تیتانیوم و کاربردهای آن ( مقدمه ای بر تیتانیوم و آلیاژهای آن)

تیتانیوم چیست و چه کاربردی دارد ( مقدمه ای بر تیتانیوم و آلیاژهای آن) Titanium & Titanium Alloys

تاريخ:بيست و هفتم ارديبهشت 1396 ساعت 12:22   |   کد : 41

تیتانیوم در 1790 کشف شد اما تا اوایل دهه 1900 مورد خالص ­سازی قرار نگرفت. بعلاوه، از این فلز تا نیمه دوم قرن بیستم بطور گسترده استفاده نشد. اما اکنون تیتانیوم دارای تجربه حدودا 50 ساله­ ای از استفاده صنعتی مدرن و طراحی برای پشتیبانی از کاربرد خود است. بیشتر این کاربرد در کاربردهای نظامی در هواپیما نظیر SR71 (شکل 1-1) یا موتورهای توربین­های گازی (شکل 1-2) بوده است. تازه­ ترین موارد استفاده آن شامل مواردی نظیر چوب گلف و دوچرخه می­شود. بدلیل چگالی منحصربفرد، مقاومت به خوردگی و استحکام مناسب آن نسبت به مواد رقیب نظیر آلومینیوم، فولادها و سوپرآلیاژها، تیتانیوم جایگاه ویژه خود را در بسیاری از صنایع پیدا کرده است. برخی واقعیت­های مهم و/یا مزایای مهم آلیاژهای تیتانیوم، مبنای استفاده گسترده امروزه از تیانیوم را نشان می­دهند:


نکاتی در ارتباط با فلز تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم :

- تیتانیوم و آلیاژهای آن فلزی است که به صورت شمش ، ورق ، مقاطع ، لوله ، سیم و ... به طور گسترده در صنعت مورد استفاده قرار گرفته است .

- چگالی تیتانیوم، درحد نصف چگالی فولاد یا سوپرآلیاژهای پایه نیکل می­باشد.

- استحکام کششی تیتانیوم (البته آلیاژهای آن) می­تواند با استحکام کششی فولاد ضدزنگ مارتنزیتی با استحکام کمتر قابل مقایسه و از استحکام کششی فولاد ضدزنگ آستنینی و فریتی بهتر باشد. آلیاژهای تیتانیوم می­ توانند استحکام­ های نهایی قابل­ مقایسه­ ای با سوپرآلیاژهای پایه آهن نظیر A286 یا سوپرآلیاژهای پایه کبالت نظیر L605 داشته باشند.

- آلیاژهای تجاری تیتانیوم در دماهایی حدود °C 538 تا °C 595 (°F 1000 تا °F 1100)، بسته به ترکیب خود مفید هستند. برخی سیستم­های آلیاژی (آلومینایدهای تیتانیوم) ممکن است استحکام­ های مفیدی در دماهای بالاتر از این داشته باشند.

- قیمت تیتانیوم- درحالی­که تقریبا چهار برابر قیمت فولاد ضدزنگ است- قابل مقایسه با قیمت سوپرآلیاژهاست.

- تیتانیوم بطور قابل انتظاری مقاوم به خوردگی است. این مقاومت غالبا از مقاومت فولاد ضدزنگ در بیشتر محیط­ها بیشتر بوده و مقاومت به خوردگی فوق­ العاده­ ای در بدن انسان دارد.

- تیتانیوم را می­توان با روش­های استاندارد فورج کرده یا روی آن کار مکانیکی انجام داد.

- تیتانیوم قابل ریخته­ گری کردن- ترجیحا با ریخته­ گری دقیق- است. (ساختارهای آلیاژ ریخته­ گری دقیق­ شده دارای قیمت کمتری نسبت به ساختارهای آلیاژ تیتانیوم کار شده یا تولیدشده توسط فورج­ کاری می­باشد)

- تیتانیوم را می­توان بوسیله روش P/M فرآوری نمود (پودر ممکن است هزینه بیشتری داشته باشد اما روش P/M دارای خواص و فرآوری مطلوب­تری علاوه بر قابلیت صرفه­ جویی در هزینه کلی دارد).

- تیتانیوم را می­توان بوسیله جوشکاری گدازشی، لحیم­کاری، چسب­ها، پیونددهی نفوذی و بست­ها متصل کرد.

