تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم

تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم (فصل دوم) تیتانیوم گرید 1، تیتانیوم گرید 2، تیتانیوم گرید 5، تیتانیوم گرید 23، تیتانیوم پزشکی

تاريخ:دوازدهم دی 1397 ساعت 11:36   |   کد : 91

تیتانیوم عنصری با چگالی کم (تقریبا 60 درصد چگالی فولاد و سوپرآلیاژها) است که می­ توان آن را با آلیاژکردن و شکل دهی به شدت استحکام بخشید.(خواص مشخصه تیتانیوم در جدول 2-1 ارائه شده است.) تیتانیوم غیرمغناطیسی بوده و دارای خواص انتقال حرارتی خوبی است. ضریب انبساط گرمایی آن مقداری کمتر از فولاد و کمتر از نصف ضریب آلومینیوم است. تیتانیوم و آلیاژهای آن دارای نقطه ذوبی بالاتر از فولاد هستند اما بیشینه دمای مفید برای کاربردهای سازه­ ای معمولا از °C 427 (°F 800) تا تقریبا °C 595 (°F 1000 تا 1100) متغیر است که این دما به ترکیب آن بستگی دارد. آلیاژهای آلومیناید تیتانیوم، نویدبخش کاربردهایی در دماهای تا °C 760 (°F 1400) می­ باشند.

جدول 2-1 خواص فیزیکی و مکانیکی تیتانیوم

تیتانیوم و آلیاژهای آن به شکل­ های گوناگونی تولید می­ شوند که برخی نمونه­ های آن در شکل 2-1 نشان داده شده­ اند. تیتانیوم می­ تواند کارشده، ریخته­ گری­ شده یا حاصل روش­ های متالورژی پودر باشد. می­ توان آن را به روش جوشکاری ذوبی، لحیم­ کاری، چسب­ها و اتصال­ دهی نفوذی یا بست­ها متصل کرد. تیتانیوم و آلیاژهای آن دارای قابلیت شکل­ دهی بوده و به سادگی ماشین­کاری می­ شوند که در این باره باید مراقبت های لازم صورت گیرد.


شکل 2-1 برخی اشکال محصولات تیتانیومی با اشکال : شمش ، اسفنج ، ورق ، میلگرد ، لوله ، سیم ، توری و تسمه

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

شکل 2-2 جعبه دنده تیتانیومی ساخته­ شده به روش ریخته­ گری دقیق مربوط به ارابه فرود و برخاست هواپیما

شکل 2-3 تیرارابه فرود آهنگری شده تیتانیومی مربوط به هواپیمای بوئینگ 757

 وزن تقریبی این قطعه  kg 1400 (lb 3000) است.

تیتانیوم دارای قابلیت ایجاد یک لایه غیرفعال بر روی سطح خود است و در نتیجه، مصونیت بالایی در برابر حمله اسیدهای معدنی و کلریدها دارد. تیتانیوم خالص غیرسمی است. تیتانیوم خالص تجاری و برخی آلیاژهای تیتانیوم بطور کلی از نظر زیستی با بافت­ ها و استخوان­ های انسان سازگار هستند.

مقاومت به خوردگی عالی و زیست­ سازگاری همراه با استحکام­ مناسب، باعث مفید بودن استفاده ازتیتانیوم و آلیاژهای آن در کاربردهای شیمیایی و پتروشیمی، محیط­ های آبی و کاربردهای زیست­ موادی می­ شود. ترکیب عالی استحکام و سفتی ، چقرمگی خوب، چگالی کم و مقاومت به خوردگی مناسب در آلیاژهای تیتانیوم در دماهای بسیار کم تا زیاد باعث صرفه­ جویی در وزن سازه­ های هوافضایی و دیگر کاربردهای نیازمند به عملکرد ویژه می ­شود.

