گذشته، حال و آینده تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم

1. منبع فلز تیتانیوم

 

فلز تیتانیوم برای اولین بار توسط یک کانی شناس آماتور به نام گرگور در انگلستان در سال 1791 کشف شد. در سال 1795، شیمیدان آلمانی Klaprus این ماده فلزی ناشناخته را به نام خدای یونانی Titans نامگذاری کرد. ترجمه چینی به انگلیسی برای "تیتانیوم". تیتانیوم در زمین فراوان است. بیش از 140 کانی تیتانیوم شناخته شده وجود دارد، اما کاربردهای صنعتی عمدتاً ایلمنیت و روتیل است. در این میان، ذخایر ایلمنیت چین 28 درصد از ذخایر جهان را تشکیل می دهد و رتبه اول را در جهان دارد.

 

تیتانیوم یک عنصر غیر سمی است که در جهان شناخته شده است، اما هزینه های استخراج و تولید آن بالا و گران است. به دلیل داشتن یک سری شرایط از جمله مقاومت در برابر درجه حرارت بالا و پایین، مقاومت اسیدی و قلیایی قوی، استحکام بالا و چگالی کم، تبدیل به ماده ای خاص برای همان موشک و ماهواره ناسا شده و در پروژه های فوق العاده ای مانند ناو هواپیمابر Yutu، J-20 و شاندونگ کشور من. پس از ورود به عرصه غیرنظامی در دهه 1980، به دلیل خواص ضد باکتریایی و بیوفیلیک طبیعی، به "پادشاه افتخاری فلزی" در صنعت ظروف غذا تبدیل شد.

 

صنعت تیتانیوم کشور من در دهه 1950 شروع شد. در اواسط-1960، کشور من کارخانه‌های فرآوری تیتانیوم اسفنجی و تیتانیوم را به ترتیب در زونی و بائوجی ساخته بود، که به این معنی است که چین به یکی از قدرت‌های صنعتی تیتانیوم در جهان تبدیل شده است. در قرن بیست و یکم، صنعت تیتانیوم کشور من وارد دوره جدیدی از توسعه شتابان شده است و ظرفیت تولید تیتانیوم آن در بین برترین ها در جهان قرار دارد.

 

2. تفاوت تیتانیوم خالص و آلیاژ تیتانیوم

 

تیتانیوم خالص:

 

یا تیتانیوم خالص صنعتی یا تیتانیوم خالص تجاری نامیده می شود که بر اساس محتوای عناصر ناخالص درجه بندی می شود. این عملکرد فرآیند مهر زنی و عملکرد جوشکاری عالی دارد، به عملیات حرارتی و نوع ساختار حساس نیست و در شرایط پلاستیسیته رضایت بخش استحکام خاصی دارد. قدرت آن عمدتاً به محتوای عناصر بینابینی اکسیژن و نیتروژن بستگی دارد. خواص تیتانیوم خالص صنعتی 99.5% عبارتند از: چگالی P=4.5g/cm3، نقطه ذوب 1800 درجه، هدایت حرارتی λ=15.24W/(MK)، استحکام کششی σ b{{8} }MPa، ازدیاد طول: δ=25% , کاهش سطح ψ=25%, مدول الاستیک E{11}}.078×105MPa، سختی HB195.

 

آلیاژ تیتانیوم:

 

آلیاژ تیتانیوم آلیاژی است که از تیتانیوم و سایر عناصر تشکیل شده است. این فلز نسبتاً جوانی است و از زمان کشف آن تنها 60 تا 70 سال سابقه دارد. مواد آلیاژ تیتانیوم دارای ویژگی های وزن سبک، استحکام بالا، کشش کم، مقاومت در برابر دمای بالا و مقاومت در برابر خوردگی هستند و عمدتاً در موتورهای هوا، موشک، موشک و سایر اجزاء استفاده می شوند. تیتانیوم دارای دو نوع کریستال آلوتروپیک است. تیتانیوم یک ایزومر با نقطه ذوب 1720 درجه است و زمانی که کمتر از 882 درجه باشد، ساختار شبکه بلوری شش ضلعی نزدیک به هم دارد که تیتانیوم نامیده می شود. بالاتر از 882 درجه، یک بدنه است. ساختار شبکه مکعبی به نام تیتانیوم B، از ویژگی های مختلف دو ساختار تیتانیوم فوق استفاده می کند و عناصر آلیاژی مناسب را برای تغییر تدریجی دمای انتقال فاز و محتوای فاز برای بدست آوردن آلیاژهای تیتانیوم اضافه می کند. (آلیاژهای ایتانیوم) با ساختارهای مختلف.

