متالورژی تیتانیوم

تعداد بازدید: 3527
چهارشنبه 03 دي 1393

تیتانیوم

تیتانیوم (Titanium) از کلمه تیتان (Titan) پسر قدرتمند زمین در افسانه یونان بر گرفته شده است. 

titan$تاریخچه تیتانیوم$titanium history

تیتانیوم بعد از آلومینیوم، آهن و منیزیم، چهارمین فلز فراوان در پوسته زمین ( تقریباً برابر با 0.86%) است.

این فلز به صورت آزاد در طبیعت یافت نمی شود. فلز خالص تیتانیوم از اکسید های الیمنیت (FeTiO3) و روتایل (TiO2) تولید می شود. 

الیمینیت$سنگ معدن تیتانیوم$ilmenite  روتایل$سنگ معدن تیتانیوم$rutile

خواص فیزیکی تیتانیوم

تیتانیوم به دو صورت کریستالی وجود دارد. اولی در دمای محیط پایدار است که فاز آلفا (α) نامیده شده و ساختار HCP دارد. دومی در دمای بالا پایدار بوده، ساختار BCC داشته و فاز بتا (β) نامیده می­شود. در تیتانیوم خالص فاز آلفا تا دمای  ۸۸۲ دجه سانتیگراد که دمای انتقال به فاز بتا است، پایدار می­باشد. فاز بتا نیز از این دما تا دمای ذوب تیتانیوم یعنی 1667 درجه سانتیگراد پایدار است. 

خواص فیزیکی تیتانیوم

HCP (˂882.5˚C)

BCC (˃882.5˚C)

ساختار کریستالی

47.1 (Å)

شعاع اتمی

4.54 (g.cm-3)

دانسیته

1667 ˚C

نقطه ذوب

دارای تحول آلوتروپیک (α → β) در دمای 882.5 درجه سانتیگراد.

ساختارکریستالی تیتانیوم$فاز آلفا$فاز بتا$Alpha titanium$beta titanium

واکنش پذیری بالا با اکسیژن، نیتروژن، کربن و هیدروژن.

فرآیند استخراج مشکل و گران قیمت.

عموماً در کاربردهای پیشرفته و در مواردی که هزینه چندان مد نظر نباشد از تیتانیوم به صورت نوردی استفاده می شود.

دارای استحکام و چقرمگی بالا.

 

کاربرد تیتانیوم درصنعت هوافضا

دلایل اصلی استفاده از آلیاژهای تیتانیوم برای کاربرد های هوافضا به قرار زیر است:

  • کاهش وزن: نسبت استحکام به وزن بالای آلیاژهای تیتانیوم اجازه می­دهد که این آلیاژها در بسیاری از کاربرد­هایی که به استحکام و چقرمگی شکست بالا نیاز است، جایگزین فولاد شوند. با چگالی 4.5 (g/cm3)، آلیاژهای تیتانیوم تقریباً یک دوم وزن فولاد ها و سوپر آلیاژهای پایه نیکل را دارند، بنابراین نسبت استحکام به وزن آن‌ ها بسیار عالی است.
  • استحکام خستگی: آلیاژهای تیتانیوم استحکام خستگی بسیار بیشتری نسبت به آلیاژهای آلومینیوم دارند و در بدنه ی هواپیما های جنگنده استفاده می شوند.
  • توانایی کار در دمای بالا: هنگامی که دمای کاری در حدود ۱۳۲ درجه سانتیگراد افزایش می­یابد، آلیاژهای آلومینیوم افت شدید استحکام از خود نشان می دهند که در این شرایط استفاده از آلیاژهای تیتانیوم کاربرد بیشتری دارد.
  • مقاومت به خوردگی: مقاومت به خوردگی آلیاژهای تیتانیوم بسیار بالاتر از آلیاژهای آلومینیوم و فولاد است.

