سبائك التيتانيوم

سبائك التيتانيوم هي سبيكة تحتوي على خليط من تيتانيوم وعنصر كيميائي آخر. هذه السبائك لها قوة شد وصلابة عالية جدًا (حتى في درجات الحرارة القصوى). فهي خفيفة الوزن ولديها مقاومة التاكل غير عادية والقدرة على تحمل درجات الحرارة القصوى. ومع ذلك فإن التكلفة العالية لكل من المواد الخام والمعالجة تقصر استخدامها على التطبيقات العسكرية، الطائرات، المركبات الفضائية، الدراجة، والأجهزة الطبية والمجوهرات والمكونات شديدة الإجهاد مثل مثل قضيب التوصيل على السيارات الرياضية باهظة الثمن وبعض المنتجات المتميزة المعدات الرياضية والإلكترونيات الاستهلاكية.
على الرغم من أن التيتانيوم النقي تجاريًا له خصائص ميكانيكية مقبولة وقد استخدم في جراحة العظام وغرس الأسنان. في معظم التطبيقات يخلط التيتانيوم بكميات صغيرة من الألومنيوم والفاناديوم عادةً 6٪ و 4٪ على التوالي من حيث الوزن. يحتوي هذا الخليط على قابلية الذوبان في المواد الصلبة والتي تختلف بشكل كبير مع درجة الحرارة، مما يسمح لها بالخضوع تقوية الترسيب. تتم هذه العملية المعالجة الحرارية بعد أن يتم تحويل السبيكة إلى شكلها النهائي ولكن قبل استخدامها مما يسمح بتصنيع أسهل بكثير لمنتج عالي القوة.
نبذة تاريخية عن التيتانيوم
من أهم المعادن المستخدمة في مجال صناعة الطائرات والمركبات الفضائية ووفي العديد من الصناعات الدقيقة والمتطورة والاسلحة . تم اكتشاف التيتانيوم عام 1791 م وتمت تسميته عام 1795م وتم تحضير التيتانيوم سنة 1887م , ولم يحصل عليه على صورة معدن نقي 99.9% لغاية سنة 1910 م ووجوده كان مقتصر في المختبرات لغاية سنة 1946 وبعدها أصبح بالإمكان استخلاص التيتانيوم تجارياً عن طريق استخدام المغنيسيوم لاختزال رباعي كلوريد التيتانيوم.
مصادر التيتانيوم
تعد الشهب مصدر من مصادر التيتانيوم حيث تحتوي صخور الشهب المتجمدة على أكسيد التيتانيوم، ويوجد التيتانيوم في قشرة الأرض موجود على شكل أكسيد مرتبط مع عناصر ومركبات كثيرة ويحتل التيتانيوم المركز الثامن من بين المعادن في توافره في القشرة الأرضية وعادة يوجد في الصخور البركانية وبعض الصخور الروسبية. وفي الكثير من خامات الحديد. هناك الكثير من الصعوبات التي تواجه العاملين في استخلاص التيتانيوم اهما التكلفة الاقتصادية.
التيتانيوم وسبائك التيتانيوم
في العقود الأخيرة أصبح التيتانيوم من المعادن الأساسية التي يعتمد عليها في الكثير من التطبيقات والصناعات بسبب خواصه الميكانيكية والكيميائية والفيزيائية الممتازة، فقد ازدادت سرعة استخدام التيتانيوم وسبائك التيتانيوم في الستين سنة الأخيرة في مجالات الفضاء حيث تعتبر من التطبيقات الحرجة حيث تدعي الحاجة لمادة تجمع بين خفة الوزن والصلادة العالية وهذا ما يتوافر في التيتانيوم بشكل جيد
ومن خصائص التيتانيوم التي جعلته رائدا في العديد من المجالات الصناعية والتطبيقات الهامة:
1 – الكثافة المنخفضة نسبيا حيث يتوسط الموقع بالنسبة للكثافة بين الالومنيوم والحديد مما يعطيه صلادة عالية بالنسبة للوزن بما يتيح استخدامه في إنشاء منشآت قوية ذات وزن خفيف نسبيا
2 – مقاومة عالية للتآكل بشتى صوره
3 – السعة الحرارية العالية وقدرته على تحمل الحرارة العالية تتراوح مابين (300 – 600 ) درجة سليزية
4 – يتميز بصلابة عالية مما يجعله مناسبا لتصنيع صناديق نقل الحركة – التروس – والتوربينات الغازية والمحركات النفاثة كما يستخدم في الطب في مجال الاستعاضة الصناعية للاعضاء
لكن من أبرز عيوبه والتي تجعله غير متداول بشكل تجاري واسع هو ارتفاع ثمنه بشكل أكبر من باقي المواد حيث يحتاج لتكلفة عالية في استخراجه وتشغيله وتصنيعه . فقد يبلغ ثمن الباوند الواحد منه 100 دولار
سبائك التيتانيوم التقليدية
1 – التركيب المجهري والخواص :
التركيب الفيزيائي – ميتالورجيا – التيتانيوم معقد ومشوق في نفس الوقت، فالمعدن يكون مستقرا في درجات الحرارة العادية
ففي درجة الحرارة 282 سيليزية والمعروفة علميا باسم (B – transus ) يخضع التيتانيو الطبيعي لمرحلة تحول من الحرارة العادية – الثبات من طور المسدس المغلق المكتظ (HCP) إلى طور المكعب الممركز (BCC ) والذي تكون درجة حرارة انصهاره ثابتة عند 1678 سيليزية
ومن الخواص الأساسية للتركيب البلوري هو قابلية التشكيل اللدن والانتشار، حيث يعتمد معدل الانتشار على التركيب المجهري للشبكة، ويستجيب التيتانيوم وسبائك التيتانيوم إلى العديد من العناصر الخلالية مثل الأكسجين والهيدروجين والنيتروجين لذا أي رد فعل يمكن أن يحدث دون درجة الغليان
ينقسم نوع الطور في التيتانيوم وسبائكه إلى مورفولوجيا شكل وحجم الحبيبات وتوزيع التركيب المجهر (مستعمرة الفا + بيتا ) مثلا التي تقرر الخواص ومنه التطبيق الذي يستخدم فيه، فسبائك التيتانيوم الغنية يمكن أن تصنف في الفئات التالية:
-ألفا وجانب ألفا وبيتا + ألفا وجانب بيتا ومتبدل الاستقرار بيتا وبيتا المستقر معتمدة كلها على التركيب ونسبة أطوار ألفا وبيتا والمكان في ثنائية (متشاكلة بيتا) في الرسم البياني للطور، الفئات الفرعية جانب ألفا وجانب بيتا تشير إلى السباءك التي تضعها تركيباتها بجانب ألفا \ (ألفا + بيتا ) أو بيتا \ (ألفا + بيتا) في حدود الطور على التوالي.