انتخاب آلیاژهای تیتانیوم با توجه به کاربرد

نکات اولیه. تیتانیوم و آلیاژهای آن بطور عمده در دو حوزه کاربردی که مشخصات منحصربه فرد این فلز، انتخاب آن را توجیه می­ کند به کار می­ رود: مقاومت به خوردگی و سازه­ های سبک با استحکام کافی
معیارهای انتخاب برای این دو حوزه  بطور قابل توجهی با هم متفاوت هستند. در حوزه کاربردهای خوردگی معمولا از تیتانیوم خالص با استحکام کمتر، تولید شده به شکل مخازن، مبدل­های حرارتی یا مخازن رآکتور مربوط به فرآوری شیمیایی، نمک­ زدایی یا نیروگاه­ها استفاده می­ کنند. در مقابل، کاربردهای نیازمند به عملکرد عالی نظیر توربین­ های گازی، سازه­ های هواپیما، تجهیزات حفاری و زیردریایی­ ها یا حتی کاربردهایی نظیر ایمپلنت­ های زیست­ پزشکی، اسکلت­های دوچرخه و نظیر آن، معمولا از آلیاژهای تیتانیوم با استحکام بالاتر استفاده می­ کنند. اما این کاربرد، شیوه­ ای بسیار انتخابی است که به عواملی نظیر محیط گرمایی، پارمترهای بارگذاری، محیط خوردگی، شکل­ های موجود محصول، مشخصات تولید، بازرسی و/یا الزامات اعتمادپذیری به محصول بستگی دارد (شکل 2-4). آلیاژهای مربوط به کاربردهای نیازمند به عملکرد عالی در سازه­ های با استحکام بالا ، معمولا نسبت به تیتانیوم غیرآلیاژی­ مربوط به کاربرد خوردگی، با الزامات سخت­گیرانه­ تر و با هزینه بیشتری تولید می­شوند. برای نمونه، آلیاژهای Ti-6Al-4V و Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr برای کاربرد در حفاری در دریا و لوله­ های ژئوترمال استفاده می­ شوند در حالی­که آلیاژهایی مانند Ti-6Al-4V، Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo+Si، Ti-10V-2Fe-3Al و Ti-6V-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo+Si برای استفاده یا طراحی در هواپیما یا موتورهای توربین گازی مربوط به کاربردهای هوافضا می­ باشند.

دست­یابی به خواص مکانیکی مطلوب نظیر استحکام تسلیم یا نهایی به وزن (بازدهی استحکام)، نرخ رشد ترک خستگی و چقرمگی شکست و نیز ملاحظات تولید نظیر الزامات جوشکاری و شکل­ دهی بسیار مهم هستند. این عوامل معمولا معیارهایی را که ترکیب و ساختار آلیاژ (آلفا، بتا، آلفا- بتا) عملیات حرارتی (آنیل، عملیات انحلالی و پیرسازی) و سطح کنترل فرآیند انتخابی یا تجویزشده برای کاربردهای آلیاژ تیتانیوم سازه­ ای تعیین می­ کنند برآورده می­ سازند. خلاصه­ ای از برخی ازگریدهای تجاری و نیمه­ تجاری تیتانیوم در جدول 2-2 ارائه شده است.
برای سازه­ های دارای بارگذاری سبک معمولا تیتانیوم انتخاب می­ شود-زیرا مقاومت بیشتری دربرابر اثرات دما نسبت به آلومینیوم دارد- در دسترس بودن محصولات و نیز سهولت تولید ممکن است باعث اجبار در انتخاب شود.
در برخی موارد، مقاومت به خوردگی ممکن است عامل اصلی در انتخاب آلیاژ تیتانیوم باشد.در اینجا، معمولا یکی از گریدهای تیتانیوم غیرآلیاژی­ انتخاب می­ شود.

