تيتانيوم و آلياژهای تيتانيوم:

تيتانيوم چهارمين عنصر فراوان در پوسته زمين است و هزينه استخراج آن بدليل نقطه ذوب بالا و واكنش پذيري فوق العاده بالاي آن بسيار بالا است. با اين وجود تيتانيوم و آلياژهاي آن بدليل استحكام بالا، دانسيته كم و مقاومت به خوردگي عالي بسيار مورد توجه مي باشند. ويژگي هاي برتر تيتانيوم به شرح زير است:

• نسبت وزن به استحكام بالا كه سبب مي شود در بسياري از كاربردها كه استحكام و تافنس شكست بالايي مورد نياز است آلياژهاي اين فلز جايگزين فولاد شوند. تيتانيوم داراي دانسيته g/cm³5/4 است و آلياژهاي آن داراي نصف وزن فولاد و سوپرآلياژ و نسبت استحكام به وزن عالي مي باشند.
• آلياژهاي تيتانيوم استحكام خستگي بسيار بهتري نسبت به آلياژهاي سبك وزن از قبيل آلومينيوم و منيزيم را دارند.
• آلياژهاي تيتانيوم قابليت كاربرد در دماهاي بالا حدود 370 تا 590 درجه را دارند.
• مقاومت به خوردگي آلياژهاي تيتانيوم بالاتر از فولاد و آلومينيوم است.

تيتانيوم خالص در دماي اتاق داراي ساختار كريستالي HCP و يا آلفا است كه در دماي نزديك 885 درجه سانتي گراد به ساختار كريستاليBCC و يا بتا تغيير فاز مي يابد. دماي انتقال بتا بسته به نوع و مقدار عناصر آلياژي يا مواد ناخالصي مي تواند افزايش و يا كاهش يابد. عناصر آلياژي كه دماي تبديل آلفا به بتا را افزايش مي دهند همچون آلومينيوم، گاليوم، ژرمانيوم، كربن، اكسيژن و نيتروژن بعنوان پايداركننده هاي فاز آلفا و عناصري كه دماي انتقال را كاهش مي دهند بعنوان پايدار كننده هاي فاز بتا ناميده مي شوند كه عناصري همچون موليبدن، واناديوم، تانتاليوم، نيوبيوم، آهن، كروم، منگنز، كبالت، نيكل و مس از اين گروه مي باشند.

آلياژهاي تيتانيوم بر اساس ميزان فازهاي آلفا و بتاي موجود در ساختار در دماي اتاق به 5 دسته اصلي شامل تيتانيوم خالص تجاري، آلفا، نزديك آلفا، آلفا-بتا و بتا تقسيم بندي مي شوند.



تيتانيوم خالص تجاري يا تيتانيوم غيرآلياژي :

عموما شامل 99 تا 5/99 درصد تيتانيوم با مقاديري آهن و عناصر هيدروژن، نيتروژن، كربن و اكسيژن بعنوان ناخالصي مي باشند. ميكروساختار تيتانيوم غيرآلياژي بصورت فاز آلفا با ساختار HCP و مقادير بسيار كمي از فاز بتا است. تيتانيوم خالص تجاري نسبت به آلياژهاي تيتانيوم ارزانتر و داراي مقاومت به خوردگي بالاتر و استحكام پايين تر است. ضمن آنكه غير قابل عمليات حرارتي، اما داراي قابليت جوشكاري و شكل پذيري بالايي هستند و در دماي بالا مقاومت به خزش خوبي از خود نشان مي دهند. لذا اين آلياژها عموما در كاربردهايي كه مقاومت به خوردگي و انعطاف پذيري بالايي نياز دارند و استحكام چندان مورد توجه نيست مورد استفاده قرار مي گيرند. 



آلياژهاي تيتانيوم آلفا :

داراي عناصر آلياژي پايداركننده هاي آلفا (نظير آلومينيوم يا اكسيژن) و ساختار كاملا آلفا مي باشند. عناصر پايداركننده آلفا همچنين بعنوان استحكام دهنده هاي محلول جامد عمل مي كنند. در اين آلياژها اكسيژن و نيتروژن موجود بعنوان ناخالصي همچنين سبب سختي آلياژ مي شوند و افزودن قلع سبب بهبود انعطاف پذيري و وجود مقادير كم زيركونيوم سبب استحكام اين آلياژها مي شوند. مقدار عناصر پايدار كننده آلفا كه بصورت آلومينيوم معادل سنجيده مي شوند بعلت جلوگيري از تردي آلياژ نبايستي از 9 درصد تجاوز كند. اين گروه از آلياژها داراي استحكام بالاتر و مقاومت به خوردگي بسيار كم نسبت به تيتانيوم غير آلياژي مي باشند. همچنين اين گروه از آلياژهاي تيتانيوم قابل جوشكاري و غير قابل عمليات حرارتي مي باشند.

آلياژهاي تيتانيوم نزديك آلفا :

شامل مقدار كمي فاز بتا انعطاف پذير مي باشند. در كنار پايداركننده هاي فاز آلفا، آلياژهاي نزديك آلفا با 1 تا 2 درصد پايداركننده فاز بتا از قبيل موليبدن، واناديوم و سيليكون آلياژي مي شوند. اين آلياژها داراي استحكام خزشي بهتر نسبت به آلياژهاي كاملا آلفا تا دماي نزديك 400 درجه سانتي گراد، استحكام نسبتا بالا در دماي اتاق، انعطاف پذيري نسبتا خوب، تافنس بالا، قابليت جوشكاري خوب و مقاومت خوب نسبت به محيط هاي آب شور مي باشند. 