در موتورهای هواپیما نه فقط به دلیل کاهش وزن و افزایش بهره­ وری قطعات، بلکه بدین علت که لازم است مقاومت خوبی در برابر سوختن (Burn Resistance) داشته باشند، آلیاژهای تیتانیوم جایگزین سوپر آلیاژهای پایه نیکل شده­ اند. 

تولید آلیاژهای تیتانیوم

فرآیند استخراج از سنگ معدن

  • روش کرول (Kroll)

فرآیند ذوب

  • تصفیه الکترواسلگ (ElectroSlag Refining : ESR)
  • ذوب مجدد قوسی تحت خلاء (Vacuum Are Remelting : VAR)
  • ذوب تحت پرتو الکترونی (Electron Beam Melting)
  • ذوب با قوس پلاسما (Plasma Arc Melting)
  • ذوب پوسته ای به روش القایی (Induction Skull Melting)

فرآیند ریخته گری

فرآیند شکل دهی

عملیات حرارتی 

استخراج تیتانیوم

سنگ معدن تیتانیوم (TiO2) به روش زیر به تیتانیوم اسفنجی تبدیل می شود:

1- عبور دادن گاز کلر (Cl2) از میان مواد شارژی سنگ معدن به همراه کک. این امر منجر به تشکیل تتراکلرید تیتانیوم (TiCl4) می گردد.

TiO2 + 2Cl2 + C TiCl4 + CO2

TiCl4 - 2 به روش تقطیر جزئی خالص سازی می شود.

TiCl4 - 3 مایع در معرض یکی از عناصر منیزیم (Mg) یا سدیم (Na) تحت گاز خنثی آرگون (Ar) قرار داده می شود تا تیتانیوم اسفنجی طبق رابطه زیر بدست آید:

2Mg (l) + TiCl4 (l) → 2MgCl2 (l) + Ti(s)

استخراج تیتانیوم$روش کرول$سنگ معدن تیتانیوم$titanium extraction$kroll process

ذوب آلیاژهای تیتانیوم

به دلیل واکنش­ پذیری بالای آلیاژهای تیتانیوم با اکسیژن مخصوصاً در دماهای بالا، روش­های مختلفی برای ذوب و آلیاژسازی آن­ها ارائه شده است. از جمله این روش ها که هم به منظور ذوب و هم تصفیه آلیاژهای تیتانیوم استفاده می شوند، فرآیندهای ESR و VAR هستند.

روش ESR

  • شمش پیوسته به عنوان الکترود اولیه در این روش استفاده می شود. یک سر این شمش درون حوضچه سرباره قرار دارد که با جریان متناوب گرم می شود.
  • فلز ذوب شده با سرباره مذابی که با ترکیب آلیاژ مطابقت دارد، واکنش می کند.
  • قطرات فلز مذاب مورد نظر چکیده شده و از میان حوضچه سرباره عبور می کند تا حوضچه فلز مذاب ایجاد شود. این حوضچه کم کم منجمد شده و شمش ESR تولید می شود.
  • آخال ها و ناخالصی های موجود در شمش اولیه هنگام واکنش با سرباره وارد حوضچه سرباره شده و بدین ترتیب شمش تولیدی تصفیه می شود. 

روش ذوب با سرباره الکتریکی$ذوب تیتانیوم$ESR$electroslage remelting

روش VAR

  • تیتانیوم اسفنجی و عناصر آلیاژی با هم مخلوط شده و با پرس هیدرولیک فشرده شده و بلوک های کوچکی از آلیاژ تیتانیوم حاصل می شود.
  • تیتانیوم برگشتی و قراضه نیز برای ساختن الکترود مناسب است.
  • بلوک ها به هم جوش داده می شوند تا یک الکترود تیتانیوم آلیاژی تولید گردد.
  • این الکترود به عنوان ماده اولیه در روش VAR مورد استفاده قرار می گیرد.
  • این الکترود دو یا سه با با روش VAR ذوب می گردد تا یک شمش تیتانیوم آلیاژی با کیفیت قابل قبول حاصل گردد. 

