icon
خــط ویــژه
021-63511

تیتانیم و آلیاژهای آن :
تیتانیم به علت داشتن لایه اکسیدی محافظ TiO₂  مقاومت به خوردگی بسیار بالایی دارد . استحکام بالا و خواص مکانیکی خوب ، به ویژه در دمای نسبتا بالا ، اهمیت صنعتی آلیاژهای تیتانیم را بیشتر کرده است . در دمای 535°C لایه نازک محافظ  TiO₂  تجزیه می شود و اتمهای کوچکی مانند کربن ، اکسیژن ، نیتروژن و هیدروژن با نفوذ در شبکه تیتانیم ایجاد ترکیبات ترد و شکننده ای می کنند . تیتانیم همچنین دارای ویژگی هایی است که علاوه بر شاخص ساختن آن از سایر فلزات سبک از جنبه متالورژیکی نیز آن را بسیار متمایز تر گردانیده است . برخی از این ویژگی ها عبارت است از : 
الف) تیتانیم در دمای 822°C تحت یک واکنش آلوتروپیک قرار گرفته و از فاز آلفا (α) با ساختار HCP  به فاز بتا (β) با ساختار BCC تبدیل می شود که این فاز تا دمای ذوب پایدار است . به این ترتیب می توان با عملیات حرارتی آلیاژهایی با ریز ساختارهای  α ، β و یا α+β ایجاد نمود .
ب)  تیتانیم فلز واسطه ای است که دارای یک لایه الکترونی ناقص است . بطوریکه با اغلب عناصر جانشین که نسبت شعاع اتمی شان به شعاع اتمی تیتانیم کمتر از 0.2 باشد محلول جامد تشکیل می دهد .
ج) تیتانیم و آلیاژهای آن با بسیاری از عناصر بین نشین از جمله اکسیژن ، نیتروژن و هیدروژن گازی در دماهای خیلی پایین تر از دماهای ذوب این مواد واکنش می دهند .
د) تیتانیم در واکنش با سایر عناصر ممکن است تشکیل محلول های جامد یا ترکیباتی با پیوند های فلزی ، کوالانسی یا یونی بدهد . 
دسته بندی آلیاژهای تیتانیم : 
آلیاژهای آلفا ( α ) : 
آلومینیم و اکسیژن مهم ترین عناصر  آلیاژی هستند که بصورت جانشینی در فاز α حل شده و باعث پایداری خواهند شد . عناصر خنثی مثل قلع ، زیر کونیم و سیلیسیم باعث سختی محلول جامد شده و به ازای هر یک درصد عنصر اضافه شده ، استحکام کششی بین 35 Mpa الی 70Mpa  افزایش می یابد . آلیاژهای α شامل آلیاژهای کاملا α و آلیاژهای شبه α می باشند .
آلیاژهای کاملا α :
تنها آلیاژهای مورد استفاده در این گروه ، انواع تیتانیم های تجاری (CP)  است که در واقع آلیاژهای Ti-O  و آلیاژهای سه جزئی (Ti-5AL-2.5Sn)  می باشند . از آنجایی که این آلیاژها بصورت تک فاز هستند ، استحکام کششی آنها نسبتا پایین است . پایداری گرمایی بالای آنها باعث می شود که مقاومت خزشی این آلیاژها در دماهای بالا ، رضایت بخش باشد . همچنین این آلیاژها تا دماهای بسیار پایین انعطاف پذیری خوبی از خود نشان می دهند و قابلیت جوشکاری خوبی نیز دارند . 
آلیاژهای شبه α :
آلیاژهای شبه α حاوی مقادیری از پایدار کننده های فاز β تا حداکثر 2 درصد هستند . این آلیاژها اگر چه دارای مقادیر کمی فاز β باقیمانده هستند ، ولی بطور کلی متشکل از فاز α بوده و رفتار آنها نیز بیشتر آلیاژهای α است . این آلیاژها در مقایسه با آلیاژهای کاملا آلفا دارای استحکام کششی بالاتری در دماهای محیط بوده و در بین تمام آلیاژهای تیتانیم در دماهای بالاتر از  400°C   بیشترین مقاومت کششی را نشان می دهند . 
آلیاژهای α+β:  
امروز آلیاژهای α+β مهمترین آلیاژهای تجاری تیتانیم محسوب می شوند . این گروه آلیاژی علیرغم از دست دادن استحکام خزشی  در دمای بالای 400°C دارای استحکام کششی نسبتا زیاد ، شکل پذیری خوب و کم شدن قابلیت جوش پذیری را از خود نشان می دهند .
اغلب آلیاژهای α/β حاوی عناصر پایدار کننده و استحکام دهنده فاز α به همراه 4 تا 6 درصد عناصر پایدار کننده فاز β هستند که باعث می شوند پس از سریع سرد کردن آلیاژ از ناحیه β یا α+β مقادیر زیادی فاز β باقی بماند . استحکام کششی آلیاژهای β/α به بیش از 1400Mpa  نیز می رسد . در هر حال فقط تعداد کمی از این ترکیبات می توانند این استحکام را برای مقاطع ضخیم بدست آورند ،  که آن هم به علت تاثیرات سختی این ترکیبات در اثر سرد کردن سریع آلیاژها است که بوسیله هدایت حرارتی پایین تیتانیم تشدید می گردد .