 

شکل 2-4 چند حوزه کاربرد برای قطعات تیتانیومی با عملکرد بالا الف- قطعات مربوط به تجهیزات حفاری دریایی ب- تجهیزات زیردریایی نیازمند به استحکام بالا ج- هواپیما د- قطعات مربوط به عملیات­های فراوری دریایی و شیمیایی

انتخاب برای مقاومت به خوردگی. معمولا ملاحظات اقتصادی تعیین می­ کنند که آیا آلیاژهای تیتانیوم برای کاربرد مربوط به خوردگی به کار برده شوند یا خیر. هزینه­ های سرمایه­ گذاری برای تجهیزات تیتانیومی معمولا بالاتر از تجهیزات ساخته­ شده از مواد رقیب مانند فولاد ضدزنگ، برنج، برنز، مس ­نیکل یا فولاد کربنی می­ باشد. در نتیجه، تجهیزات تیتانیومی باید منجر به هزینه­ های فرایندی کمتر، عمر بیشتر یا هزینه نگهداری کمتر شود تا انتخاب آن توجیه شود چرا که انتخاب، غالبا بر مبنای طول عمر کلی- هزینه انجام می­ شود.

جدول 2-2 برخی گریدهای تجاری و نیمه ­تجاری و آلیاژهای تیتانیوم

تیتانیوم خالص تجاری (CP)  الزامات اساسی مربوط به کاربرد در خوردگی را برآورده می­ کند. تیتانیوم غیرآلیاژی­ معمولا مطابق با الزامات مشخص استانداردهای ASTM یعنی  B 265، B 338 یا B 367 در گریدهای 1، 2 ،3 و 4 در ایالات متحده  تولید می­ شوند. این گریدها از نظر مقدار اکسیژن و آهن متفاوت هستند که به ­ترتیب، موجب کنترل استحکام و رفتار خوردگی می ­شود. برای مصارف خاص خوردگی، Ti-0/2Pd (گریدهای  7، 8 و 11) ممکن است بر گریدهای غیرآلیاژی 1 ،2 ،3 و 4 ترجیح داده شوند.

انتخاب برای استحکام و مقاومت به خوردگی. بدلیل رفتار خوردگی منحصربه فرد، تیتانیوم بطور گسترده­ ای در لوازم مربوط به اندام­های مصنوعی نظیر قطعات دریچه قلب و جایگزین­های استخوانی و حمل­ کننده­ های بار در بدن نظیر استخوان ران استفاده می­شود. بطور کلی، سیالات بدن آب­ نمک­های کلریدی­ ای هستند که دارای مقادیر pH از 4/7 تا محدوده اسیدی می­باشند و نیز دارای اسیدهای آلی مختلفی هستند که تیتانیوم در برابر آنها کاملا دارای مصونیت است. Ti-6Al-4V معمولا برای کاربردهایی که نیاز به استحکام بالاتری دارند بکار می­ رود اما دیگر آلیاژهای تیتانیوم هم استفاده می­شوند. استحکام نسبتا بالا در کاربردهای  تیتانیوم مربوط به اندام­ های مصنوعی مهم است اما با این فرض که ملاحظات زیست­ سازگاری باید مراعات شوند بازدهی استحکام (نسبت استحکام به چگالی) معیار اصلی نیست. اما در حالی­که بازدهی استحکام، عامل تعریف­ کننده نیست اما وزن کمتر آلیاژ تیتانیوم نقش محسوسی در احساس بهبودی بیمار تحت تاثیر تجهیزات ایمپلنت­ شده در بدن خود ایفا می­ کند.

انتخاب برای بازدهی استحکام. از نظر تاریخی، آلیاژهای کارشده تیتانیوم بطور گسترده­ ای بجای آهن یا آلیاژهای نیکل در کاربردهای هوافضا بکار رفته­ اند زیرا تیتانیوم باعث کاهش وزن در قطعات تحت بار شدیدی شده که در دماهای پائین تا نسبتا بالا عمل می­ کنند. بسیاری از آلیاژهای تیتانیوم برای داشتن استحکام بهینه کششی، فشاری ویا خزشی در دماهای خاص و همزمان برای داشتن کارپذیری کافی برای ساخت به شکل­ های مناسب برای یک کاربرد ویژه بطور سفارشی طراحی شده­ اند.