- تیتانیوم قابل شکل­ دهی است و به سهولت ماشین­کاری می­شود هرچند که باید احتیاط معقولی درنظر گرفته شود.

- تیتانیوم در گستره ­ای از شکل­ها و انواع مختلف موجود است.



شکل 1-1 هواپیمای SR71: نخستین استفاده از آلیاژهای بتا در سازه­ های هوافضا

شکل 1-2 موتور F119 تولیدشده توسط Pratt &Whitney در هواپیمای شکاری F22

بحث مختصری درباره متالورژی تیتانیوم
نکات کلی درباره ساختارها

نقطه ذوب تیتانیوم بیش از °C 1660 (°F 3000) است هرچند عملکرد بیشتر آلیاژهای تجاری در °C 538 (°F 1000) یا کمتر از آن است. تیتانیوم دارای دو ساختار بلوری عنصری است: در یکی، اتم­ها در یک آرایه مکعبی مرکزپر (bcc) و در دیگری اتم­ها در آرایه شش­ وجهی فشرده آرایش یافته­ اند (شکل 1-3). ساختار مکعبی فقط در دماهای بالا یافت می­شود مگر اینکه تیتانیوم با سایر عناصر برای حفط ساختار مکعبی در دماهای کمتر آلیاژسازی شود.

شکل 1-3 نمایی از ساختارهای بلوری تیتانیوم در سطح اتمی. الف- شش­ وجهی فشرده ب- مکعبی مرکز پر

دو ساختار بلوری از تیتانیوم به نامهای آلفا و بتا شناخته شده­ اند. آلفا در واقع به تیتانیوم شش­ وجهی-خالص یا آلیاژی- اشاره دارد درحالی­که بتا مشخص­ کننده هر تیتانیوم مکعبی خالص یا آلیاژی می ­باشد. ساختارهای آلفا و بتا- که گاهی سیستم یا گونه نیز نامیده می­ شوند- پایه کلی چهار دسته پذیرفته­ شده از آلیاژهای تیتانیوم هستند: آلفا، شبه آلفا، آلفا- بتا و بتا.

شکل 1-4 بطور تصویری برخی اثرات عناصر آلیاژی را بر ساختار آلیاژها و دسته ­ها یا زیردسته­ های آلیاژهای تیتانیوم نشان می­دهد. این شکل هم­چنین، تاثیراتی را که ساختارها بر برخی خواص برگزیده دارند نشان می­دهد. ترکیب­ های آلیاژی نشان داده­ شده شامل همه آلیاژهای موجود نمی ­شود بلکه برخی آلیاژهای بکار رفته در طراحی­ های مرتبط با آلیاژهای تیتانیوم را نشان می­دهد.

شکل 1-4 طرحواره نشان­ دهنده تاثیرات عناصر آلیاژی بر ساختار و برخی خواص برگزیده
(مثال­هایی از آلیاژهای هر دسته ذکرشده­ اند)

نکات دیگری درباره ساختار

تیتانیوم تجاری خالص (CP) ساختار آلفا دارد. افزودن عناصر آلیاژی به تیتانیوم خالص باعث گستره ­ای از میکروساختارهای ممکن در آلیاژهای تیتانیوم می ­شود.با مقدار کافی از عنصر آلیاژی بتاساز، فاز بتا در گرمایش ایجاد شده و در حین تبرید پس از فرآوری استحاله می­شود. ساختارهای حاصل نشان­ دهنده آلیاژهای آلفا- بتا هستند.

گونه­ ای از آلیاژهای آلفا با گستره­ ای وسیع از ترکیب و ساختار ممکن درون محدوده آلفا مطابقت دارد. این گونه شبه­ آلفا نامیده می­شود.

به ساختارهای بتا بطور کلی باید بتای شبه­ پایدار اطلاق نمود. این­ ها آلیاژهایی هستند که در تبرید تا دمای اتاق، ساختار بتا را حفظ می­کنند.

آلومینایدهای تیتانیوم، ترکیبات بین­ فلزی از تیتانیوم و آلومینیوم ( با یک یا چند عنصر آلیاژی دیگر) هستند.

مشخصات تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم

بطور کلی، تیتانیوم تجاری خالص و آلیاژهای تیتانیوم آلفا و شبه­ آلفا بهترین خواص مقاومت به خوردگی کلی را نشان می­ دهند. این مواد، بالاترین سطح جوش­ پذیری را در میان دسته تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم دارا هستند.

