تیتانیوم چیست و چه کاربردی دارد

مقدمه :
تیتانیوم چیست و کاربرد آن در صنعت

تیتانیوم در 1790 کشف شد اما تا اوایل دهه 1900 مورد خالص سازی قرار نگرفت. بعلاوه، از این فلز تا نیمه دوم قرن بیستم بطور گسترده استفاده نشد. اما اکنون تیتانیوم دارای تجربه حدودا 50 ساله ای از استفاده صنعتی مدرن و طراحی برای پشتیبانی از کاربرد خود است. بیشتر این کاربرد در کاربردهای نظامی در هواپیما نظیر SR71 (شکل 1-1) یا موتورهای توربینهای گازی (شکل 1-2) بوده است. تازه ترین موارد استفاده آن شامل مواردی نظیر چوب گلف و دوچرخه میشود. بدلیل چگالی منحصربفرد، مقاومت به خوردگی و استحکام مناسب آن نسبت به مواد رقیب نظیر آلومینیوم، فولادها و سوپرآلیاژها، تیتانیوم جایگاه ویژه خود را در بسیاری از صنایع پیدا کرده است. برخی واقعیتهای مهم و/یا مزایای مهم آلیاژهای تیتانیوم، مبنای استفاده گسترده امروزه از تیانیوم را نشان میدهند:

تیتانیوم چیست و چه کاربردی دارد
تیتانیوم چیست

نکاتی در ارتباط با فلز تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم :

تیتانیوم چیست تیتانیوم و آلیاژهای آن فلزی است که به صورت شمش ، ورق ، مقاطع ، لوله ، سیم و … به طور گسترده در صنعت مورد استفاده قرار گرفته است .
– چگالی تیتانیوم، درحد نصف چگالی فولاد یا سوپرآلیاژهای پایه نیکل میباشد.
– استحکام کششی تیتانیوم (البته آلیاژهای آن) میتواند با استحکام کششی فولاد ضدزنگ مارتنزیتی با استحکام کمتر قابل مقایسه و از استحکام کششی فولاد ضدزنگ آستنینی و فریتی بهتر باشد. آلیاژهای تیتانیوم می توانند استحکام های نهایی قابل مقایسه ای با سوپرآلیاژهای پایه آهن نظیر A286 یا سوپرآلیاژهای پایه کبالت نظیر L605 داشته باشند.
– آلیاژهای تجاری تیتانیوم در دماهایی حدود °C 538 تا °C 595 (°F 1000 تا °F 1100)، بسته به ترکیب خود مفید هستند. برخی سیستمهای آلیاژی (آلومینایدهای تیتانیوم) ممکن است استحکام های مفیدی در دماهای بالاتر از این داشته باشند.

بحث مختصری درباره متالورژی تیتانیوم

نکات کلی درباره ساختارها :

نقطه ذوب تیتانیوم بیش از °C 1660 (°F 3000) است هرچند عملکرد بیشتر آلیاژهای تجاری در °C 538 (°F 1000) یا کمتر از آن است. تیتانیوم دارای دو ساختار بلوری عنصری است: در یکی، اتمها در یک آرایه مکعبی مرکزپر (bcc) و در دیگری اتمها در آرایه شش وجهی فشرده آرایش یافته اند (شکل 1-3). ساختار مکعبی فقط در دماهای بالا یافت میشود مگر اینکه تیتانیوم با سایر عناصر برای حفط ساختار مکعبی در دماهای کمتر آلیاژسازی شود.

ساختارهای تیتانیوم
ساختارهای تیتانیوم

شکل 1-4 بطور تصویری برخی اثرات عناصر آلیاژی را بر ساختار آلیاژها و دسته ها یا زیردسته های آلیاژهای تیتانیوم نشان میدهد. این شکل همچنین، تاثیراتی را که ساختارها بر برخی خواص برگزیده دارند نشان میدهد. ترکیب های آلیاژی نشان داده شده شامل همه آلیاژهای موجود نمی شود بلکه برخی آلیاژهای بکار رفته در طراحی های مرتبط با آلیاژهای تیتانیوم را نشان میدهد.

