آلیاژهای تیتانیوم

دسته بندی آلیاژهای تیتانیوم

آلیاژهای تیتانیوم (Titanium Alloys) بر حسب مقدار فاز های آلفا و بتا که در دمای محیط در ساختار شان وجود دارند به سه دسته اصلی تقسیم می شوند:

• تیتانیوم خالص تجاری، تیتانیوم آلفا و نزدیک به آلفا
• آلیاژهای تیتانیوم آلفا – بتا
• آلیاژهای تیتانیوم بتا

بر اساس این تقسیم بندی آلیاژهای آلفا در دمای محیط حاوی فاز بتا نمی باشند در حالی که آلیاژهای نزدیک به آلفا مقدار کمی فاز بتا دارند. آلیاژهای آلفا-بتا آلیاژی دوفازی هستند که هر دو فاز آلفا و بتا را شامل می شوند. در دمای محیط، تیتانیوم خالص تجاری حاوی فاز اولیه آلفا است. وقتی عناصر آلیاژی به تیتانیوم افزوده می شوند، همان­ طورکه در شکل زیر نشان داده شده است، منجر به تغییر در مقدار درصد هر کدام از فازها و دمای تبدیل فاز آلفا به بتا می شود.

آلیاژهای تیتانیوم خالص تجاری

1. دارای خلوص 99.0 – 99.5%، ساختار هگزاگونال
2. عناصر اصلی در تیتانیوم غیر آلیاژی آهن و عناصر بین نشین مثل کربن، اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن هستند.
3. مقدار اکسیژن در ساختار، گرید (grade) و استحکام تیتانیوم را تعیین می کند.
4. حضور کربن، نیتروژن و هیدروژن به عنوان ناخالصی محسوب می شود. علی الخصوص هیدروژن که منجر به تردی آلیاژ می گردد.

میزان اکسیژن معادل در این گروه از آلیاژهای تیتانیوم از رابطه زیر بدست می آیند:

%O _equiv = %O + 2.0%N + 0.67%C

خواص:

• استحکام پایین، بسته به میزان اکسیژن و نیتروژن موجود در آلیاژ
• مقاوم در برابر خوردگی در اسید نیتریک
• افزودن 0.2% Pd منجر به بهبود مقاومت به خوردگی در HCl, H₂SO₄ و H₃PO₄
• ارزان قیمت

کاربرد:

آلیاژهای تیتانیوم آلفا

1. عناصر پایدارکننده فاز آلفا، انحلال پذیری بالایی در فاز آلفا داشته و منجر به افزایش دمای تحول بتا می شوند.
2. آلومینیوم و اکسیژن از جمله عناصر متداول پایدارکننده فاز آلفا هستند که منجر به افزایش استحکام آلیاژ از طریق مکانیزم استحکام بخشی محلولی می شوند. بنابراین آلیاژهای تک فازی که فقط حاوی فاز آلفا هستند را نمی­ توان توسط عملیات حرارتی استحکام­ دهی کرد.
3. مقدار 5-6% آلومینیوم باعث رسوب پراکنده فاز منظم α₂ می شود. این فاز با شبکه کریستالی فاز زمینه هم سیما بوده و منجر به کاهش داکتیلیته آلیاژ می شود.
4. مقادیر کم قلع و زیرکونیوم به این گروه از آلیاژهای تیتانیوم افزوده می شوند چرا که هم پایدارکننده فاز آلفا بوده و هم باعث افزایش استحکام می شوند. 

در این گروه از آلیاژهای تیتانیوم، مقدار عناصر پایدارکننده فاز آلفا بر اساس مقدار "آلومینیوم معادل" نباید از 9% تجاوز کند چرا که منجر به تردی آلیاژ می شود. 

%Al _equiv = Al + 1/3Sn + 1/6Zr + 10(O + C + 2N) ≤ 9%

خواص:

• استحکام متوسط بسته به میزان اکسیژن و آلومینیوم در آلیاژ
• افزودن آلومینیوم منجر به کاهش چگالی آلیاژ می شود
• مقاومت مناسب در برابر اکسیداسیون در محدوده دمایی 316 – 593 ˚C

کاربرد:

آلیاژهای تیتانیوم نزدیک به آلفا

تفاوت آلیاژهای آلفا و نزدیک به آلفا در وجود مقدار جزئی فاز بتا در آلیاژهای نزدیک به آلفا است. مقادیر کم از عناصر مولیبدن و وانادیم به این گروه از آلیاژهای تیتانیوم افزوده می شود. از آنجایی که این عناصر باعث حفظ استحکام در دمای بالا شده و منجر به مقاومت به خزش بالا در آلیاژهای تیتانیوم می­ گردند، از آن‌ها اغلب در کاربردهای دما بالا استفاده می­ شوند.

