی قرار می‌گیرند. گریدهای ۹، ۱۸، ۲۸ و ۳۸ کار سرد، تنش زدایی و آنیل می‌شوند. گریدهای ۱۹، ۲۰ و ۲۱ نیز تحت عملیات انحلالی یا عملیات انحلالی و پیرسازی توأماً قرار می‌گیرند.[۷]

  • گرید ۱ انعطاف پذیرترین و نرم‌ترین آلیاژ تیتانیوم است. این آلیاژ گزینهٔ خوبی برای شکل دهی سرد و محیط‌های خورنده است.
  • گرید ۲ تیتانیوم غیرآلیاژی، اکسیژن استاندارد.
  • گرید ۳ تیتانیوم غیر آلیاژی، اکسیژن متوسط.
    گریدهای ۱ تا ۴ غیرآلیاژی هستند و با نام خالص تجاری یا "CP" اطلاق می‌شوند. به طور کلی برای گریدهای خالص با افزایش شماره گرید، استحکام تسلیم و شکست افزایش می‌یابد. تفاوت در خواص فیزیکی آن‌ها اصولاً به مقادیر عناصر درون شبکه‌ای مربوط می‌شود. این گروه در جاهایی که مقاومت به خوردگی، هزینه، سهولت ساخت و قابلیت جوشکاری اهمّیّت دارند، به کار می‌روند.
  • گرید ۵ که همچنین تحت عنوان Ti6Al4V یا Ti 6-4 شناخته می‌شود، پراستفاده‌ترین آلیاژ تیتانیوم می‌باشد و دارای ترکیب شمیایی ۶٪ آلومینیم، ۴٪ وانادیم، ۰٫۲۵٪(حداکثر) آهن، ۰٫۲٪(حداکثر) اکسیژن و تیتانیوم به عنوان عنصر اصلی می‌باشد. این آلیاژ به طور قابل ملاحظه‌ای سخت‌تر از تیتانیوم خالص تجاری است در حالی که سفتی و خواص حرارتی یکسانی دارند (به جز هدایت حرارتی که در تیتانیوم گرید ۵، ۶۰٪ کمتر از تیتانیوم خالص تجاری است). از جمله مزایای بسیار آن، قابلیت عملیات حرارتی است. این گرید ترکیبی از استحکام، مقاومت به خوردگی و قابلیت جوشکاری را ارائه می‌دهد.
    این آلیاژ آلفا-بتا، اسب بارکش صنعت تیتانیوم است. آلیاژ مذکور تا اندازه مقطع ۱۵ میلی‌متر قابلیت عملیات حرارتی دارد و تقریباً تا دمای ۴۰۰ درجه سانتیگراد مورد استفاده است. این آلیاژ در ساخت بدنه هواپیماها، قطعات موتور، صنایع دریایی و به خصوص صنایع تولید نیرو استفاده می‌شود.
    «کاربردها به طور جزئی: پره‌های توربین، دیسک‌ها، بدنه هواپیماها، اتصالات، شناورها، توپی‌ها، رینگ‌ها و ایمپلنت‌ها.»
    عموماً Ti6Al4v در دماهای بالاتر از ۴۰۰ درجه سانتیگراد استفاده می‌شود. این آلیاژ چگالی در حدود ۴۴۲۰ کیلوگرم بر متر مکعب، مدول الاستیسیته ۱۲۰ گیگاپاسکال و استحکام کششی ۱۰۰۰ مگاپاسکال را داراست. در مقایسه، فولاد زنگ نزن نوع ۳۱۶ آنیل شده از چگالی ۸۰۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب، مدول الاستیسیته ۱۹۳ گیگاپاسکال و استحکام کششی ۵۷۰ مگاپاسکال برخوردار است یا برای آلومینیم ۶۰۶۱ تمپر شده، این پارامترها به ترتیب برابر با ۲۷۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب، ۶۹ گیگاپاسکال و ۳۱۰ مگاپاسکال است.
  • گرید ۶ حاوی ۵٪ آلومینیم و ۲٫۵٪ قلغ می‌باشد. همچنین به عنوان Ti5Al2.5Sn شناخته می‌شود. این آلیاژ به سبب قابلیت جوشکاری خوب و حفظ پایداری و استحکام در دمای بالا در ساخت بدنه هواپیماها و موتور جت استفاده می‌شود.
  • گرید ۷ حاوی ۰٫۱۲ تا ۰٫۲۵ درصد پالادیم است و مشابه گرید ۲ است. مقدار کم پالادیم مقاومت به خوردگی آلیاژ در دماهای بالا و پایین را افزایش می‌دهد.[۸]
  • گرید 7H مشابه گرید ۷ است با مقاومت به خوردگی بالاتر.[۸]
  • گرید ۹ حاوی ۳ درصد آلومینیم و ۲٫۵ درصد وانادیم است. این گرید هم قابلیت جوشکاری و ساخت آسان گریدهای خالص را دارد و هم استحکام بالای گرید ۵. این آلیاژ معمولاً در ادوات هیدرولیک هواپیماها و تجهیزات ورزشی استفاده می‌شود.
  • گرید ۱۱ حاوی ۰٫۱۲ تا ۰٫۲۵٪ پالادیوم است. این گرید مقاومت به خوردگی را افزایش داده است.[۹]
  • گرید ۱۲ حاوی ۰٫۳ درصد مولیبدن و ۰٫۸ درصد نیکل است.[۹]