ذوب تیتانیوم$استخراج تیتانیوم$تصفیه تیتانیوم$VAR process$titanium refining

شکل دهی آلیاژهای تیتانیوم

اغلب قطعات تیتانیومی به روش نورد، آهنگری یا اکستروژن تولید می شوند. اصولاً آلیاژهای تیتانیوم دارای تنش سیلانی بالاتری نسبت به آلیاژهای آلومینیوم و فولاد هستند. بنابراین برای آهنگری این دسته از مواد به فشار آهنگری بیشتری نیاز است. می توان با آهنگری مواد تیتانیومی قطعاتی نزدیک به شکل واقعی شان را تولید کرد.

ورقه های تیتانیوم آلیاژی را نیز می توان به روش نورد تولید نمود. برای این منظور نورد گرم در دمایی بالاتر از دمای تحول بتا روی آلیاژهای تیتانیوم انجام می گیرد. زیرا فاز بتا به دلیل دارا بودن ساختار BCC شکل پذیری راحت تری نسبت به فاز آلفا دارد.

می توان برای بالا بردن استحکام ورقه های تولیدی پس از انجام نورد، آن ها را تحت عملیات حرارتی قرار داد. رسوب فاز آلفا منجر به افزایش استحکام در این مواد می گردد.

بنابراین بسته به شکل مورد نیاز از مواد می توان روش شکل دهی را انتخاب نمود.  

نورد آلیاژهای تیتانیوم$فورج آلیاژهای تیتانیوم$آهنگری آلیاژهای تیتانیوم$titanium alloys forming

عملیات حرارتی آلیاژهای تیتانیوم

عملیات حرارتی اساساً برای آلیاژهای تیتانیوم آلفا + بتا و آلیاژهای تیتانیوم بتا کاربرد دارد. زیرا تحول α β در این دسته از آلیاژها وجود دارد.

  • استحکام آلیاژهای آنیل شده با افزایش محتوی آلیاژ، به صورت تدریجی و خطی افزایش می یابد.
  • کوئنچ کردن آلیاژ از زمینه حاوی فاز بتا باعث وقوع یک تحول مارتنزیتیک شده و عملاً باعث افزایش استحکام می شود.
  • برای آلیاژهای تیتانیوم با مقادیر عناصر آلیاژی کم، کوئنچ کردن سریع از زمینه حاوی فاز بتا منجر به استحکام ماکزیمم در Mf می گردد.
  • برای آلیاژهای تیتانیوم با مقادیر عناصر آلیاژی بالا، کوئنچ کردن سریع از زمینه فازی بتا منجر به حصول پایین ترین سطح استحکام می شود. اما بعد از انجام فرآیند پیرسازی روی همان آلیاژ، استحکام ماکزیمم حاصل می شود. 

عملیات حرارتی آلیاژهای تیتانیوم$heat treatment of titanium alloys

عملیات حرارتی آلیاژهای تیتانیوم شامل فرآیندهای زیر است:

1- تنش زدایی

2- آنیل کردن

3- محلول سازی و پیرسازی

فرآیند تنش زدایی و آنیل را می توان روی همه آلیاژهای تیتانیوم اعمال کرد اما تنها آلیاژهای آلفا + بتا و آلیاژهای بتا قابلیت عملیات محلول سازی و پیرسازی را به منظور افزایش استحکام دارا هستند.

از آنجایی که آلیاژهای آلفا و نزدیک به آلفا دارای تحول فازی α β نیستند، لذا قادر به استحکام پذیری توسط فرآیند محلول سازی و پیرسازی (STA) نیستند. میزان فاز بتا در آلیاژهای تیتانیوم تعیین کننده میزان قابلیت عملیات حرارتی پذیری آن ها می باشد. به همین دلیل آلیاژهای تیتانیومی که مقدار فاز بتای بیشتری دارند را می توان با اعمال عملیات STA به سطوح بالای استحکام رساند.

