انواع گرید تیتانیم

آلیاژهای تیتانیوم، رده ای از آلیاژهای سبک هستند که عنصر اصلی سازنده آن ها تیتانیوم است. این رده از آلیاژها علاوه بر استحکام کششی و چقرمگی بالا، از مقاومت به خوردگی و خزش بی نظیری نیز برخوردارند. اما هزینه بالای تولید و پردازش آن ها مانع از اقبال عمومی در تمامی صنایع شده و تنها کاربرد آن ها را به صنایع نظامی، هوافضا، برخی تجهیزات پزشکی و ایمپلنت ها و برخی تجهیزات الکترونیکی محدود ساخته است.

اگرچه تیتانیوم خالص تجاری دارای خواص مکانیکی قابل قبولی برای برخی کابردها از جمله ایمپلنت های دندانی است، اما برای بهبود خواص تیتانیوم، آن را با برخی عناصر دیگر همچون آلومینیوم و وانادیوم آلیاژ می کنند. آلیاژ سازی در آلیاژهای تیتانیوم از روش های گوناگونی همچون تشکیل محلول جامد یا عملیات حرارتی می تواند باعث افزایش شدید خواصی همچون استحکام، سختی و چقرمگی در این فلزات شود.

انجمن مواد و آزمون آمریکا استانداردهایی را برای دسته بندی آلیاژهای تیتانیوم ارائه کرده است که از آن بین می توان به استاندارد میله ها و شمش های تیتانیومی و همچنین ASTM B2656 برای ورق ها و صفحات تیتانیومی اشاره کرد؛ شایان ذکر است که استانداردهای کمتر شناخته شده ای همانند ASTM B381 برای آلیاژهای مخصوص آهنگری یا استاندارد JIS H4600 نیز برای دسته بندی آلیاژهای تیتانیوم وجود دارد.

مشخصات و شرایط عملیات حرارتی بعضی از این آلیاژها بر اساس استاندادرهای ASTM B265/B348 مطابق زیر است آلیاژهای Ti در شرایط زیر عرضه می شوند:

گریدهای 5، 23، 24، 25، 29، 35 و 36 تحت عملیات آنیلینگ یا پیرسازی قرار می گیرند. گریدهای 9، 18، 28 و 38 کار سرد، تنش زدایی و آنیل می شوند. گریدهای 19، 20 و 21 نیز تحت عملیات انحلالی یا عملیات انحلالی و پیرسازی توأما قرار می گیرند.

گرید 1: انعطاف پذیرترین و نرم ترین آلیاژ تیتانیوم است. این آلیاژ گزینهٔ خوبی برای شکل دهی سرد و محیط های خورنده است.

گرید 2: تیتانیوم غیرآلیاژی، اکسیژن استاندارد.

گرید 3: تیتانیوم غیر آلیاژی، اکسیژن متوسط.

گریدهای 1 تا 4 غیرآلیاژی هستند و با نام خالص تجاری یا "CP" اطلاق می شوند. به طور کلی برای گریدهای خالص با افزایش شماره گرید، استحکام تسلیم و شکست افزایش می یابد. تفاوت در خواص فیزیکی آن ها اصولاً به مقادیر عناصر درون شبکه ای مربوط می شود. این گروه در جاهایی که مقاومت به خوردگی، هزینه، سهولت ساخت و قابلیت جوشکاری اهمّیّت دارند، به کار می روند.

گرید 5: که همچنین تحت عنوان Ti6Al4V یا Ti 6-4 شناخته می شود، پراستفاده ترین آلیاژ تیتانیوم می باشد و دارای ترکیب شمیایی 6٪ آلومینیم، 4٪ وانادیم، 0٫25٪ آهن، 0٫2٪ اکسیژن و تیتانیوم به عنوان عنصر اصلی می باشد.

این آلیاژ به طور قابل ملاحظه ای سخت تر از تیتانیوم خالص تجاری است در حالی که سفتی و خواص حرارتی یکسانی دارند.از جمله مزایای بسیار آن، قابلیت عملیات حرارتی است. این گرید ترکیبی از استحکام، مقاومت به خوردگی و قابلیت جوشکاری را ارائه می دهد.