تیتانیوم خالص معمولا دارای مقداری اکسیژن آلیاژی­ شده با تیتانیوم می­باشد. استحکام تیتانیوم CP توسط مقدار عنصر بین­ نشین (اکسیژن و نیتروژن) تحت تاثیر قرار می­ گیرد.

آلیاژهای آلفا معمولا دارای مقادیر زیادی آلومینیوم هستند که به مقاومت اکسیداسیون در دماهای بالا کمک می­کنند (آلیاژهای آلفا- بتا هم­چنین دارای آلومینیوم بعنوان عنصر اصلی هستند اما دلیل اصلی، پایدارسازی فاز آلفاست.)

برای ایجاد خواص مکانیکی بهتر، نمی­توان آلیاژهای آلفا را عملیات حرارتی کرد زیرا این آلیاژها تک­فاز هستند. افزودن عناصر آلیاژی معین به تیتانیوم خالص، آلیاژهای حاصل را قادر به عملیات حرارتی یا فراوری در محدوده دمایی ­ای که آلیاژ دوفازی (آلفا و بتا) است می­ نماید. شرایط دوفازی باعث می ­شود ساختار، ریزشده و با امکان حفظ موقت مقدار بتا در دمای کمتر، باعث کنترل بهینه میکروساختار در طول استحاله بعدی هنگامی که پس از عملیات فورج یا از دمای عملیات حرارتی انحلالی صورت می­ گیرد، آلیاژها پیرسازی می­ شوند می­ گردد.

هنگامی که آلیاژهای آلفا- بتا بطور مناسبی عمل ­آوری شوند دارای ترکیب عالی استحکام و داکتیلیته هستند. این آلیاژها، استحکام بالاتری نسبت به آلیاژهای آلفا یا بتا دارند.

آلیاژهای بتا شبه­ پایدار هستند یعنی تمایل به استحاله به یک حالت تعادلی یا توازن ساختاری دارند. آلیاژهای بتا، استحکام خود را از استحکام ذاتی ساختار بتا و رسوب فاز آلفا و دیگر فازها در حین عملیات حرارتی پس از فراوری بدست می­ آورند.

مهم­ترین مزیت ساختار بتا، قابلیت شکل­پذیری بیشتر چنین آلیاژهایی نسبت به ساختار بلوری شش ­وجهی (آلفا و آلفا- بتا) می­باشد.

آلومینایدهای تیتانیوم از این نظر با آلیاژهای معمولی تیتانیوم متفاوت هستند که اصولا ترکیبات شیمیایی­ای هستند که برای افزایش استحکام، قابلیت شکل­ پذیری و غیره آلیاژسازی شده ­اند. آلومینایدها دارای دماهای عملکردی بالاتری نسبت به تیتانیوم معمولی هستند اما قیمت بالاتری دارند و معمولا دارای داکتیلیته و قابلیت شکل­ پذیری کمتری هستند.

بهره ­برداری بیشینه از آلیاژهای تیتانیوم

بیشترین قابلیت تیتانیوم و آلیاژهای آن این است که می­ توانند کاربرد خاصی را تحقق بخشند اگر  چند قاعده ساده را در ابتدا و پیش از آغاز یک طراحی مرتبط با آنها در نظر نگه داشت. برخی از مهم­ترین دستورالعمل­ها عبارتند از:

- محصول حاصل از آلیاژ تیتانیوم کارشده بیشتر در دسترس هستند اما قطعات ریختگی در تعقیب آنها می­ باشند. آلیاژهای کارشده هم­چنین دارای بالاترین میزان تجربه کار بر روی خود هستند. اما قطعات ریختگی برای صرفه­ جویی در وزن  هزینه مفید هستند. محصول ریخته ­گری­ شده بعلاوه پرس­کاری­ شده ایزواستاتیک داغ (HIP) می­توانند به استحکام عملکردی قابل مقایسه­ ای با محصولات کارشده برای بیشتر آلیاژها دست یابند.