1- تنش زدایی

تنش زدایی به منظور حذف تنش های باقیمانده که در اثر فرآیندهای همچون کار مکانیکی ، جوشکاری، سرد شدن پس از ریخته گری ، ماشینکاری و عملیات حرارتی در نمونه ها ایجاد می شوند، انجام می گیرد.

البته چنانچه قرار باشد روی نمونه ها فرآیندهای آنیل و محلول سازی انجام شود، سیکل تنش زدایی قابل حذف است. تنش زدایی بدون تأثیرگذاری روی استحکام و داکتیلیته قابل انجام برای همه آلیاژهای تیتانیوم است. دمای تنش زدایی برای آلیاژهای آلفا و نزدیک به آلفای تیتانیوم در محدوده 454 – 816 ˚C است.

2- فرآیند آنیل

فرآیند آنیل مشابه فرآیند تنش زدایی است با این تفاوت که این فرآیند در دماهای بالا انجام می گردد و بدین ترتیب تمامی تنش های باقیمانده را خذف کرده و روی فرآیند کارسرد بعدی چنانچه قرار باشد روی نمونه ها انجام شود تأثیر گذار است.

انواع متداول روش های آنیل کردن آلیاژهای تیتانیوم شامل میل آنیل (mill anneal)، آنیل دو مرحله ای (duplex anneal)، آنیل همراه با تبلور مجدد (recrystallization anneal) و بتا آنیل (beta anneal) است که در زیر شرح مختصری از هریک از فرایندها آورده شده است:

  • میل آنیل: فرآیند آنیل کامل نمی باشد و پس از انجام آن ممکن است آثاری از کار سرد یا گرم که در نتیجه اعمال کار سنگین روی آلیاژ ایجاد شده است، باقی بماند به خصوص در مورد ورقه ها. برای مثال فرآیند میل آنیل برای آلیاژ Ti-6-4 در محدوده دمایی 704 – 782 ˚C و به مدت زمان حداقل یک ساعت انجام می پذیرد.

نکته: آلیاژهای بتای تیتانیوم را میل آنیل نمی کنند. زیرا این آلیاژها در دماهای بالا در شرایط تعادلی قرار نداشته و امکان ایجاد رسوبات ترد در آن ها وجود دارد.

  • آنیل دو  مرحله ای: این فرآیند به منظور افزایش مقاومت به خزش در آلیاژهای دما بالا مثل آلیاژ Ti-6242S ،انجام می شود. این فرآیند شامل دو مرحله بوده که مرحله ابتدایی آن یک فرآیند آنیل در محدوده بالاتر از زمینه آلفا+بتا و سرد کردن در هوا است. مرحله دوم شامل انجام فرآیند آنیل در دمایی پایین تر از دمای مرحله اول به منظور ایجاد پایداری حرارتی در نمونه، سپس انجام فرآیند پیرسازی و سرد کردن در هوا می باشد.
  • آنیل همراه با تبلور مجدد: انجام این فرآیند باعث بهبود تافنس شکست در آلیاژهای تیتانیوم می گردد. قطعات تا دمای بالاتر از محدوده فاز آلفا+بتا حرارت داده می شوند، سپس برای یک دوره زمانی در آن دما نگهداری شده و بعد از آن به آرامی سرد می شوند.
  • بتا آنیل: در این فرآیند آنیل کردن در دمایی بالاتر از دمای تحول بتا و سپس سرد کردن در هوا یا در آب انجام می پذیرد. این عمل به منظور ایجاد فاز آلفا در مرز دانه های بتا انجام می شود. این ساختار دارای ماکزیمم تافنس شکست و کاهش قابل ملاحظه استحکام خستگی است.

3- محلول سازی و پیرسازی

هدف از انجام عملیات محلولی تبدیل بخشی از فاز آلفا به فاز بتا و سپس سرد کردن سریع نمونه برای حفظ مابقی فاز بتا در دمای محیط است. حین پیرسازی، رسوبات آلفا از فاز بتای باقیمانده در ساختار تشکیل می شوند. عملیات محلولی شامل حرارت دهی نمونه ها تا بالاتر از محدوده دوفازی آلفا+بتا سپس سرد کردن است. نرخ سرد کردن نمونه ها پس از عملیات حرارتی اثر ویژه ای روی استحکام آلیاژهای آلفا+بتا دارد. برای اغلب آلیاژهای آلفا+بتا، سرد کردن در آب یا سرد کردن تعادلی لازم است تا سطح استحکام مطلوب حاصل شود.