این آلیاژ آلفا-بتا، اسب بارکش صنعت تیتانیوم است. آلیاژ مذکور تا اندازه مقطع 15 میلی متر قابلیت عملیات حرارتی دارد و تقریباً تا دمای 400 درجه سانتیگراد مورد استفاده است. این آلیاژ در ساخت بدنه هواپیماها، قطعات موتور، صنایع دریایی و به خصوص صنایع تولید نیرو استفاده می شود.

گرید 7 : حاوی 0٫12 تا 0٫25 درصد پالادیم است و مشابه گرید 2 است. مقدار کم پالادیم مقاومت به خوردگی آلیاژ در دماهای بالا و پایین را افزایش می دهد.گرید 7H مشابه گرید 7 است با مقاومت به خوردگی بالاتر.

گرید 9 : حاوی 3 درصد آلومینیم و 2٫5 درصد وانادیم است. این گرید هم قابلیت جوشکاری و ساخت آسان گریدهای خالص را دارد و هم استحکام بالای گرید 5. این آلیاژ معمولاً در ادوات هیدرولیک هواپیماها و تجهیزات ورزشی استفاده می شود.

گرید 11: حاوی 0٫12 تا 0٫25٪ پالادیوم است. این گرید مقاومت به خوردگی را افزایش داده است.

گرید 12: حاوی 0٫3 درصد مولیبدن و 0٫8 درصد نیکل است.

روش های ساخت و تولید آلیاژهای تیتانیوم

ماشین کاری

ماشین کاری آلیاژهای تیتانیوم به دلیل استحکام در دمای بالای آن، هدایت حرارتی بسیار پایین، مدول الاستیسیته نسبتاً کم و واکنش پذیری شیمیایی بالا بسیار دشوار است. مشکلات اصلی در ماشین کاری این آلیاژها که ناشی از خواص ذاتی ماده است، عبارتند از:

دمای برش بالا: بخش بزرگی از حرارت تولید شده هنگام ماشینکاری آلیاژ Ti6Al4V به ابزار انتقال می یابد. هدایت حرارتی کم آلیاژهای تیتانیوم سبب آن می شود که حرارت نتواند توسط جریان سریع براده و قطعه کار دفع نشود.

بررسی توزیع درجه حرارت در ماشین کاری آلیاژهای تیتانیوم نشان داده است که منطقه متأثر از حرارت در این آلیاژ به خاطر تشکیل براده های نازک تر بسیار کوچک تر است، طوری که دمای نوک ابزار به 1100 درجه سانتیگراد می رسد.

فشارهای برش بالا: اگرچه نیروهای برشی و توان مصرفی در حین ماشینکاری آلیاژهای تیتانیوم با فولادها یکسان یا حتی کمتر است، به دلیل سطح تماس کمتر براده و ابزار و تا حدودی مقاومت آلیاژ تیتانیوم در برابر تغییر شکل تنش های مکانیکی در مجاورت لبه ابزار بسیار بالاتر است.

چتر: پدیده چتر به عنوان یکی دیگر از مشکلات اصلی ماشینکاری آلیاژهای تیتانیوم به خصوص در حالت پرداخت مطرح است.

مدول الاستیسیته پایین آلیاژهای تیتانیوم علت اصلی چتر در حین ماشینکاری می باشد. هنگامی که آلیاژ در معرض فشار برش قرار می گیرد تا دو برابر فولاد کربنی تغییر شکل می یابد و یک حالت برگشت فنری قوی پشت لبه برشی به وجود می آید که به سایش زودرس ابزار، ارتعاش و دمای برش بالاتر می انجامداین ارتعاش ایجاد شده به صورت حرکت منقطع یا پرشی ابزار در ورود به منطقه برش ظاهر می شود که به نوعی تعریف پدیده چتر است.

جنس ماده ابزار: تیتانیوم و آلیاژهایش تقریباً با مواد تشکیل دهنده تمام ابزارهای متداول در دمای بالای 500 درجه سانتیگراد واکنش شیمیایی می دهد. علاوه براین، تمایل براده ها به جوش خوردگی در اثر فشار به ابزار و ایجاد سایش اصطلاحاً چسبنده، ضرورت انتخاب ابزار مناسب برای ماشینکاری آلیاژهای تیتانیوم را دوچندان کرده است.

معیارهای انتخاب ابزار:ماده ابزار در ماشینکاری آلیاژهای تیتانیوم باید ویژگی های زیر را داشته باشد