انتخاب برای سایر خواص. شناخت کمی از سازه­ های پشتیبان سیستم نوری وجود دارد اما این مورد، یک کاربرد مهم برای تیتانیوم محسوب می­ شود. قطعات ریختگی پیچیده در سیستم­های نظارتی و هدایتی مربوط به هواپیما و موشک­ها برای پشتیبانی از تجهیزات نوری بکار می­ روند چرا که در این کاربردها تغییرات دمایی گسترده­ ای وجود دارد. دلیل اصلی برای انتخاب تیتانیوم در این کاربرد آن است که ضریب انبساط گرمایی تیتانیوم با ضریب انبساط گرمایی تجهیزات نوری انطباق نزدیکی دارد.

هرچند کاربرد آلیاژ تیتانیوم برای اندام­های مصنوعی بدلیل زیست­ سازگاری و استحکام انجام می­ شود اما در ایمپلنت­ های سازه­ ای نظیر استخوان ران نیز باعث مزیت می­ شود زیرا مدول کمتر (نسبت به آلیاژهای کبالت و فولاد ضدزنگ) باعث انتقال بار بیشتر به استخوان و قابلیت ایمپلنت در عملکرد طولانی­ تر می­ شود.

آلیاژهای تیتانیوم

در نیمه دوم قرن بیستم، Ti-6Al-4V، حدود 45 درصد وزن کلی آلیاژهای تیتانیوم بارگیری­ شده را تشکیل می­داد. در طول حیات صنعت تیتانیوم، ترکیبات مختلف دارای کاربردهای موقت بوده­ اند که از آن جمله می­توان به Ti-4Al-3Mo-1V، Ti-7Al-4Mo و Ti-8Mn اشاره کرد. آلیاژهای بسیاری اختراع شده­ اند اما هیچ­گاه استفاده تجاری قابل­ توجهی نیافته­ اند. آلیاژ Ti-6Al-4V، آلیاژی منحصربفرد است زیرا خواص جذاب خود را با کارپذیری ذاتی خود (که باعث تولید به شکل­های مختلف محصولات کارخانه­ ای در اندازه­ های بزرگ و کوچک)، قابلیت تولید مناسب (که باعث می­ شود محصولات کارخانه­ ای به شکل ابزارهای سخت پیچیده در آیند) و تجربه تولید و در دسترس بودن به شکل تجاری ترکیب می­ نماید که منجر به استفاده قابل اطمینان و تجاری می­ گردد. متعاقبا، تیتانیوم کارشده تبدیل به آلیاژ استاندارد شد که در برابر آن، سایر آلیاژها (یا آلیاژهای با طراحی سفارشی) در هنگام انتخاب­ شدن برای یک کاربرد خاص باید با آن مقایسه شوند. Ti-6Al-4V هم­چنین آلیاژ استاندارد برگزیده­ شده برای قطعات ریختگی­ ای است که باید استحکام بسیار بالا نشان دهند. Ti-6Al-4V  تا سال­های بسیاری در آینده هم بعنوان پرکاربردترین آلیاژ تیتانیوم باقی خواهد ماند.

Ti-6Al-4V دارای محدودیت­ های دمایی است که کاربرد آن را محدود به حدود °C 400 (°F 750) می­ نماید. برای کاربردهای دما بالا، آلیاژی که بیشتر بکار می­ رود Ti-6Al-2Sn-4Zr-2M0+Si است. این آلیاژ عمدتا برای قطعات توربین و برای سازه­ های پس ­سوز و کاربردهای داغ مختلف بدنه هواپیما به شکل ورق نازک بکار برده می­ شود. آلومینایدهای تیتانیوم ممکن است جایگزین آلیاژهای مربوط به کاربرد ذکرشده اخیر شوند اما نمی­توانند در آینده نزدیک جایگزین کاربردهای تجاری شوند.