تیتانیوم

شکل 1-4 طرحواره نشان دهنده تاثیرات عناصر آلیاژی بر ساختار و برخی خواص برگزیده
(مثالهایی از آلیاژهای هر دسته ذکرشده اند)

نکات دیگری درباره ساختار :

تیتانیوم تجاری خالص (CP) ساختار آلفا دارد. افزودن عناصر آلیاژی به تیتانیوم خالص باعث گستره ای از میکروساختارهای ممکن در آلیاژهای تیتانیوم می شود.با مقدار کافی از عنصر آلیاژی بتاساز، فاز بتا در گرمایش ایجاد شده و در حین تبرید پس از فرآوری استحاله میشود. ساختارهای حاصل نشان دهنده آلیاژهای آلفا- بتا هستند.
گونه ای از آلیاژهای آلفا با گستره ای وسیع از ترکیب و ساختار ممکن درون محدوده آلفا مطابقت دارد. این گونه شبه آلفا نامیده میشود.
به ساختارهای بتا بطور کلی باید بتای شبه پایدار اطلاق نمود. این ها آلیاژهایی هستند که در تبرید تا دمای اتاق، ساختار بتا را حفظ میکنند.
آلومینایدهای تیتانیوم، ترکیبات بین فلزی از تیتانیوم و آلومینیوم ( با یک یا چند عنصر آلیاژی دیگر) هستند

مشخصات تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم

بطور کلی، تیتانیوم تجاری خالص و آلیاژهای تیتانیوم آلفا و شبه آلفا بهترین خواص مقاومت به خوردگی کلی را نشان می دهند. این مواد، بالاترین سطح جوش پذیری را در میان دسته تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم دارا هستند.
تیتانیوم خالص معمولا دارای مقداری اکسیژن آلیاژی شده با تیتانیوم میباشد. استحکام تیتانیوم CP توسط مقدار عنصر بین نشین (اکسیژن و نیتروژن) تحت تاثیر قرار می گیرد.
آلیاژهای آلفا معمولا دارای مقادیر زیادی آلومینیوم هستند که به مقاومت اکسیداسیون در دماهای بالا کمک میکنند (آلیاژهای آلفا- بتا همچنین دارای آلومینیوم بعنوان عنصر اصلی هستند اما دلیل اصلی، پایدارسازی فاز آلفاست.)
برای ایجاد خواص مکانیکی بهتر، نمیتوان آلیاژهای آلفا را عملیات حرارتی کرد زیرا این آلیاژها تکفاز هستند. افزودن عناصر آلیاژی معین به تیتانیوم خالص، آلیاژهای حاصل را قادر به عملیات حرارتی یا فراوری در محدوده دمایی ای که آلیاژ دوفازی (آلفا و بتا) است می نماید. شرایط دوفازی باعث می شود ساختار، ریزشده و با امکان حفظ موقت مقدار بتا در دمای کمتر، باعث کنترل بهینه میکروساختار در طول استحاله بعدی هنگامی که پس از عملیات فورج یا از دمای عملیات حرارتی انحلالی صورت می گیرد، آلیاژها پیرسازی می شوند می گردد.
هنگامی که آلیاژهای آلفا- بتا بطور مناسبی عمل آوری شوند دارای ترکیب عالی استحکام و داکتیلیته هستند. این آلیاژها، استحکام بالاتری نسبت به آلیاژهای آلفا یا بتا دارند.
آلیاژهای بتا شبه پایدار هستند یعنی تمایل به استحاله به یک حالت تعادلی یا توازن ساختاری دارند. آلیاژهای بتا، استحکام خود را از استحکام ذاتی ساختار بتا و رسوب فاز آلفا و دیگر فازها در حین عملیات حرارتی پس از فراوری بدست می آورند.
مهمترین مزیت ساختار بتا، قابلیت شکلپذیری بیشتر چنین آلیاژهایی نسبت به ساختار بلوری شش وجهی (آلفا و آلفا- بتا) میباشد.
آلومینایدهای تیتانیوم از این نظر با آلیاژهای معمولی تیتانیوم متفاوت هستند که اصولا ترکیبات شیمیاییای هستند که برای افزایش استحکام، قابلیت شکل پذیری و غیره آلیاژسازی شده اند. آلومینایدها دارای دماهای عملکردی بالاتری نسبت به تیتانیوم معمولی هستند اما قیمت بالاتری دارند و معمولا دارای داکتیلیته و قابلیت شکل پذیری کمتری هستند