عملیات حرارتی[ویرایش]

آلیاژهای تیتانیوم به دلایل متعددی عملیات حرارتی می‌شوند که اصلی‌ترین آن‌ها استحکام بخشی از طریق عملیات انحلالی (ایجاد محلول جامد) و پیرسازی و همین‌طور بهینه‌سازی خواصی مانند چقرمگی شکست، استحکام خستگی و مقاومت به خزش در دمای بالا می‌باشد.
آلیاژهای آلفا و نزدیک به آلفا نمی‌توانند با عملیات حرارتی به طور قابل توجهی تغییر یابند. تنش زدایی و آنیلینگ روش‌های عملیات حرارتی هستند که می‌توانند برای این دسته از آلیاژهای تیتانیوم به کار روند. سیکل‌های عملبات حرارتی آلیاژهای بتا کاملاً با آلیاژهای آلفا و نزدیک به آلفا متفاوت است. آلیاژهای بتا نه تنها می‌توانند تنش زدایی یا آنیل شوند بلکه قابلیت عملیات انحلالی و پیرسازی را دارند. آلیاژهای آلفا-بتا آلیاژهای دوفازی هستند. (هر دو فاز در دمای محیط وجود دارند) ترکیب فاز، اندازه و توزیع فازها در آلیاژهای آلفا-بتا می‌توانند توسط عملیات حرارتی تا اندازه معینی تغییر کنند و خواص تعدیل یابند.

روش‌های ساخت و تولید آلیاژهای تیتانیوم[ویرایش]

ماشین‌کاری[ویرایش]

ماشین‌کاری آلیاژهای تیتانیوم به دلیل استحکام در دمای بالای آن، هدایت حرارتی بسیار پایین، مدول الاستیسیته نسبتاً کم و واکنش‌پذیری شیمیایی بالا بسیار دشوار است. مشکلات اصلی در ماشین کاری این آلیاژها که ناشی از خواص ذاتی ماده است، عبارتند از:

  • دمای برش بالا: بخش بزرگی (حدود ۸۰ درصد) از حرارت تولید شده هنگام ماشینکاری آلیاژ Ti6Al4V (متداول‌ترین آلیاژ تیتانیوم) به ابزار انتقال می‌یابد. هدایت حرارتی کم آلیاژهای تیتانیوم (۱/۶ فولاد) سبب آن می‌شود که حرارت نتواند توسط جریان سریع براده و قطعه کار دفع نشود.[۱۰] بررسی توزیع درجه حرارت در ماشین کاری آلیاژهای تیتانیوم نشان داده است که منطقه متأثر از حرارت در این آلیاژ به خاطر تشکیل براده‌های نازک‌تر (و در نتیجه سطح تماس کمتر ابزار و براده) بسیار کوچکتر است، طوری که دمای نوک ابزار به ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد می‌رسد.[۱۱]
  • فشارهای برش بالا: اگرچه نیروهای برشی و توان مصرفی در حین ماشینکاری آلیاژهای تیتانیوم با فولادها یکسان یا حتی کمتر است، به دلیل سطح تماس کمتر براده و ابزار (۱/۳ فولاد) و تا حدودی مقاومت آلیاژ تیتانیوم در برابر تغییر شکل (تا ۸۰۰ درجه سانتیگراد)[۱۲] تنش‌های مکانیکی در مجاورت لبه ابزار بسیار بالاتر است.
  • چتر: پدیده چتر به عنوان یکی دیگر از مشکلات اصلی ماشینکاری آلیاژهای تیتانیوم به خصوص در حالت پرداخت مطرح است. مدول الاستیسیته پایین آلیاژهای تیتانیوم علت اصلی چتر در حین ماشینکاری می‌باشد. هنگامی که آلیاژ در معرض فشار برش قرار می‌گیرد تا دو برابر فولاد کربنی تغییر شکل می‌یابد و یک حالت برگشت فنری قوی پشت لبه برشی به وجود می‌آید که به سایش زودرس ابزار، ارتعاش و دمای برش بالاتر می‌انجامد.[۱۳] این ارتعاش ایجاد شده به صورت حرکت منقطع یا پرشی ابزار در ورود به منطقه برش ظاهر می‌شود که به نوعی تعریف پدیده چتر است.[۱۴]
  • جنس ماده ابزار: تیتانیوم و آلیاژهایش تقریباً با مواد تشکیل دهنده تمام ابزارهای متداول در دمای بالای ۵۰۰ درجه سانتیگراد واکنش شیمیایی می‌دهد. علاوه براین، تمایل براده‌ها به جوش خوردگی در اثر فشار به ابزار و ایجاد سایش اصطلاحاً چسبنده (که در اثر نفوذ ماده براده به سطح ابزار حاصل می‌شود)، ضرورت انتخاب ابزار مناسب برای ماشینکاری آلیاژهای تیتانیوم را دوچندان کرده است.

معیارهای انتخاب ابزار[ویرایش]

ماده ابزار در ماشینکاری آلیاژهای تیتانیوم باید ویژگی‌های زیر را داشته باشد:

  1. سختی در دمای بالا
  2. هدایت حرارتی بالا
  3. عدم واکنش ذیری شیمیایی با تیتانیوم
  4. چقرمگی و استحکام خستگی بالا
  5. استحکام کششی، فشاری و برشی بالا

ابزارهای تنگستن کارباید و PCD به عنوان بهترین گزینه‌ها مطرح هستند.[۱۵]

Makino Titanium-Cutting

یکپارچگی سطح[ویرایش]

سطح آلیاژهای تیتانیوم به شدت در روش‌های ماشینکاری سنتی آسیب‌پذیر است. آسیب‌ها به شکل میکروترک، لبه انباشته (BUE)، تغییر شکل پلاستیک، مناطق متأثر از حرارت (HAZ) و تنش‌های پسماند کششی ظاهر می‌شوند. حد دوام تیتانیوم برای فرایند سنگ زنی نرم ۳۷۲ مگاپاسکال است، در حالی که در یک فرایند تراشکاری یا فرزکاری به کمتر از یک چهارم یعنی ۸۳ مگاپاسکال می‌رسد. برتری فرایند سنگ زنی در این زمینه احتمالاً به دلیل ایجاد تنش‌های پسماند فشاری (بهبود استحکام خستگی) می‌باشد. در فرآیندهای سنگ‌زنی نرم تغییرات محسوسی در سطح ایجاد نمی‌شود.[۱۶]

آهنگری[ویرایش]

چاپ سه‌بعدی[ویرایش]

روش‌های غیرسنتی ماشین‌کاری آلیاژهای تیتانیوم[ویرایش]