در طول تقریبا 50 سالی که تیتانیوم بطور تجاری موجود بوده است، آلیاژهای فراوان دیگری نیز تولید شده­ اند اما هیچ­کدام نتوانسته­ اند سهم 50 درصدی Ti-6Al-4V را در بازار کم کنند. علاوه بر استفاده از Ti-6Al-4V، شرکت Pratt & Whitney از Ti-8Al-1Mo-1V، Ti-5Al-2/5Sn، Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo و Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo  در توربین­ های گازی خود استفاده کرده است. شرکت General Electric از Ti-4A1-4Mn، Ti-1/5Fe-2/7Cr و Ti-17 علاوه بر Ti-6Al-4V استفاده کرده است. Rolls Royce از IMI 550، IMI 679، IMI 685، IMI 829 و IMI 834 علاوه برTi-6Al-4V(IMI 318) در موتورهای خود استفاده کرده است(IMI Titanium یک تولیدکننده بریتانیایی بود که اکنون با نام Timet UK فعالیت می­ کند). برخی از این آلیاژهای ذکرشده در بدنه هواپیما استفاده شده­اند. سایر آلیاژهای بکاررفته یا ارزیابی شده در صنعت هوافضا، موشکی و فضایی و دیگر کاربردهای نیازمند به عملکرد عالی عبارت بوده­اند از Ti-6V-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo+Si، Ti-6Al-6V-2Sn، Ti-10V-2Fe-3Al و Ti-13V-11Cr-3Al. این آلیاژ آخر، BI2OVCA نامیده می ­شود. این آلیاژ اولین آلیاژ شبه ­پایدار بتا بود هرچند  استفاده از آن در مقایسه با سایر آلیاژهای هم­ عصر خود تقریبا منسوخ شده است.

عملیات­ های فراوری شیمیایی عمدتا درباره گریدهای غیرآلیاژی، گریدهای خالص دارای پالادیوم، Ti-6Al-4V و Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo (که بتا سی نیز نامیده می­شود) انجام شده و برای استفاده در فناوری مربوط به چاه­های عمیق ترش مورد توجه بوده­ اند. سایر آلیاژها در مراحل مختلفی از استفاده قرار دارند.

خواننده می­ تواند به پیوست الف و یا پیوست ب برای اطلاعاتی بهتر درباره انواع آلیاژهای موجود و کاربردهای محتمل آنها مراجعه کند.

کاربرد و کنترل آلیاژهای تیتانیوم

قطعات چرخانی نظیر پره­ های موتور جت و اجزای توربین گازی به آلیاژهای تیتانیومی نیاز دارند که بازدهی استحکام و پایداری متالورژیکی در دماهای بالا را بیشینه کند. این آلیاژها هم­چنین باید نرخ خزش پائین و نیز رفتار قابل پیش­ بینی در مواجهه با گسیختگی ناشی از تنش و خستگی در چرخه کم نشان دهند. برای ایجاد این خواص، الزامات سخت­گیرانه­ ای برای تضمین میکروساختارهای کنترل ­شده همگن و رهایی کلی از نقایص ذوب نظیر جدایش آلفا، آخال­های پراکنده با چگالی کم یا زیاد و تخلخل یا حفرات لوله ­ای بهبود ­نیافته تعیین می ­شوند. اما هرچه کنترل بیشتر باشد قیمت نیز بیشتر خواهد بود.