آلياژهاي تيتانيوم آلفا-بتا :

آلياژهاي شبه پايداري مي باشند كه شامل تركيبي از عناصر پايدار كننده هر دو فاز آلفا و بتا مي باشند. اين آلياژها قابل عمليات حرارتي و جوشكاري بوده و خواص شكل پذيري خوبي دارند ضمن آنكه داراي تركيب عالي از استحكام، تافنس و مقاومت به خوردگي مي باشند.

آلياژهاي تيتانيوم بتا :اين گروه آلياژهاي شبه پايدار بوده و شامل عناصر پايداركننده فاز بتا نظير موليبدن، سيليكون و واناديوم به اندازه كافي مي باشند. به اين ترتيب فاز بتا در هنگام عمليات كوئنچ پايدار باقي مي ماند. اين آلياژها قابل عمليات حرارتي و شكل پذيري آسان مي باشند و استحكام شكست بالاتري نسبت به آلياژهاي آلفا-بتا دارند.کاربردها :

تیتانیوم و آلیاژهای آن داراي خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی منحصريفردي مي باشند كه اين خواص سبب كاربرد گسترده اين آلياژها در صنايع مختلف از جمله صنايع زير گرديده است: 

• صنايع دریایی
• هوا فضا

• موتورهای توربین گازی
• مبدلهای حرارتی
• تاسیسات آب شیرین
• ایمپلنتهای پزشکی
• سانتریفیوژها
• وسایل نقلیه
• الکتروشیمی
• توربینهای بخار
• محافظ نگهداری زبالههای هستهای
• صنایع غذایی و دارویی
• صنایع پالایش نفت و صنایع گاز

Click this bar to view the original image of 748x493px.

عمليات حرراتي:

عمليات حرارتي آلياژهاي تيتانيوم شامل تنش زدايي، آنيل، آنيل انحالي و پيرسازي مي باشد. عمليات تنش زدايي به منظور كاهش تنش هاي ايجاد شده در حين پروسه ساخت ، عمليات آنيل به منظور بهينه كردن انعطاف پذيري، قابليت ماشينكاري و پايداري ابعادي و ساختار انجام مي گيرند و انجام عمليات آنيل انحلالي و پيرسازي سبب افزايش استحكام، و بهينه كردن ويژگي هايي از قبيل تافنس شكست، استحكام خستگي و استحكام خزش در دماي بالا مي گردد. حرارت دهي تيتانيوم و آلياژهاي آن در كوره هاي معمولي مي تواند سبب آلودگي سطح و جذب اكسيژن و هيدروژن و در نتيجه ايجاد تردي در آلياژ گردد.

كارگرم:

آهنگري پرسي و چكشي تيتانيوم اصولا مشابه فولادهاي كم آلياژ است. بدليل سرد كنندگي سريع و محدوده كار گرم نسبتا باريك، اثر سردكنندگي ابزار بايستي توسط كاهش زمان تماس تا حد امكان كاهش يابد، كه در اين ميان پيش گرم ابزار نيز موثر است. ادامه آهنگري در دماي بسيار پايين ممكن است سبب گسترش ترك هاي داخلي شود، كه بايستي از اين عمل اجتناب نمود. علاوه بر آن انجام پيش گرم هاي متعدد همراه با انجام تغييرفرم هاي اندك در هر مرحله نيز مضر مي باشد زيرا اين مسئله سبب درشت شدن ساختار دانه ها و خشن شدن ميكروساختار و كاهش خواص مكانيكي مي شود. در چكش كاري سقوطي لبه هاي قالب بايستي داراي انحنا بزرگتر نسبت به فولاد باشند زيرا انقباض حرارتي تيتانيوم كمتر از فولاد بوده و لذا انقباض مجاز كوچكتري را شامل مي شود. حذف زائده ها بايستي در شرايطي كه دماي قطعه بالا است انجام گيرد. لذا به منظور كمتر كردن پيش گرمايش و جلوگيري از اتلاف زمان و حرارت بايستي چكش كاري و حذف زائده ها با كمترين فاصله زماني از يكديگر انجام گيرند و پس از آن عمليات تنش زدايي توصيه مي شود.

كار سرد:

ورقي كه آنيل انحلالي شده است مي تواند تحت عمليات كشش، پرس و غيره قرار گيرد ولي ماكزيمم مقدار تغييرفرم به مقدار بار اعمالي بستگي دارد. استفاده از پرس هيدروليك نتايج خوبي بهمراه دارد. براي توليد قطعات با طرح هاي پيچيده از ورق هاي تيتانيوم، عمدتا از روش شكل دهي چكش سقوطي استفاده مي شود، كه ورق ها پيش از شكل دهي پيش گرم شده اند. لقمه هاي مورد استفاده در شكل دهي سرد را مي توان توسط فرايند برش يا اره كردن با سرعت هاي برش پايين آماده نمود. شرايط لبه لقمه ها از اهميت بالايي برخوردار است و با استفاده از تيغه هاي برش تيز و محكم نگه داشتن لقمه توسط ابزار در حين برش يا پيش گرم قطعه مي توان ايجاد ترك در لبه ها را به حداقل رساند. كليه برآمدگي هاي تيز بايستي زدوده شوند و براي فرايندهاي شكل دهي پيچيده لبه هاي برش بايستي سوهان كاري يا پوليش شوند. 


شكل هاي ساده را مي توان در دماي اتاق فرم دهي نمود. تغييرفرم به استحكام و خاصيت ارتجاعي ماده بستگي دارد. روانكارهاي جامد همچون صابون، دي سولفيد موليبدن يا گرافيت نسبت به روغن هاي معدني و گريس ارجحيت دارند. 

در شكل دهي قطعات با طرح هاي پيچيده، قطعه و قالب بايستي به منظور تسهيل فرايند شكل دهي، تحت عمليات پيش گرم قرار گيرند.