تیتانیوم و آلیاژهای آن

تیتانیوم به عنوان یکی از فلزات سبک و مقاوم، در صنایع مختلف از جمله هوافضا، خودروسازی، و پزشکی کاربرد گسترده ای دارد. یکی از دلایل محبوبیت این فلز، مقاومت بالا در برابر خوردگی و نسبت استحکام به وزن عالی آن است. با این حال، قیمت تیتانیوم و آلیاژهای آن معمولاً نسبت به فلزاتی مانند فولاد بالاتر است، که همین امر آن را به گزینه ای تخصصی برای کاربردهای خاص تبدیل کرده است.

برای مقایسه، قیمت فولاد به دلیل فراوانی و تنوع آن به مراتب اقتصادی تر است و برای بسیاری از پروژه های صنعتی و ساختمانی انتخاب اول محسوب می شود. انتخاب بین این دو ماده به کاربرد مورد نظر و بودجه ی موجود بستگی دارد.

تیتانیوم چیست

تیتانیوم 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) تیتانیوم 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) تیتانیوم فلز واسطه ای است که دارای یک لایه الکترونی ناقص است. بطوریکه با اغلب عناصر جانشین که نسبت شعاع اتمی شان به شعاع اتمی تیتانیوم کمتر از 0.2 باشد محلول جامد تشکیل می دهد.

ج) تیتانیوم 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) تیتانیوم 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

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 تیتانیوم تشدید می گردد.

آلیاژهای β

افزودن مقدار کافی عناصر پایدار کننده فاز β به تیتانیوم 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 تیتانیوم 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 تیتانیوم

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 تیتانیوم 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 تیتانیوم می شود.

کرم ( Cr)

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.

تیتانیوم چه مزایایی را به ما ارائه می دهد؟

تیتانیوم با ویژگی هایی همچون وزن سبک، مقاومت بالا در برابر خوردگی، و دوام فوق العاده در شرایط دمایی بالا، مزایای چشمگیری را ارائه می دهد. این فلز به ویژه در صنایعی مانند هوافضا، پزشکی، و خودروسازی به دلیل نسبت استحکام به وزن عالی و سازگاری با بدن انسان بسیار مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین، طول عمر بالا و قابلیت بازیافت آن از دیگر مزایای تیتانیوم محسوب می شود. اگرچه این فلز هزینه بالاتری نسبت به مواد دیگر دارد، اما انتخاب مناسبی برای کاربردهای خاص و حساس است. برای تأمین انواع فولاد برای مصارف صنعتی و ساختمانی، فولاد حامیران یکی از تأمین کنندگان معتبر و شناخته شده در بازار است.