مخازن تحت­ فشار هوافضایی نیز به بازدهی استحکام بهینه نیاز دارند هرچند که در دماهای کمتری کاربرد داشته باشند. خواص دیگر مورد نیاز عبارتند از جوش­پذیری و چقرمگی شکست قابل پیش ­بینی در دماهای بسیار کم تا زیاد. برای تامین این ترکیب خواص، الزامات سخت­گیرانه به میکروساختارهای کنترل­ شده و بدون نقایص ذوب نیاز دارند. برای کاربردهای در دمای بسیار کم، عناصر بین­ نشینی نظیر اکسیژن، نیتروژن و کربن برای بهبود داکتیلیته و چقرمگی شکست به دقت کنترل می­ شوند. آلیاژهایی با چنین کنترلی روی سطح عنصر بین­ نشینی به طور بین­ نشین فرا اندک طراحی می­ شوند که برای نمونه می­ توان به Ti-6Al-4V-ELI اشاره کرد.

کاربردهای سازه­ ای هواپیما و نیز کاربردهای نیازمند به عملکرد عالی در خودرو و وسایل دریایی به بازدهی بالای استحکام نیاز دارند که معمولا توسط انتخاب هوشمندانه آلیاژ و نیز کنترل فراوری تولید حاصل می­ شود. اما  هنگامی که طراحی شامل سازه­ های فراوان باشد یا هنگامی که محیط­ های عمل­ کننده دارای شدت زیادی نباشند یا هنگامی که روی روش تولیدی که می­ توان برای قطعات خاص به کار برد قید وجود داشته باشد یا هنگامی که خطرات کمی درباره عملکرد قطعه موجود باشد، در انتخاب ماده و فرایند تولید باید این عوامل در نظر گرفته شوند.

مواردی از سازه­ های با بارگذاری با شدت کم وجود دارند که در آن، معمولا تیتانیوم انتخاب می­ شود زیرا باعث مقاومت بیشتر در برابر خوردگی نسبت به برنج، برنز و فولاد ضدزنگ می­ شود. در چنین مواردی، دسترسی به محصولات مورد نیاز و سهولت تولید، بطور عادی انتخاب را تعیین می­ کنند. در اینجا، یکی از گریدهای تیتانیوم غیرآلیاژی انتخاب می­ شود. قابلیت­ شکل­ دهی (همانند لوله ­ها) یک مشخصه لازم برای این دسته از کاربردها است.

در دسترس بودن سیستم­ های آلیاژی تیتانیوم

در طول 50 سال اولیه­ ای که آلیاژهای تیتانیوم بطور تجاری در دسترس قرار گرفتند در ایالات متحده، 70 تا 80 درصد تقاضا برای تیتانیوم از صنایع هوافضا بود. حدود 20 تا 30 درصد تقاضا از کاربردهای صنعتی بود. در دهه آخر قرن بیستم، تقاضا از صنایع غیرهوافضایی، بشدت بر میزان دسترسی به تیتانیوم و آلیاژهای آن برای کاربردهای سنتی نیازمند به آلیاژهای با عملکرد عالی تاثیر گذاشت. برای مدتی، سر چوب گلف تیتانیومی مورد تقاضای فراوان بود. دوچرخه­ هایی از بدنه تیتانیوم، کاملا محبوب بودند. بازار چوب گلف دوام کمتر از انتظاری داشت و تقاضا دوباره به سمت کاربردهای هوافضایی کشیده شد. درباره بازار، هر گزارش یا نتیجه­ گیری­ ای درباره حجم کاربرد تیتانیوم را به بهترین شکل از مجلات تجاری، موسسات بازرگانی یا گزارش­ های تخصصی توسط شرکت­های مشاور می­ توان بدست آورد.

چند آلیاژ مرسوم تیتانیوم به راحتی در دسترس هستند. اما همانند وضعیت موجود در بسیاری از صنایع، غالبا تغییرات محسوسی در مشخصاتی که یک شرکت معین، درباره آلیاژهای تیتانیوم خرید یا طراحی می­ کند وجود دارند. تا حد زیادی، کاربردهای هوافضایی، دلیل اصلی توسعه و پیشرفت در فرایندها و آلیاژهای تیتانیوم و در نتیجه، در دسترس بودن ماده می­ شود.