پیرسازی آلیاژهای تیتانیوم شامل حرارت دهی مجدد در محدوده 427 – 647 ˚C در نمونه های محلول سازی شده است. سیکل متداول STA برای آلیاژ Ti-6-4، عملیات محلولی در محدوده دمایی 904 – 927 ˚C، سرد کردن در آب، پیرسازی در 538 ˚C به مدت 4 ساعت و سپس سرد کردن در هوا است. 

نام عملیات حرارتی سیکل عملیات حرارتی ساختار پس از عملیات حرارتی
آنیل دو مرحله ای عملیات محلولی در 75-50 درجه سانتیگراد زیر دمای تحول بتا ، سرد کردن در هوا ، پیرسازی به مدت 8-2 ساعت در 675-540 درجه سانتیگراد آلفای اولیه ، نواحی ویدمن اشتاتن آلفا - بتا
محلول سازی و پیر سازی عملیات محلولی در حدود 40 درجه سانتیگراد زیر دمای تحول بتا ، سرد کردن در آب ، پیرسازی به مدت 8-2 ساعت در 675-535 درجه سانتیگراد آلفای اولیه ، آلفا یا آلفا پرایم تمپر شده ، مخلوط آلفا - بتا
بتا آنیل محلول سازی در 15 درجه سانتیگراد زیر دمای تحول بتا ، سرد کردن در هوا و نگهداری در دمای 760-650درجه سانتیگراد به مدت 2 ساعت کلونی های ویدمن اشتاتن آلفا - بتا
آنیل همراه با تبلور مجدد حرارت دهی در 925 درجه سانتیگراد برای 4 ساعت ، سرد کردن با نرخ 50 درجه بر ساعت تا دمای 760 درجه سانتیگراد ، سرد کردن در هوا آلفای هم محور همراه با بتا در مرز دانه های سه گوش
میل آنیل کار گرم در زمینه آلفا - بتا ، آنیل در 705 درجه سانتیگراد به مدت 30 دقیقه تا چندین ساعت ، سرد کردن در هوا آلفا تبلورمجدد یافته ناکامل همراه با کسر حجمی کم از ذرات کوچک بتا

منابع و پیوندها

گردآوری شده توسط دپارتمان پژوهشی شرکت پاکمن

Titanium (Engineering Materials and Processes), Gerd Lutjering, Springer, Ed 2, (2007)

Manufacturing Technology for Aerospace Structural Materials, F.C. Campbell, Elsevier, Ed 1, (2006)

Titanium Production for Aerospace Application, Vinicius A. R. Henriques, Journal of Aerospace Technology and Management, (2009)