- آلیاژهای پودری در حال پذیرفته­ شدن بیشتر هستند. هم­چنین، فراوری پودری موجب مخلوط ­شدن و تولید آلیاژهای تیتانیوم بیشتری می­ شود. اما، بدلیل برهم­ کنش تیتانیوم با گازهای بین­ نشینی نظیر اکسیژن و نیتروژن، روش­های تولید پودر پیچیده ­ای ضرورت می­ یابند. متعاقبا، پودرهای آلیاژی تیتانیوم ممکن است برای بسیاری از کاربردها، بیش از حد گران­قیمت باشند. بعلاوه، سطح خواص مورد نظر برای ترکیبات آلیاژی مرسوم فراوری­ شده از پودر ممکن است انتظارات را برآورده نسازد. به­ هرحال، در حالت پودر، قابلیت­هایی نظیر توکاری و متعادل­سازی قیمت، قابلیت حصول به شکل نزدیک به نهایی (NNS) حاصل می ­شود. این موضوع، دست­کم به معنای قابلیت کاهش کلی قیمت در هنگام بررسی کل پروژه می­ باشد.

- آلیاژهای تیتانیوم پودری یا ریختگی همواره باید گزینه­ هایی محتمل برای کاربردهای سازه­ ای باشند. اما برنامه­ ریزی برای چنین کاربردی باید در حین مرحله اولیه طراحی صورت بگیرد و نه انتظار و تلاش برای متناسب­ سازی قطعه ریختگی یا ماده فراوری­ شده پودری در طراحی آلیاژ کارشده در اواخر مراحل موجود.

- هنگام ساختن یک آلیاژ تیتانیوم، استفاده از آلیاژهای مرسوم­ تر عملی خردمندانه است مگر اینکه خواص غیر معمولی به شدت مورد نیاز باشند. ( Ti-6Al-4V آشکارا دارای مزایایی گسترده است وگرنه بطور متداول مورد استفاده قرار نمی­ گرفت).

- کتاب­های راهنمای مرجع ماده مرجع و غیره برای طراحی ارزشمند هستند. کتاب­های راهنمای مرجع زیادی موجود هستند (پیوست الف فهرستی از مراجع برگزیده ارائه می­دهد.) اما جایگزینی برای تماس شخصی با یک تامین­کننده یا تولیدکننده وجود ندارد.( فهرست ناقصی از شرکت­های تجاری مرتبط با تیتانیوم، تامین­کننده­ها و تولیدکنندگان فلز عمده در پیوست ه آمده است.)

- خواصی که باعث شرایط شکل­ دهی غیرمعمول شده یا دستاوردهای ریخته­ گری یا فرآوری پودر نباید وابسته به عملیات­ های غیرمعمول سرمایش یا گرمایش باشند. خواص آلیاژهای ریختگی یا پودری در مقابل بهترین خواص آلیاژهای کار شده کم می­ آورند. خواص مرسوم ممکن است قابل مقایسه باشند اما پراکندگی داده در محصولات ریختگی (و احتمالا در پودر) می­تواند منجر به کمینه­ های طراحی کمتری شود. اگر یک طراحی برای تحقق سطح خواص دلخواه دارای انعطاف­ پذیری نباشد، ممکن است بعدا بطور برگشت­ ناپذیری به خطر بیفتد.

- مشخصات هوافضایی برای ایجاد بهترین خواص و عملکرد ارائه می­ شوند. در هنگام استفاده از تیتانیوم در کاربردهای غیرحساس، برای صرفه­ جویی در پول و زمان، هرجا که ممکن باشد باید از مشخصاتی با سخت­گیری کمتر استفاده کرد.

ایده­ هایی برای آینده

ماهیت پویای صنعت می­ تواند بر آینده صنعت تیتانیوم تاثیرگذار باشد  چنین نیز خواهد بود. برای اطلاعات به­ روز درباره جنبه­ های تجاری تیتانیوم، می­توان با گروه­های تجاری نظیر آنهایی که در پیوست ه ارائه شده­ اند تماس گرفت. اما برخی طرح­ها را می­توان درباره جنبه­ های فنی کاربرد تیتانیوم انجام داد:

- ترکیبات آلیاژ تیتانیوم موجود و مورد استفاده در آینده نزدیک بطور قابل توجهی مشابه ترکیبات موجود در انتهای قرن بیستم خواهد بود هرچند اختلاط نسبی آلیاژها ممکن است تغییر نماید. حجم محصولات هوافضایی در حال کاهش است و بودجه­ های کمتری برای پژوهش موجود است. در نتیجه، پیشرفت در ترکیب آلیاژهای تیتانیوم کاهش خواهد یافت. بعلاوه،  کاربردهای غیرهوافضایی در حال مصرف تیتانیوم بیشتری نسبت به سال­های نخست پیشرفت تیتانیوم هستند. بیشتر این کاربردها از آلیاژهای موجودی که با هزینه­ های کمتری توسعه یافته­ اند استفاده می­ کنند.