صنعت ماهیتی نوسانی و چرخشی دارد و تنها در دفعات معدودی در تقریبا  5 دهه گذشته یعنی از زمانی که تیتانیوم بعنوان یک ماده تجاری استفاده شده است با حداکثر ظرفیت کار کرده­ اند. شرایط تجاری دهه پایانی قرن بیستم منجر به تثبیت تولیدکنندگان آلیاژهای تیتانیوم شده است. تثبیت بیشتری را می­ توان در مشخصات آلیاژی که کاربرد تیتانیوم را کنترل می­ کند انتظار داشت. در زمینه کاری، قرارداد مرسومی درباره مشخصات وجود دارد که یک مشخصه مجزا ممکن است بعنوان یک راهنمای خرید برای یک ترکیب مشخص عمل کند.

تحولات ریخته­ گری و فورج دقیق

در حالی­که برای سال­های طولانی، در دسترس بودن کلی تیتانیوم تقریبا ثابت مانده است، در دسترس بودن قطعات ریختگی بطور قابل توجهی افزایش یافته است. علاوه بر قطعات ریختگی پیچیده، فورج­ کاری­ های دقیق از جمله فورج­ های نزدیک به شکل نهایی (NNS) و شکل­ دهی/ فورج سوپرپلاستیک، نویدبخش توسعه کاربرد آلیاژهای تیتانیوم بوده­ اند. شکل 2-5 بطور تصویری کاربردهای تیتانیوم را در بدنه یک هواپیمای جنگنده پیشرفته یعنی شکاری F-22 نشان می­دهد. در این شکل فقط مصارف تیتانیوم نشان داده شده ­اند. در F-22  حدود 42 درصد کل وزن سازه­ ای هواپیما، تیتانیوم است. در قسمت عقب بدنه هواپیما، تقریبا دوسوم وزن را تیتانیوم تشکیل می­ دهد.

شکل 2-5 برخی حوزه­ های استفاده از تیتانیوم در جنگنده شکاریF-22

قطعات ریختگی تیتانیوم (شکل 2-6)، فقط 6 درصد وزن توربین­های گازی هواپیما را در دهه 1980 تشکیل می­ دادند اما در دهه 1990، استفاده از قطعات ریختگی توسعه یافت به ویژه هنگامی که شرکت­ های فروشنده قطعات ریختگی قیمت­ها را برای تولیدکنندگان موتور کاهش دادند. ممکن است قطعات پودری در مقادیر محدودی در دسترس باشند اما در حال حاضر این قطعات اساس محدود به آلیاژها و/یا کاربردهای غیرمتداول هستند.

شکل 2-6 قطعه ریختگی از تیتانیوم آلیاژی مربوط به توربین گازی هواپیما

کاربرد تیتانیوم ممکن است برای توربین­های گازی پیشرفته افزایش یابد اما ممکن است توربین­های جدید زیادی مورد استفاده نباشند و تمایل به مواد/قطعاتی با قیمت کم با طراحی­ های جدیدتر وجود دارد. بدنه­ های هواپیما نشان­دهنده یک کاربرد با حجم بالا از تیتانیوم هستند و استفاده از تیتانیوم برای بدنه­ هواپیما بطور پیوسته در دهه­ های پایانی قرن بیستم مطابق با شکل 2-7 افزایش یافت. کاربردهای نظامی، همچنان بالاترین حجم استفاده از تیتانیوم را تشکیل می­ دهند و جداول 2-3 و 2-4، الزامات مربوط به بدنه هواپیما و موتور را علاوه بر وزن­های خرید مربوط به برخی کاربردهای تجاری و نظامی نشان می­ دهند.

