جوشکاری تیتانیم و آلیاژهای تیتانیم

جوشكاري:

تيتانيوم خالص تجاري و بيشتر آلياژهاي تيتانيوم قابليت جوشكاري با استفاده از روش هاي مختلف جوشكاري را دارند. متداولترين روش هاي جوشكاري مورد استفاده براي آلياژهاي تيتانيوم GTAWو GMAW مي باشند. از ديگر روش هاي مورد استفاده مي توان به الكترون بيم، جوشكاري ليزر، جوشكاري اصطكاكي و جوشكاري مقاومتي اشاره نمود.

به منظور بدست آوردن جوش سالم تميزي سطح قطعه و استفاده صحيح از گاز خنثي محافظ ضروري است. مذاب تيتانيوم به آساني با اكسيژن و هيدروژن واكنش مي دهد، كه اين عناصر از طريق تماس با هوا و يا سطح آلوده مي تواند جذب مذاب تيتانيوم شوند و اثرات نامطلوبي را بر روي خواص قلز جوش گذارند. به همين علت فرايندهاي جوشكاري همچون SAW براي جوشكاري تيتانيوم مناسب نيستند. همچنين عمدتا تيتانيوم را نمي توان به فلزات ديگر جوش داد زيرا امكان تشكيل تركيبات بين فلزي ترد در ناحيه جوش وجود دارد كه ميتوانند سبب ايجاد ترك در ناحيه جوش شوند.

ماشينكاري:
تيتانيوم و آلياژهاي آن را مي توان با استفاده از ابزارهاي ماشينكاري متداول، ماشينكاري نمود. استفاده از توصيه هاي زير سبب ماشينكاري خوب و عمر زياد دستگاه مي شود:

- استفاده از تيغه هاي برش تيز به منظور كاهش ايجاد حرارت و ساييدگي

- استفاده از حجم بالاي سيال خنك كننده جهت ماكزيمم كردن ميزان حرارت زدوده شده

- استفاده از سرعت هاي برش پايين تر

- جلوگيري از قطع تغذيه سيال خنك كننده

- براده برداري منظم

- محكم كردن قطعه و ابزار ماشين كاري به منظور مقابله با انحنا قطعه

Click this bar to view the original image of 748x905px.

Click this bar to view the original image of 748x972px.

Click this bar to view the original image of 748x835px.

تيتانيوم و آلياژهای تيتانيوم:

تيتانيوم چهارمين عنصر فراوان در پوسته زمين است و هزينه استخراج آن بدليل نقطه ذوب بالا و واكنش پذيري فوق العاده بالاي آن بسيار بالا است. با اين وجود تيتانيوم و آلياژهاي آن بدليل استحكام بالا، دانسيته كم و مقاومت به خوردگي عالي بسيار مورد توجه مي باشند. ويژگي هاي برتر تيتانيوم به شرح زير است:

نسبت وزن به استحكام بالا كه سبب مي شود در بسياري از كاربردها كه استحكام و تافنس شكست بالايي مورد نياز است آلياژهاي اين فلز جايگزين فولاد شوند. تيتانيوم داراي دانسيته g/cm³5/4 است و آلياژهاي آن داراي نصف وزن فولاد و سوپرآلياژ و نسبت استحكام به وزن عالي مي باشند.
آلياژهاي تيتانيوم استحكام خستگي بسيار بهتري نسبت به آلياژهاي سبك وزن از قبيل آلومينيوم و منيزيم را دارند.
آلياژهاي تيتانيوم قابليت كاربرد در دماهاي بالا حدود 370 تا 590 درجه را دارند.
مقاومت به خوردگي آلياژهاي تيتانيوم بالاتر از فولاد و آلومينيوم است.

تيتانيوم خالص در دماي اتاق داراي ساختار كريستالي HCP و يا آلفا است كه در دماي نزديك 885 درجه سانتي گراد به ساختار كريستاليBCC و يا بتا تغيير فاز مي يابد. دماي انتقال بتا بسته به نوع و مقدار عناصر آلياژي يا مواد ناخالصي مي تواند افزايش و يا كاهش يابد. عناصر آلياژي كه دماي تبديل آلفا به بتا را افزايش مي دهند همچون آلومينيوم، گاليوم، ژرمانيوم، كربن، اكسيژن و نيتروژن بعنوان پايداركننده هاي فاز آلفا و عناصري كه دماي انتقال را كاهش مي دهند بعنوان پايدار كننده هاي فاز بتا ناميده مي شوند كه عناصري همچون موليبدن، واناديوم، تانتاليوم، نيوبيوم، آهن، كروم، منگنز، كبالت، نيكل و مس از اين گروه مي باشند.