بهره برداری بیشینه از آلیاژهای تیتانیوم

بیشترین قابلیت تیتانیوم و آلیاژهای آن این است که می توانند کاربرد خاصی را تحقق بخشند اگر  چند قاعده ساده را در ابتدا و پیش از آغاز یک طراحی مرتبط با آنها در نظر نگه داشت. برخی از مهمترین دستورالعملها عبارتند از:
– محصول حاصل از آلیاژ تیتانیوم کارشده بیشتر در دسترس هستند اما قطعات ریختگی در تعقیب آنها می باشند. آلیاژهای کارشده همچنین دارای بالاترین میزان تجربه کار بر روی خود هستند. اما قطعات ریختگی برای صرفه جویی در وزن  هزینه مفید هستند. محصول ریخته گری شده بعلاوه پرسکاری شده ایزواستاتیک داغ (HIP) میتوانند به استحکام عملکردی قابل مقایسه ای با محصولات کارشده برای بیشتر آلیاژها دست یابند.
– آلیاژهای پودری در حال پذیرفته شدن بیشتر هستند. همچنین، فراوری پودری موجب مخلوط شدن و تولید آلیاژهای تیتانیوم بیشتری می شود. اما، بدلیل برهم کنش تیتانیوم با گازهای بین نشینی نظیر اکسیژن و نیتروژن، روشهای تولید پودر پیچیده ای ضرورت می یابند. متعاقبا، پودرهای آلیاژی تیتانیوم ممکن است برای بسیاری از کاربردها، بیش از حد گرانقیمت باشند. بعلاوه، سطح خواص مورد نظر برای ترکیبات آلیاژی مرسوم فراوری شده از پودر ممکن است انتظارات را برآورده نسازد. به هرحال، در حالت پودر، قابلیتهایی نظیر توکاری و متعادلسازی قیمت، قابلیت حصول به شکل نزدیک به نهایی (NNS) حاصل می شود. این موضوع، دستکم به معنای قابلیت کاهش کلی قیمت در هنگام بررسی کل پروژه می باشد.

– آلیاژهای تیتانیوم پودری یا ریختگی همواره باید گزینه هایی محتمل برای کاربردهای سازه ای باشند. اما برنامه ریزی برای چنین کاربردی باید در حین مرحله اولیه طراحی صورت بگیرد و نه انتظار و تلاش برای متناسب سازی قطعه ریختگی یا ماده فراوری شده پودری در طراحی آلیاژ کارشده در اواخر مراحل موجود.
– هنگام ساختن یک آلیاژ تیتانیوم، استفاده از آلیاژهای مرسوم تر عملی خردمندانه است مگر اینکه خواص غیر معمولی به شدت مورد نیاز باشند. ( Ti-6Al-4V آشکارا دارای مزایایی گسترده است وگرنه بطور متداول مورد استفاده قرار نمی گرفت).
– کتابهای راهنمای مرجع ماده مرجع و غیره برای طراحی ارزشمند هستند. کتابهای راهنمای مرجع زیادی موجود هستند (پیوست الف فهرستی از مراجع برگزیده ارائه میدهد.) اما جایگزینی برای تماس شخصی با یک تامینکننده یا تولیدکننده وجود ندارد.( فهرست ناقصی از شرکتهای تجاری مرتبط با تیتانیوم، تامینکنندهها و تولیدکنندگان فلز عمده در پیوست ه آمده است.)
– خواصی که باعث شرایط شکل دهی غیرمعمول شده یا دستاوردهای ریخته گری یا فرآوری پودر نباید وابسته به عملیات های غیرمعمول سرمایش یا گرمایش باشند. خواص آلیاژهای ریختگی یا پودری در مقابل بهترین خواص آلیاژهای کار شده کم می آورند.