خواص:

• به دلیل محدودیت سیستم­ های لغزش در ساختار HCP فاز آلفا داکتیلیته کمتری داشته و تغییر شکل آن نسبت به فاز بتا که ساختار آن BCC است، دشوارتر است.
• استحکام تقریباً بالا در دمای محیط و داکتیلیته نسبتاً خوب (15%)
• چقرمگی بالا و مقاومت به {{خزش}ج در دمای بالا
• جوش پذیری خوب
• مقاومت به خوردگی در محیط های آبی نمک دار

کاربرد:

آلیاژهای تیتانیوم آلفا – بتا

آلیاژهای که همزمان حاوی فازهای آلفا و بتا هستند را آلیاژهای تیتانیوم آلفا – بتا می نامند. چنانچه عناصر آلیاژی پایدارکننده فاز آلفا و فاز بتا در آلیاژ وجود داشته باشند، منجر به تولید ساختار دوفازی می گردند. از این میان آلیاژ Ti-6Al-4V، کاربرد فراوانی دارد. در این آلیاژ آلومینیوم منجر به پایداری فاز آلفا و وانادیوم باعث پایداری فاز بتا می­ شود.

خواص:

• آلیاژهای آلفا - بتا بهترین خواص مکانیکی را بین آلیاژهای تیتانیوم را دارند
• در مقایسه با آلیاژهای آلفا و نزدیک به آلفا، می­ توان استحکام آلیاژهای آلفا-بتا را توسط عملیات حرارتی افزایش داد
• عملیات حرارتی پذیری آن‌ها به آلیاژهای تکفاز بتا نمی­ رسد
• آلیاژهای آلفا-بتا، استحکام مناسبی در دمای محیط و برای مدت زمان کوتاه در دمای بالا دارند
• قابلیت جوشکاری این آلیاژها به دلیل ریزساختار دوفازی آن‌ها ضعیف است

کاربرد: 

آلیاژهای تیتانیوم بتا

عناصری که دمای تبدیل فاز آلفا به بتا را کاهش دهند، پایدارکننده­ فاز بتا نامیده می­ شوند. این عناصر به دو دسته تقسیم می­ شوند:

1- عناصر ایزومورفوس بتا

2- عناصر یوتکتوئید بتا

آن­هایی که حلالیت بالاتری در تیتانیوم دارند را عناصر ایزومورفوس بتا (Beta Isomorphous Element) و عناصری که حلالیت کمی در تیتانیوم دارند و باعث تشکیل ترکیبات بین فلزی می­ شوند را عناصر یوتکتوئید بتا (Beta Eutectoid Element) می ­نامند. گروه اول هم­چون مولیبدن، وانادیم، نیوبیوم و تانتالیوم بوده وگروه دوم شامل منگنز، کروم، سیلیسیوم، آهن، کبالت، نیکل و مس هستند.

از نظر یک تقسیم بندی دیگر آلیاژهای تیتانیوم بتا با توجه به میزان پایداری فاز بتا، به دو گروه تقسیم می شوند:

1- آلیاژهای تیتانیوم شبه پایدار بتا

2- آلیاژهای تیتانیوم پایدار بتا

میزان پایداری فاز بتا در آلیاژهای تیتانیوم با توجه به مقدار "مولیبدن معادل" تعیین می گردد:

%Mo _equiv = 1.0Mo + 0.67V + 0.44W – 0.28Nb + 0.22Ta + 1.6Cr – 1.0Al

چنانچه مقدار مولیبدن معادل در این آلیاژها کمتر از عدد 25 شود، آن آلیاژ شبه پایدار بتا خواهد بود. و چنانچه مقدار مولیبدن معادل در محدود 25-40 شود، آلیاژ پایدار بتا است.

خواص:

• آلیاژهای بتا حاوی درصد بالایی از فاز بتای BCC هستند
• افزایش قابلیت عملیات حرارتی پذیری
• داکتیلیته بالاتر در شرایط آنیل شده
• شکل­ پذیری بهتر آن‌ ها نسبت به آلیاژهای آلفا یا آلفا - بتا
• دارای قابلیت جوشکاری مناسب
• چقرمگی شکست بالا
• نرخ رشد ترک خستگی مناسب

کاربرد:

منابع و پیوندها

گردآوری شده توسط دپارتمان پژوهشی شرکت پاکمن

Titanium and its alloys, Suranaree University of Technology, (2007)

Titanium Alloys Guide, RMI Titanium Company, (2000)

Alloying: understanding the basics, J.R. Davis, ASM International, (2001)

برداشت از مطالب سایت با ذکر منبع بلامانع است