برداشت از مطالب سایت با ذکر منبع بلامانع است

تیتانیوم
تولید تیتانیوم
فرآوری تیتانیوم
Titanium
برچسب ها: متالورژیشکل دهیغیر آهنیتیتانیمفلزات غیر آهنیآلیاژهای غیر آهنی
بیست و یکمین نمایشگاه بین المللی ساختمان و صنایع سرمایشی و گرمایشی مشهد 97
بیست و یکمین نمایشگاه بین المللی ساختمان و تاسیسات سرمایشی گرمایشی مشهد 97 &n ...بیشتر
هجدهمین نمایشگاه بین المللی صنعت ساختمان تهران 97
هجدهمین نمایشگاه بین المللی صنعت ساختمان تهران 97   ...بیشتر
تقویم نمایشگاه های بین المللی سال 1397
نمایشگاه به عنوان يكی از مهمترين بخش های تجاری و اقتصادی ایران با بهره مندی از ف ...بیشتر
بیست و سومین نمایشگاه بین المللی نفت، گاز، پالایش و پتروشیمی تهران 97
بیست و سومین نمایشگاه بین المللی نفت، گاز، پالایش و پتروشیمی تهران 97   ...بیشتر
بیست و یکمین دوره نمایشگاه بین المللی حرارتی، برودتی و سیستم های تهویه تبریز 97
بیست و یکمین دوره نمایشگاه بین المللی حرارتی، برودتی و سیستم های تهویه تبریز 97 ...بیشتر
هفدهمین همایش روز ملی حمایت از حقوق مصرف کنندگان
  درباره همایش با توجه به تغییر و تحولات هر کشوری در مسیر توسعه ا ...بیشتر
دریافت لوح تقدیر هفدهمین همایش روز ملی حمایت از حقوق مصرف کنندگان
پاکمن مفتخر به دریافت لوح تقدیر و گواهینامه هفدهمین همایش روز ملی حمایت از حقوق ...بیشتر
هشتمین دوره نمایشگاه ساختمان، برق، تاسیسات آب و فاضلاب اردبیل 96
عنوان: نمایشگاه ساختمان، برق، تاسیسات آب و فاضلاب اردبیل 96 شهر:  ...بیشتر
سومین کنفرانس ملی تهویه مطبوع و تاسیسات حرارتی و برودتی
عنوان: سومین کنفرانس ملی تهویه مطبوع و تاسیسات حرارتی و برودتی شهر: ق ...بیشتر
اولین نیروگاه خورشیدی یزد به بهره برداری رسید
اولین نیروگاه خورشیدی استان یزد با حضور اسحاق جهانگیری معاون اول رییس جمهور و جم ...بیشتر
دهمین دوره نمایشگاه بین المللی انرژی نو، تجدیدپذیر، بهره وری و صرفه جویی تهران 96
عنوان: دهمین دوره نمایشگاه بین المللی انرژی نو، تجدیدپذیر، بهره وری و صرفه ...بیشتر
راندمان بویلر
شاخص های مؤثر در محاسبات راندمان بویلر، یکی از اساسی ترین ضوابط مؤثر در ارتقا سط ...بیشتر
کتاب موتورخانه بخار شرکت پاکمن
سرشناسه: میرزازاده، قربانعلی، 1325 عنوان و نام پدید آور: موتورخانه بخار/ ق ...بیشتر
مقررات ملّي ساختمان ايران مبحث نوزدهم
دانلود فایل PDF مقررات ملی ساختمان ایران-مبحث نوزدهم-صرفه جویی در مصرف انرژی ...بیشتر
راه اندازی سختی گیر نیمه اتوماتیک رزینی
دستور العمل راه اندازی سختی گیر های نیمه اتوماتیک رزینی سختی گیرهای رزینی از ...بیشتر
جانمایی بویلر در موتورخانه
براي عملکرد مناسب بويلرها و تجهيزات وابسته بايد فضاي کافي را در موتورخانه به آن ...بیشتر
کتاب انتخاب بویلر شرکت پاکمن
سرشناسه: میرزازاده، قربانعلی، 1325 عنوان و نام پدید آور: انتخاب بویلر/ قرب ...بیشتر
مراحل آموزش و نگهداری دیگ های بخار سیار
مقدمه از دیرباز استفاده از تجهیزات مولد بخار در صنایع مختلف از جمله صنایع نفت ...بیشتر
معرفی کتابچه دیگ آبگرم شرکت پاکمن
راه اندازی آموزش و بهره برداری از   Hot Water Boilers   ...بیشتر
معرفی کتابچه موتور خانه استخر
نام مقاله: کتابچه موتور خانه استخر نام نویسنده: دپارتمان پژوهش شرکت پاکمن ...بیشتر
دستور العمل نصب، نگهداری و راه اندازی بویلر بخار
دستور العمل نصب، نگهداری و راه اندازی بویلر بخار براي استفاده بهينه از بویلر ...بیشتر