 

عناصر آلیاژ تیتانیوم را می توان با توجه به تأثیر آنها بر دمای انتقال فاز به سه دسته تقسیم کرد: ① عناصری که فاز a را تثبیت می کنند و دمای انتقال فاز را افزایش می دهند، عناصر پایداری هستند که شامل آلومینیوم، منیزیم، اکسیژن و نیتروژن می شود. در این میان، آلومینیوم عنصر اصلی آلیاژی آلیاژ تیتانیوم است که اثرات آشکاری در بهبود استحکام آلیاژ در دمای اتاق و دمای بالا، کاهش وزن مخصوص و افزایش مدول الاستیک دارد. ② عناصری که فاز B را تثبیت می کنند و دمای انتقال فاز را کاهش می دهند، عناصر پایدار B هستند. همچنین می توان آن را به ایزوکریستال و یوتکتوئید تقسیم کرد. اولی شامل مولیبدن، نیوبیم، وانادیم و غیره است. دومی شامل کروم، منگنز، مس، سیلیکون و غیره است. عناصری که تأثیر کمی بر دمای انتقال فاز دارند، عناصر خنثی مانند زیرکونیوم و قلع هستند.

TA1 (استاندارد آمریکایی Gr1)

 

تیتانیوم TA1 (Gr1) اولین از چهار گرید تیتانیوم خالص تجاری است. نرم ترین و چکش خوارترین این درجات است. حداکثر شکل پذیری، مقاومت در برابر خوردگی عالی و چقرمگی ضربه بالا را دارد. گرید TA1 ماده انتخابی برای هر برنامه ای است که به سهولت شکل پذیری نیاز دارد و معمولاً به عنوان ورق تیتانیوم و لوله تیتانیوم در دسترس است.

 

گرید TA2 (استاندارد آمریکایی Gr2).

 

تیتانیوم درجه TA2 به دلیل در دسترس بودن متنوع و در دسترس بودن گسترده، به عنوان "اسب کار" صنعت تیتانیوم خالص تجاری شناخته می شود. بسیاری از ویژگی های تیتانیوم درجه TA1 را دارد، اما کمی قوی تر است. هر دو به یک اندازه در برابر خوردگی مقاوم هستند. این گرید جوش پذیری، استحکام، شکل پذیری و شکل پذیری خوبی دارد. این باعث می شود که میله و صفحه تیتانیوم درجه TA2 اولین انتخاب برای بسیاری از کاربردها در ساخت و ساز، تولید برق، صنایع پزشکی و بسیاری موارد دیگر باشد.

 

درجه TA3 (استاندارد آمریکایی Gr3).

 

این درجه حداقل از نمرات تیتانیوم خالص تجاری استفاده می کند، اما این باعث نمی شود ارزش آن کمتر شود. گرید TA3 از گریدهای TA1 و TA2 قوی تر است، با شکل پذیری مشابه و فقط شکل پذیری اندکی - اما خواص مکانیکی بالاتری نسبت به پیشینیان خود دارد. درجه TA3 در کاربردهایی که به استحکام متوسط ​​و مقاومت در برابر خوردگی اولیه نیاز دارند، مانند هوا فضا، پردازش شیمیایی، صنایع دریایی و غیره استفاده می شود.

 

گرید TA4 (استاندارد آمریکایی Gr4).

 

گرید TA4 از بین چهار تیتانیوم خالص تجاری قوی ترین در نظر گرفته می شود. همچنین به دلیل مقاومت در برابر خوردگی عالی، شکل پذیری خوب و جوش پذیری شناخته شده است. در برخی از اجزای بدنه هواپیما، مخازن برودتی، مبدل های حرارتی و سایر کاربردهایی که نیاز به وضوح بالا دارند استفاده می شود.

 

درجه TA9 (استاندارد آمریکایی Gr7).

 

درجه TA9 از نظر مکانیکی و فیزیکی معادل درجه TA2 است، با این تفاوت که عنصر بینابینی پالادیوم برای تبدیل آن به آلیاژ اضافه می شود. درجه 7 جوش پذیری و خواص عالی دارد و در بین تمام آلیاژهای تیتانیوم مقاوم ترین در برابر خوردگی است. در واقع، در بین اسیدهای کاهنده، مقاوم ترین در برابر خوردگی است. درجه TA9 برای فرآیندهای شیمیایی و اجزای تجهیزات تولید استفاده می شود. TA9 دارای مقاومت بسیار قوی در برابر خوردگی، به ویژه در محیط های اسیدی کاهش دهنده است.

 

درجه TA9-1 (Gr11 استاندارد آمریکایی).

 

گرید TA9-1 بسیار شبیه به گرید TA1 است، با این تفاوت که مقدار کمی پالادیوم برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی به آن اضافه می‌شود و آن را تبدیل به یک آلیاژ می‌کند. از این مقاومت در برابر خوردگی می توان برای جلوگیری از خوردگی شکافی و کاهش اسیدها در محیط های کلرید استفاده کرد. سایر خواص مفید عبارتند از شکل پذیری مطلوب، شکل پذیری سرد، استحکام مفید، چقرمگی ضربه و جوش پذیری عالی. این آلیاژ می تواند در همان کاربردهای تیتانیوم درجه 1 استفاده شود، به ویژه در مواردی که خوردگی مورد نظر است.

