آلیاژهای تیتانیوم

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.
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

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. اما عناصری همچون مولیبدن، وانادیم، تانتال، آهن، کروم، کبالت، نیکل، مس و سیلیکون دمای انتقال را کاهش داده و پایدارکننده فاز بتا هستند.

تیتانیوم بتا

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.
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

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 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.

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

عملیات حرارتی

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 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. 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.

یکپارچگی سطح

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.