شکل 2-7 استفاده از تیتانیوم در هواپیمای بوئینگ از نخستین جت تجاری تا بوئینگ 757

جدول 2-3 الزامات تیتانیوم در هواپیمای نظامی (شامل موتور)

جدول 2-4 وزن تیتانیوم خریداری­ شده برای هواپیمای تجاری و نظامی

از حدود 1965 بود که کاربرد غیرهوافضایی، درصد قابل توجهی از تولید تیتانیوم را تشکیل داد. رشد پیوسته و آرامی از آن زمان در بسیاری از حوزه­ ها از جمله مهندسی زیست­ پزشکی، کاربردهای دریایی و شیمیایی، خودرو و لوازم ورزشی رخ داده است. جدول 2-5 فهرستی از برخی کاربردهای تیتانیوم را ارائه می­نماید.

جدول 2-5 برخی کاربردهای تیتانیوم

نقش فراوری

آلیاژهای تیتانیوم بطور خاصی به روش تولید پیش از کاربرد آنها حساس هستند. روش­های تغییرشکل، ریخته­ گری یا متالورژی پودرکه برای تولید آلیاژ در شرایط مناسب برای کاربردی خاص بکار می­ رود و نیز شامل عملیات­های حرارتی اعمالی به آلیاژ می­ شود. عملیات­ حرارتی آلیاژهای آلفا- بتا میکروساختارهایی تولید می­ کند که بطور قابل توجهی با ساختارهای تولید شده از مثلا فورج­کاری همان آلیاژ در همان محدوده کلی دمایی نمودار فازی که عملیات حرارتی انجام می­ شود معادل است. اما خواص ماده کارشده حاصل از تغییرشکل آلیاژ در یک دمای بالا معمولا بهتر از محصولات عملیات­ حرارتی صرف برای تاثیر بر ساختار دلخواه به نظر می­ رسد. بعلاوه، به نظر می­رسد میزان کار انجام شده روی آلیاژ عامل کنترل­ کننده در خصول خواص بهینه است. (برای نمونه یک میله خواصی مشابه با یک دیسک فورج­ شده ندارد.)

هنگامی که ترکیب آلیاژ انتخاب می­ شود خواص آلیاژهای تیتانیوم بطور جدایی­ ناپذیری به روش تولید آنها مربوط می­ شود. یکی از چالش­های قابل توجه اخیر، ایجاد عملیات­های حرارتی رضایت­بخش برای بهینه­ سازی خواص و میکروساختار آلیاژهای تیتانیوم ریختگی پس از پرس­کاری ایزواستاتیک داغ آنها بوده است. عملیات­های حرارتی و شرایط تولید برای شکل­ دهی پودر تیتانیوم یا برای ساختن قطعاتی از آلومینایدهای تیتانیوم باعث ایجاد چالش­های مداوم بر سر راه فناوری فراوری تیتانیوم است.

داده­ های مربوط به خواص

خواص تیتانیوم خالص تجاری و آلیاژی می­ تواند از داده­ های موجود در جدول 2-1 متفاوت باشد. برای اطلاعات خاص درباره بسیاری از گریدهای CP و آلیاژی تیتانیوم به کتاب مرجع خواص مواد منتشرشده توسط موسسه بین­ المللی ASM مراجعه نمائید (پیوست ک فهرستی از مراجع برای اطلاعات بیشتر ارائه می­دهد).

پایان فصل دوم

Share

آدرس ايميل شما:  
آدرس ايميل دريافت کنندگان  
 


 
رضا جلیلیان
 
تاريخ: يازدهم مهر 1398 ساعت 09:33
 
توضيحات:

وب سایت بسیار خوب و کاملی است
متاسفانه تا کنون مرجع مطاعاتی خوبی برای تیتانیوم و آلیاژهای آن وجود نداشت و به همت متخصصان انجمن تیتانیوم این خلا پر شده است
با تشکر
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
جناب جلیلیان
خیلی ممنون از کامنت حضرتعالی
تمام تلاش تیم ایران تیتانیوم گردآوری اطلاعات مناسب برای متخصصان این حوزه و ایجاد راهکار توسعه صنایع وابسته به این فلز است
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