حقایقی درباره تیتانیوم و تولید آن

تیتانیوم چیست و چه کاربردی دارد تیتانیوم نهمین عنصر فراوان روی زمین و چهارمین فلز سازه ای فراوان است. منابع معدنی تیتانیوم عبارتند از روتیل، ایلمنیت و لوکوکسن که گونه ای از ایلمنیت است.
تولیدکنندگان عمده ایلمنیت و سرباره تیتانیوم در جهان عبارتند از استرالیا، کانادا، نروژ،  آفریقای جنوبی، ایالات متحده و روسیه. تولیدکنندگان اصلی روتیل عبارتند از استرالیا، سیرالئون و آفریقای جنوبی. اسفنج تیتانیوم عمدتا توسط روسیه، قزاقستان، ایالات متحده، ژاپن، بریتانیا و چین تولید می شود. شمش و اسفنج تیتانیوم بطور گسترده ای در جهان موجود است.
تجارت تیتانیوم در دهه 1990 به سرعت در حال تغییر بود. ادغامها و انحصارها نه تنها نامهای تجاری بلکه خدمات مرتبط با تحویل تیتانیوم را نیز در جهان تغییر داد. از آنجا که عملیاتهای مرتبط با تیتانیوم با در دسترس بودن اسفنج آغاز شده و با شمش برای بازذوب، ریخته گری یا برای کار بعدی ادامه می یابند، شناخت برخی بازیگران بازار تیتانیوم می تواند مناسب باشد. تولیدکنندگان اصلی اسفنج و شمش تیتانیوم در پایان قرن بیستم عبارت بودند از Timet، RMI و Allegheny-Teledyne-Oremet.

تیتانیوم کارخانه تایمت
کارخانه تایمت

نمایی از کارخانه تایمت ، یکی از بزرگترین و تخصصی ترین تولید کنندگان تیتانیوم در جهان

قیمت تیتانیوم

– قیمت تیتانیوم درحالیکه تقریبا چهار برابر قیمت فولاد ضدزنگ است قابل مقایسه با قیمت سوپرآلیاژهاست.
– تیتانیوم بطور قابل انتظاری مقاوم به خوردگی است. این مقاومت غالبا از مقاومت فولاد ضدزنگ در بیشتر محیطها بیشتر بوده و مقاومت به خوردگی فوق العاده ای در بدن انسان دارد.
– تیتانیوم را میتوان با روشهای استاندارد فورج کرده یا روی آن کار مکانیکی انجام داد.
– تیتانیوم قابل ریخته گری کردن ترجیحا با ریخته گری دقیق است. (ساختارهای آلیاژ ریخته گری دقیق شده دارای قیمت کمتری نسبت به ساختارهای آلیاژ تیتانیوم کار شده یا تولیدشده توسط فورج کاری میباشد)
– تیتانیوم را میتوان بوسیله روش P/M فرآوری نمود (پودر ممکن است هزینه بیشتری داشته باشد اما روش P/M دارای خواص و فرآوری مطلوبتری علاوه بر قابلیت صرفه جویی در هزینه کلی دارد).
– تیتانیوم را میتوان بوسیله جوشکاری گدازشی، لحیمکاری، چسبها، پیونددهی نفوذی و بستها متصل کرد.
– تیتانیوم قابل شکل دهی است و به سهولت ماشینکاری میشود هرچند که باید احتیاط معقولی درنظر گرفته شود.
– تیتانیوم در گستره ای از شکلها و انواع مختلف موجود است.

برای اطلاع از موجودی و سفارش و استعلام قيمت فولاد سردکار با فروشگاه فولاد و آهن آلات صانعی تماس بگیرید

Leave a Comment