 

Ti 6Al-4V (استاندارد ملی TC4، استاندارد آمریکایی Gr5، مانند

ورق تیتانیوم درجه 5, صفحه تیتانیوم درجه 5, میله تیتانیوم درجه 5)

 

Ti 6Al-4V یا تیتانیوم درجه 5 که به عنوان "اسب کار" آلیاژهای تیتانیوم شناخته می‌شود، رایج‌ترین مورد استفاده در بین همه آلیاژهای تیتانیوم است. 50 درصد از کل مصرف تیتانیوم در جهان را تشکیل می دهد. کاربرد آن در مزایای فراوان آن نهفته است. Ti 6Al-4V را می توان برای افزایش استحکام آن تحت عملیات حرارتی قرار داد. این آلیاژ را می توان در سازه های جوش داده شده در دمای سرویس تا 600 درجه فارنهایت استفاده کرد. این آلیاژ دارای استحکام بالا برای وزن سبک، شکل پذیری مفید و مقاومت در برابر خوردگی بالا است. در دسترس بودن Ti 6AI{8}}V آن را به آلیاژی بهینه برای استفاده در چندین صنعت مانند صنایع هوافضا، پزشکی، دریایی و صنایع شیمیایی تبدیل می‌کند. می توان از آن برای ایجاد محتوای فنی زیر استفاده کرد:

 

• توربین هواپیما

 

• اجزای موتور

 

• اجزای ساختاری هواپیما

 

• بست های هوافضا

 

• قطعات اتوماتیک با کارایی بالا

 

• برنامه های کاربردی دریایی

 

• تجهیزات ورزشی

 

Ti{0}}AL{{1}V ELI نوار تیتانیوم (استاندارد ملی TC4ELI، استاندارد آمریکایی Gr23) درجه

 

Ti 6AL-4V ELI یا درجه TC4ELI یک نوع خلوص بالاتر از Ti 6Al-4V است. می توان آن را به صورت سیم پیچ، سیم رشته ای، سیم یا سیم مسطح ساخت. این اولین انتخاب در هر جایی است که به استحکام بالا، وزن سبک، مقاومت در برابر خوردگی خوب و چقرمگی بالا نیاز است. تحمل آسیب بسیار خوبی نسبت به سایر آلیاژها دارد. این مزایا درجه TC4ELI را به بهترین درجه دندانی و پزشکی تیتانیوم تبدیل می کند. به دلیل زیست سازگاری، استحکام خستگی خوب و مدول کم، می توان از آن در کاربردهای زیست پزشکی مانند قطعات قابل کاشت استفاده کرد. همچنین می تواند برای اعمال جراحی دقیق مانند:

 

• پین و پیچ ارتوپدی

 

• کابل های ارتوپدی

 

• گیره لیگاتور

 

• کاشت جراحی

 

• وسایل ارتودنسی

 

• در تعویض مفصل

 

• ظرف برودتی

 

• دستگاه های تثبیت استخوان

 

گرید TA10 (استاندارد آمریکایی Gr12).

 

تیتانیوم گرید TA10 به دلیل قابلیت جوش پذیری با کیفیت بالا دارای درجه "عالی" است. این یک آلیاژ بسیار بادوام است که استحکام زیادی در دماهای بالا ایجاد می کند. تیتانیوم درجه TA10 خواصی مشابه فولادهای زنگ نزن سری 300 دارد. این آلیاژ می تواند به صورت گرم یا سرد با استفاده از فرم دهی پرس، هیدروفرمینگ، شکل دهی کششی یا وزن قطره ای تشکیل شود. توانایی شکل گیری آن به روش های مختلف باعث می شود در بسیاری از برنامه ها مفید باشد. مقاومت بالای این آلیاژ در برابر خوردگی نیز آن را برای آن دسته از تجهیزات تولیدی که در آن خوردگی شکاف نگران کننده است، ارزشمند می کند. درجه TA10 را می توان در صنایع و برنامه های زیر استفاده کرد:

 

• پوسته و مبدل حرارتی

 

• کاربرد هیدرومتالورژیکی

 

• تولید مواد شیمیایی با دمای بالا

 

• قطعات حمل و نقل هوایی و خطوط هوایی

 

Ti 5Al-2.5Sn

 

Ti 5Al-2.5Sn یک آلیاژ غیر قابل عملیات حرارتی است که می تواند جوش پذیری و پایداری خوبی داشته باشد. همچنین دارای پایداری در دمای بالا، استحکام بالا، مقاومت در برابر خوردگی خوب و مقاومت در برابر خزش است. خزش به پدیده کرنش پلاستیک در دمای بالا برای مدت طولانی اشاره دارد. Ti 5Al-2.5Sn عمدتاً در کاربردهای هواپیما و بدنه هواپیما و برنامه های برودتی استفاده می شود.