  • ECM یا ماشینکاری الکتروشیمیایی: براده برداری مواد رسانای الکتریکی از طریق انحلال آندی در یک الکترولیت با جریان سریع تعریف کوتاهی از این فرایند است. ECM قابلیت ایجاد کانتورهای پیچیده و بدون اعوجاج و همین‌طور سطوح با کیفیت را داراست. سدیم کلرید به عنوان الکترولیت متداول برای آلیاژهای تیتانیوم استفاده می‌شود.
  • LBT یا ماشینکاری به کمک پرتو لیزر : در این فرایند با تمرکز پرتو لیزر و جریان گاز روی قطعه کار، براده برداری صورت می‌گیرد. انرژی لیزر سبب ذوب موضعی شده و جریان گاز اکسیژن با ایجاد یک واکنش گرمازا، ماده ذوب شده را از قطعه کار جدا می‌کند. آلیاژهای تیتانیوم در این روش با نرخ بالایی براده‌برداری می‌شوند. لیزر مورد استفاده از نوع CO2 است.
  • CHM یا فرزکاری شیمیایی: انحلال کنترل شده ماده قطعه کار در اثر تماس با یک ماده شیمیایی قوی را CHM گویند. در این روش جاهایی از قطعه کار که قرار نیست ماشینکاری شوند، با یک ماسک مقاوم شیمیایی حفاظت می‌شوند.[۱۷]
  • مایعات برشی : مایعات برشی پایه آبی (مثلاً محلول رقیق آب و روغن) بهترین گزینه برای سرعت‌های برشی بالا است؛ به علاوه در سرعت‌های کم و عملیات پیچیده به منظور به حداقل رسندن اصطکاک و کاهش تمایل به چسبندگی تیتانیوم از روغن‌های سولفوریزه و کلریناته استفاده می‌شود. نکته دیگر آنکه در استفاده از روغن‌های کلریناته باید به این نکته توجه شود که امکان ایجاد ترک در اثر تنش‌های ناشی از خوردگی وجود دارد.[۱۸]

منابع و پیوند به بیرون[ویرایش]

  1. Vydehi Arun Joshi. Titanium Alloys: An Atlas of Structures and Fracture Features. CRC Press, 2006.
  2. Characteristics of Alpha, Alpha Beta and Beta Titanium Alloys
  3. Titanium – A Technical Guide
  4. An Evaluation of Beta Titanium Alloys for Use in Orthodontic Appliances
  5. «ASTM B348 - 13 Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy Bars and Billets». بازبینی‌شده در 2017-02-09. 
  6. «ASTM B265 - 15 Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy Strip, Sheet, and Plate». بازبینی‌شده در 2017-02-09. 
  7. ASTM B861 – 10 Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy Seamless Pipe (Grades 1 to 38)
  8. ۸٫۰ ۸٫۱ "Archived copy". Archived from the original on 2012-04-26. Retrieved 2011-12-19. 
  9. ۹٫۰ ۹٫۱ Titanium Grade Overview
  10. .W. Konig, Proc. 47th Meeting of AGARD Structural and Materials Panel, Florence, Sept. 1978, AGARD, CP256, London, 1979, pp. 1.1-1.10
  11. .P.A. Dearnley, A.N. Grearson, Mater. Sci. Technol. 2 (1986) 47-58
  12. .D.C. Kirk, Tools and dies for industry, Proc. Conf. 7677. Met. Soc. , London, ~ 976- 7, pp. 77- 98
  13. .B.B. Johnson, Tips on Milling Titanium--and Tools to Do the Job
  14. .B.F. yon Turkovich, D.R. Durham, Advanced Processing Methods for Titanium 18 (1982) 257-274
  15. .P.D. Hartung, B.M. Kramer, Ann. CIRP 31 (11 (1982) 75-80
  16. http://www.supraalloys.com/technical-surface.php
  17. http://www.supraalloys.com/technical-nontrad.php
  18. H.E. Chandler, Metals Handbook, 1978, pp. 845-852.