آلياژهاي تيتانيوم بر اساس ميزان فازهاي آلفا و بتاي موجود در ساختار در دماي اتاق به 5 دسته اصلي شامل تيتانيوم خالص تجاري، آلفا، نزديك آلفا، آلفا-بتا و بتا تقسيم بندي مي شوند.

تيتانيوم خالص تجاري يا تيتانيوم غيرآلياژي :

عموما شامل 99 تا 5/99 درصد تيتانيوم با مقاديري آهن و عناصر هيدروژن، نيتروژن، كربن و اكسيژن بعنوان ناخالصي مي باشند. ميكروساختار تيتانيوم غيرآلياژي بصورت فاز آلفا با ساختار HCP و مقادير بسيار كمي از فاز بتا است. تيتانيوم خالص تجاري نسبت به آلياژهاي تيتانيوم ارزانتر و داراي مقاومت به خوردگي بالاتر و استحكام پايين تر است. ضمن آنكه غير قابل عمليات حرارتي، اما داراي قابليت جوشكاري و شكل پذيري بالايي هستند و در دماي بالا مقاومت به خزش خوبي از خود نشان مي دهند. لذا اين آلياژها عموما در كاربردهايي كه مقاومت به خوردگي و انعطاف پذيري بالايي نياز دارند و استحكام چندان مورد توجه نيست مورد استفاده قرار مي گيرند.

آلياژهاي تيتانيوم آلفا :

داراي عناصر آلياژي پايداركننده هاي آلفا (نظير آلومينيوم يا اكسيژن) و ساختار كاملا آلفا مي باشند. عناصر پايداركننده آلفا همچنين بعنوان استحكام دهنده هاي محلول جامد عمل مي كنند. در اين آلياژها اكسيژن و نيتروژن موجود بعنوان ناخالصي همچنين سبب سختي آلياژ مي شوند و افزودن قلع سبب بهبود انعطاف پذيري و وجود مقادير كم زيركونيوم سبب استحكام اين آلياژها مي شوند. مقدار عناصر پايدار كننده آلفا كه بصورت آلومينيوم معادل سنجيده مي شوند بعلت جلوگيري از تردي آلياژ نبايستي از 9 درصد تجاوز كند. اين گروه از آلياژها داراي استحكام بالاتر و مقاومت به خوردگي بسيار كم نسبت به تيتانيوم غير آلياژي مي باشند. همچنين اين گروه از آلياژهاي تيتانيوم قابل جوشكاري و غير قابل عمليات حرارتي مي باشند.

آلياژهاي تيتانيوم نزديك آلفا :

شامل مقدار كمي فاز بتا انعطاف پذير مي باشند. در كنار پايداركننده هاي فاز آلفا، آلياژهاي نزديك آلفا با 1 تا 2 درصد پايداركننده فاز بتا از قبيل موليبدن، واناديوم و سيليكون آلياژي مي شوند. اين آلياژها داراي استحكام خزشي بهتر نسبت به آلياژهاي كاملا آلفا تا دماي نزديك 400 درجه سانتي گراد، استحكام نسبتا بالا در دماي اتاق، انعطاف پذيري نسبتا خوب، تافنس بالا، قابليت جوشكاري خوب و مقاومت خوب نسبت به محيط هاي آب شور مي باشند.

آلياژهاي تيتانيوم آلفا-بتا :

آلياژهاي شبه پايداري مي باشند كه شامل تركيبي از عناصر پايدار كننده هر دو فاز آلفا و بتا مي باشند. اين آلياژها قابل عمليات حرارتي و جوشكاري بوده و خواص شكل پذيري خوبي دارند ضمن آنكه داراي تركيب عالي از استحكام، تافنس و مقاومت به خوردگي مي باشند.