آلیاژهای β :
 افزودن مقدار کافی عناصر پایدار کننده فاز β به تیتانیم می تواند ساختار کاملا β در دمای محیط ایجاد نماید . این آلیاژ به علت خواص عالی شکل پذیری که به ساختمان BCC  ارتباط دارد – توجه زیادی را به خود جلب نموده است . قابلیت بالای سختی پذیری ، آهنگری و شکل پذیری در حالت سرد ، از شاخص های مهم این آلیاژها می باشد . از معایب عمده این آلیاژها در مقایسه با آلیاژهای α+β می توان به دانسیته ببیشتر ، مقاومت پایین تر و شکل پذیری کمتر آنها تحت شرایط پیر سازی شده اشاره نمود ، با این وجود این آلیاژ ها از چقرمگی شکست بالاتری نسبت به آلیاژهای α+β برخوردار است . آلیاژهای β را می توان با توجه به عناصر پایدار کننده آن به دو دسته تقسیم نمود : 
-    ایزو مورف β که عناصر پایدار کننده آن شامل Ta, V, W, Mo  می باشد . این عناصر فاز β را تا دمای محیط میکند .
-    یوتکتوئید β که عناصر پایدار کننده آن شامل H, Co, Ni, Fe , Cr, Mn, Cu  است .
آلیاژهای تیتانیم β تا کنون کاربردهای کمتری نسبت به آلیاژهای α/β ، α داشته است . با این حال امروزه بسیاری از مشکلات ترکیبات اولیه حل شده است و انتظار می رود که استحکام بالا ، شکل پذیری خوب ، و سختی پذیری زیاد این نوع آلیاژها منجر به استفاده بیشتر آنها گردد . 
تاثیر عناصر آلیاژی بر آلیاژهای تیتانیم :
آلومینیم (Al)  : 
این عنصر پایدار کننده فاز α است و از طریق محلول جامد موجب افزایش استحکام می شود .
قلع و زیرکونیم (Sn  و Zr  ) : 
این عناصر پایدار کننده فاز α هستند و از طریق محلول جامد استحکام را افزایش می دهند . به ازای افزودن هر یک درصد عنصر اضافه شده ، استحکام کششی از حدود 35 Mpa تا 70 Mpa  افزایش می یابد . تاثیر استحکام بخشی قلع با افزایش دما افزایش می یابد .
نیوبیم (Nb) :
نیوبیم مقاومت به اکسیداسیون را افزایش داده و پایدار کننده فاز β است . همچنین از طریق تشکیل محلول جامد باعث بهبود خواص کششی می شود . 
مولیبدن و کربن (Mo و C):
 این عناصر پایدار کننده فاز β هستند و از طریق انحلال موجبات افزایش استحکام را فراهم می آورند .
گالیم (Ga) :
گالیم تنها عنصری است که انعطاف پذیری فاز α₂ را در آلیاژهای تیتانیم افزایش می دهد . 
سیلیسیم (Si) :
این عنصر با حل شدن در فاز α در آلیاژهای شبه α بصورت موضعی متمرکز شده و از حرکت نابجاییها جلوگیری می کند در نتیجه باعث افزایش استحکام و خواص خزشی می شود .
اکسیژن و نیتروژن (O و  N):
 اکسیژن و نیتروژن از پایدار کننده های فاز α می باشند . معمولا بعنوان عناصر ناخالصی محسوب می شوند و با مکانیزم بین نشینی موجب افزایش سختی می شوند . برای حصول محدوده مشخصی از استحکام در آلیاژهای (CP)  از مقادیر کنترل شده اکسیژن استفاده می شود . 
مس (Cu):
با افزودن مس به میزان 2.5 درصد به تیتانیم فاز شبه پایدار Ti₂Cu  بوجود می آید که باعث افزایش قابلیت آنیل آنیل محلولی می شود . در اثر پیر کردن این آلیاژ استحکام کششی بطور متوسط در حدود 150-170 Mpa  افزایش می یابد . اگر آلیاژ قبل از پیر شدن تحت کار سرد قرار گیرد افزایش استحکام آن بیشتر خواهد بود . 
وانادیم ، تنگستن و تانتالیم (Ta,W,V)  :
این عناصر پایدار کننده فاز β می باشند و از طریق محلول جامد باعث افزایش استحکام می شوند . این عناصر همچنین با کاهش دمای شروع مارتنزیت (Ms)   باعث تبدیل مارتنزیت ά شش وجهی به α˝  اورترمبیک می شود . وجود α˝  باعث کاهش انعطاف پذیری در آلیاژهای تیتانیم می شود . 
کرم ( Cr):
کرم باعث پایداری فاز یوتکتوئید β می شود و به دلیل تشکیل فاز TiCr₂  باعث ترد شدن آلیاژ می شود . همچنین پایداری بیش از حد یوتکتوئید منجر به حساسیت کمتر آلیاژ به پیر سختی می شود که باعث کاهش استحکام می گردد . 


 

نظرات کاربران

بازگشت
کلیک کنید