-ألفا وجانب ألفا من السبائك التي لها تركيب من نوع ألفا بشكل أساسي وتعتمد على حالات التحويل والمعاملة والتي يمكن أن يكون لها تراكيب مجهرية مختلفة تتراوح بين متساوي المحاور والإبري، وهذه الأنواع من السبائك ممتازة بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب حرارة عالية، وسبائك التيتانيوم من نوع بيتا تحتوي توازن بين بيتا المستقر والفا المستقر والتي تضمن ان التركيب المجهري يمكنه الاحتفاظ بالتبريد السريع وفي هذه الحالة ( شبه المستقر بيتا يمكن أن يكون غير مستقر من جانب الديناميكا الحرارية
ومن صفات معدن التيتانيوم النقي أنه فلزي لامع أبيض له مقاومة عالية للأكسدة ويكون مرن عند خلوه من الأكسجين ومقاوم للمحاليل المخففة من وغاز الكلورين . العدد الذزي 22 والرمز Ti الوزن الذري 47.9 ودرجة الانصهار 1668 سليزية والغليان 3287 مئوية ويعد اقوى واخف من الفولاذ
أشهر سبائك التيتانيوم سبيكة Ti-6Al-4V؛ وهي الأكثر استخداما حيث تتمتع بصلابة عالية وتستخدم بشكل واسع في صناعات الفضاء والطب في مجال الاستعاضة الصناعية كما تستخدم أيضا في مجال صناعة السيارات والصناعات الكيماوية والبحرية، التحكم والتحسيبن في مورفولوجيا طور الفا هو أحد الأشياء التي تؤخذ في الاعتبار عند استخدام السبيكة، والمعالجة الحرارية طريقة مفيدة لتحسين التركيب المجهري والتحكم في حجم وهيئة الصفائح في طور الفا، والتشكيل الحراري للسبيكة في طور بيتا تتسبب بشكل كبير في في حبيبات كبيرة في طور بيتا
سبيكة التيتانيوم التجارية Ti - 6al - 2Sn - 4Zr - 2Mo هي إحدى أكثر السبائك استخداما في حالات الحرارة العالية حيث تتمتع بتركيبة من اجهاد الشد العالي والصلابة والقوة والثبات في درجات الحرارة العالية حيث تصل أحيانا إلى 4250 درجة مئوية لفترات طويلة
السبيكة T i- 8Al - 2Sn - 4Zr - 6Mo هامة جدا في صناعة محركات الصواريخ والمكوك الفاضائي لما لها من خواص مناسبة لمثل هذا النوع من الصناعات حيث تتمتع بصلادة عالية ومقاومة للحرارة والضغط
السبيكة Ti - 8Al – 1Mo – 1V تستخدم في صناعة التوربينات الغازية وخاصة في صناعة شفرات الكمبريسورات والطارات
السبيكة Ti – 10V – 2Fe – 3Al تستخدم أيضا في صناعات الفضاء
تطبيقات التيتانيوم وسبائك التيتانيوم
1- في المجال الطبي
نظرا لان التيتانيوم معدن غير سام ولا يتاعل مع مركبات جسم الإنسان فإنه يستخدم في مجموعة من عمليات الاستعاضة منها جذور الأسنان وزراعة المفاصل الصناعية وكذلك يستخدم في عمل شرائح ومسامير ربط العظام والتي تتطلب ان تكون ثابتة لفترة طويلة تزيد عن 35 عام كما يستخدم في صناعة الأدوات الجراحية مثل الملاقط والمشارك وكلابات خلع الأسنان
2- الصناعات العامة
يستخدم في صناعة المبادلات الحرارية والسفن ومحركات الغاز والمحركات النفاثة والصناعات الكيماوية والبتروكيماوية المقاومة للتآكل
3- يستخدم في حفظ الهيدروجين وتخزينه حيث يتمتع بخاصية اسفنجية تساعد على امتصاص الهيدروجين من الوسط
4- الصناعات الفضائية
نظرا لقدرته على تحمل درجات الحرارة العالية والتعب والاجهادات المختلفة تستخدم سبائكه في صناعة المحركات النفاثة للصواريخ وشفرات التوربينات والمروحيات
5- استخدامه في الصناعات البحرية والجوية
6- يستخدم أيضا في صنع الأصباغ ومواد الطلاء حيث يستخدم ثاني أكسيد التيتانيوم في صناعة الصبغ الأبيض بشكل خاص
7- يستخدم في صناعة الألعاب النارية حيث يعطي اشعاعات متوهجة.
المراجع
سبائك التيتانيوم
تقويم الأسنان
تيتانيوم
سبائك
علم المواد