موضوع مقاله: آلیاژهای تیتانیوم | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # آلیاژهای تیتانیوم | مقدمه: آلیاژهای تیتانیوم، رده‌ای از آلیاژهای سبک هستند که عنصر اصلی سازنده آن‌ها تیتانیوم است. | ## بخش 1: آلیاژهای تیتانیوم | 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 استقبال عمومی در تمامی صنایع شده و تنها کاربرد آن‌ها را به صنایع نظامی، هوافضا، برخی تجهیزات پزشکی و ایمپلنت‌ها و برخی تجهیزات الکترونیکی محدود ساخته‌است. 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. #آلیاژهای تیتانیوم همان طور که گفتیم آلیاژهای تیتانیوم از تیتانیوم خالص و یک فلز دیگر برای بهبود خواص ساخته می شوند.برای بهبود خواص تیتانیوم ، آن را با برخی عناصر دیگر همچون آلومینیوم ، وانادیوم ، قلع ، مولیبدن و ... آلیاژسازی 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 فلز شود. دو شکل فازی از آلیاژ تیتانیوم جامد وجود دارد: تیتانیوم آلفا: از 25 درجه سانتی گراد تا 882 درجه سانتی گراد پایدار است.تیتانیوم بتا: از 882 درجه سانتی گراد تا نقطه ذوب تیتانیوم پایدار است. آلیاژهای تیتانیوم که در صنایع هوافضا استفاده می شوند، برای افزایش خواص مکانیکی و شیمیایی باید عناصر پایدارکننده ساختار آلفا و بتا را داشته باشند؛ اما در کاربردهایی که به خاطر مقاومت به خوردگی عالی تیتانیوم از آن استفاده می شود، تیتانیوم خالص مورد استفاده قرار می گیرد. وقتی عنصرهای آلیاژی را به تیتانیوم می افزاییم، باعث تغییر درصد هر کدام از فازهای آلفا و بتا می شوند. محصولات نهایی : شمش - بیلت - میله - ورق نازک و ضخیم - نوار - لوله محصولات اولیه: اسفنج - پودر قطعات سفارشی محصول: قطعات آهنگری شده - قطعات متالورژی پودر - قطعات ریختگی ساختار بلوری و استحاله 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 می‌شومد همچون آلومینیوم، گالیم، ژرمانیم، کربن، اکسیژن و نیتروژن باعث افزایش دمای انتقال می‌شوند و به عناصر پایدارکننده آلفا مشهورند. 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. آلیاژهای آلفا/بتا، که از لحاظ ترمودینامیکی آلیاژهای شبه پایداری بوده و عموماً شامل ترکیبی از پایدارسازهای فاز آلفا و بتا هستند. 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. 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 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. دلیل آن، بیشتر بودن صفحات لغزش در ساختار bcc فاز بتا در مقایسه با ساختار hcp فاز آلفا است. تیتانیوم دی‌اکسید در فلزات در دماهای بسیار بالا حل می‌شود و شکل‌دهی 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 به‌طور قابل ملاحظه‌ای کاهش دهند. 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. | ## بخش 2: آلیاژهای تیتانیوم | 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 انجمن مواد و آزمون آمریکا (به اختصار ASTM) استانداردهایی را برای دسته‌بندی آلیاژهای تیتانیوم ارائه کرده‌است که از آن بین می‌توان به استاندارد میله‌ها و شمش‌های تیتانیومی با مشخصه ASTM B348 و همچنین ASTM B265 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. گرید ۳ تیتانیوم غیر آلیاژی، اکسیژن متوسط.گریدهای ۱ تا ۴ غیرآلیاژی هستند و با نام خالص تجاری یا "CP" نامیده می‌شوند. به‌طور کلی برای گریدهای خالص با افزایش شماره گرید، استحکام تسلیم و شکست افزایش می‌یابد. 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 به‌طور 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). 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 به‌طور 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. این آلیاژ به سبب قابلیت جوشکاری خوب و حفظ پایداری و استحکام در دمای بالا در ساخت بدنه هواپیماها و موتور جت استفاده می‌شود. مقدار کم پالادیم مقاومت به خوردگی آلیاژ در دماهای بالا و پایین را افزایش می‌دهد. این گرید هم قابلیت جوشکاری و ساخت آسان گریدهای خالص را دارد و هم استحکام بالای گرید ۵. آلیاژهای آلفا و نزدیک به آلفا نمی‌توانند با عملیات حرارتی به‌طور 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. | ## بخش 3: آلیاژهای تیتانیوم | آلیاژهای بتا نه تنها می‌توانند تنش زدایی یا آنیل شوند بلکه قابلیت عملیات انحلالی و پیرسازی را دارند. (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 ماشین‌کاری 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..W. 1.1-1.10 بررسی توزیع درجه حرارت در ماشین کاری آلیاژهای تیتانیوم نشان داده‌است 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..P.A. 2 (1986) 47-58 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).D.C. چتر: پدیده چتر به عنوان یکی دیگر از مشکلات اصلی ماشینکاری آلیاژهای تیتانیوم به خصوص در حالت پرداخت مطرح است. 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..B.B. 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 کرده‌است. معیارهای انتخاب ابزار ماده ابزار در ماشینکاری آلیاژهای تیتانیوم باید ویژگی‌های زیر را داشته باشد: سختی در دمای بالا هدایت حرارتی بالا عدم واکنش ذیری شیمیایی با تیتانیوم چقرمگی و استحکام خستگی بالا استحکام کششی، فشاری و برشی بالا ابزارهای تنگستن کارباید و PCD به عنوان بهترین گزینه‌ها مطرح هستند..P.D. 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. آهنگری چاپ سه‌بعدی روش‌های غیرسنتی ماشین‌کاری آلیاژهای تیتانیوم 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. 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. 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. 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. | ## جمع‌بندی | 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.H.E.