- تاکید بیشتر بر استفاده از آلیاژهای ریختگی تداوم خواهد یافت.

- آلیاژهای بافت­ دار ممکن است برای کاربردهای منتخب مورد پذیرش واقع شوند. (در حالی­که این آلیاژها از نظر فنی قابلیت استفاده دارند اما هنوز هم عامل محرک واقعی برای این کار وجود ندارد.)

- شکل­ دهی سوپرپلاستیک همراه با اتصال­ دهی باید افزایش یابد هرچند این فرایند ممکن است برای صنعت هوافضا باقی بماند.

- کار با مواد پیشرفته فراوری­ شده P/M ادامه خواهد یافت اما کاربردهای مقرون به صرفه گسترده در آینده نزدیک نامحتمل است. پیش از آنکه روش­های P/M را بتوان بطور گسترده­ ای برای یک کاربرد استفاده نمود، کار توسعه­ ای زیادی باید صورت پذیرد. هنوز هم پایه مناسبی از خواص موجود نیست.

حقایقی درباره تیتانیوم و تولید آن

تیتانیوم نهمین عنصر فراوان روی زمین و چهارمین فلز سازه­ ای فراوان است. منابع معدنی تیتانیوم عبارتند از روتیل، ایلمنیت و لوکوکسن که گونه­ ای از ایلمنیت است.

تولیدکنندگان عمده ایلمنیت و سرباره تیتانیوم در جهان عبارتند از استرالیا، کانادا، نروژ،  آفریقای جنوبی، ایالات متحده و روسیه. تولیدکنندگان اصلی روتیل عبارتند از استرالیا، سیرالئون و آفریقای جنوبی. اسفنج تیتانیوم عمدتا توسط روسیه، قزاقستان، ایالات متحده، ژاپن، بریتانیا و چین تولید می­ شود. شمش و اسفنج تیتانیوم بطور گسترده­ ای در جهان موجود است.

تجارت تیتانیوم در دهه 1990 به سرعت در حال تغییر بود. ادغام­ها و انحصارها نه تنها نام­های تجاری بلکه خدمات مرتبط با تحویل تیتانیوم را نیز در جهان تغییر داد. از آنجا که عملیات­های مرتبط با تیتانیوم با در دسترس بودن اسفنج آغاز شده و با شمش برای بازذوب، ریخته­ گری یا برای کار بعدی ادامه می­ یابند، شناخت برخی بازیگران بازار تیتانیوم می­ تواند مناسب باشد. تولیدکنندگان اصلی اسفنج و شمش تیتانیوم در پایان قرن بیستم عبارت بودند از Timet، RMI و Allegheny-Teledyne-Oremet.
 



نمایی از کارخانه تایمت ، یکی از بزرگترین و تخصصی ترین تولید کنندگان تیتانیوم در جهان

در خصوص جریان عملیات­ های تجاری، فهرست دیگری از شرکت­های مرتبط با تیتانیوم کاربردی نیست. در هنگام نیاز به اطلاعات، بعنوان شروع در موقعیت­ یابی تولیدکنندگان تیتانیوم، و سایر اطلاعات مربوط به کاربرد تیتانیوم یا آلیاژ تیتانیوم، با شرکت­های تجاری مناسبی باید تماس گرفته شود (پیوست ه، فهرستی از چنین شرکت­هایی ارائه می­دهد).

 

Share

آدرس ايميل شما:  
آدرس ايميل دريافت کنندگان  
 


 
موحدی
 
تاريخ: چهاردهم مهر 1398 ساعت 09:58
 
توضيحات:

مطالب مفیدی بود
آیا اجازه کپی این مطالب و استفاده با ذکر منبع وجود داره ؟
--------------------------------------------------------------------
سلام
بله با ذکر منبع مانعی نیست
ممنون
انجمن تیتانیوم ایران

qqqq


 تمامی حقوق معنوی این سایت متعلق به انجمن تیتانیوم ایران میباشد
 تمامی حقوق معنوی این سایت متعلق به انجمن تیتانیوم ایران میباشد