آلياژهاي تيتانيوم بتا :اين گروه آلياژهاي شبه پايدار بوده و شامل عناصر پايداركننده فاز بتا نظير موليبدن، سيليكون و واناديوم به اندازه كافي مي باشند. به اين ترتيب فاز بتا در هنگام عمليات كوئنچ پايدار باقي مي ماند. اين آلياژها قابل عمليات حرارتي و شكل پذيري آسان مي باشند و استحكام شكست بالاتري نسبت به آلياژهاي آلفا-بتا دارند.کاربردها :

تیتانیوم و آلیاژهای آن داراي خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی منحصريفردي مي باشند كه اين خواص سبب كاربرد گسترده اين آلياژها در صنايع مختلف از جمله صنايع زير گرديده است:

صنايع دریایی
هوا فضا

موتورهای توربین گازی
مبدلهای حرارتی
تاسیسات آب شیرین
ایمپلنتهای پزشکی
سانتریفیوژها
وسایل نقلیه
الکتروشیمی
توربینهای بخار
محافظ نگهداری زبالههای هستهای
صنایع غذایی و دارویی
صنایع پالایش نفت و صنایع گاز

Click this bar to view the original image of 748x493px.

عمليات حرراتي:

عمليات حرارتي آلياژهاي تيتانيوم شامل تنش زدايي، آنيل، آنيل انحالي و پيرسازي مي باشد. عمليات تنش زدايي به منظور كاهش تنش هاي ايجاد شده در حين پروسه ساخت ، عمليات آنيل به منظور بهينه كردن انعطاف پذيري، قابليت ماشينكاري و پايداري ابعادي و ساختار انجام مي گيرند و انجام عمليات آنيل انحلالي و پيرسازي سبب افزايش استحكام، و بهينه كردن ويژگي هايي از قبيل تافنس شكست، استحكام خستگي و استحكام خزش در دماي بالا مي گردد. حرارت دهي تيتانيوم و آلياژهاي آن در كوره هاي معمولي مي تواند سبب آلودگي سطح و جذب اكسيژن و هيدروژن و در نتيجه ايجاد تردي در آلياژ گردد.

كارگرم:

آهنگري پرسي و چكشي تيتانيوم اصولا مشابه فولادهاي كم آلياژ است. بدليل سرد كنندگي سريع و محدوده كار گرم نسبتا باريك، اثر سردكنندگي ابزار بايستي توسط كاهش زمان تماس تا حد امكان كاهش يابد، كه در اين ميان پيش گرم ابزار نيز موثر است. ادامه آهنگري در دماي بسيار پايين ممكن است سبب گسترش ترك هاي داخلي شود، كه بايستي از اين عمل اجتناب نمود. علاوه بر آن انجام پيش گرم هاي متعدد همراه با انجام تغييرفرم هاي اندك در هر مرحله نيز مضر مي باشد زيرا اين مسئله سبب درشت شدن ساختار دانه ها و خشن شدن ميكروساختار و كاهش خواص مكانيكي مي شود. در چكش كاري سقوطي لبه هاي قالب بايستي داراي انحنا بزرگتر نسبت به فولاد باشند زيرا انقباض حرارتي تيتانيوم كمتر از فولاد بوده و لذا انقباض مجاز كوچكتري را شامل مي شود. حذف زائده ها بايستي در شرايطي كه دماي قطعه بالا است انجام گيرد. لذا به منظور كمتر كردن پيش گرمايش و جلوگيري از اتلاف زمان و حرارت بايستي چكش كاري و حذف زائده ها با كمترين فاصله زماني از يكديگر انجام گيرند و پس از آن عمليات تنش زدايي توصيه مي شود.

كار سرد:

ورقي كه آنيل انحلالي شده است مي تواند تحت عمليات كشش، پرس و غيره قرار گيرد ولي ماكزيمم مقدار تغييرفرم به مقدار بار اعمالي بستگي دارد. استفاده از پرس هيدروليك نتايج خوبي بهمراه دارد. براي توليد قطعات با طرح هاي پيچيده از ورق هاي تيتانيوم، عمدتا از روش شكل دهي چكش سقوطي استفاده مي شود، كه ورق ها پيش از شكل دهي پيش گرم شده اند. لقمه هاي مورد استفاده در شكل دهي سرد را مي توان توسط فرايند برش يا اره كردن با سرعت هاي برش پايين آماده نمود. شرايط لبه لقمه ها از اهميت بالايي برخوردار است و با استفاده از تيغه هاي برش تيز و محكم نگه داشتن لقمه توسط ابزار در حين برش يا پيش گرم قطعه مي توان ايجاد ترك در لبه ها را به حداقل رساند. كليه برآمدگي هاي تيز بايستي زدوده شوند و براي فرايندهاي شكل دهي پيچيده لبه هاي برش بايستي سوهان كاري يا پوليش شوند.

شكل هاي ساده را مي توان در دماي اتاق فرم دهي نمود. تغييرفرم به استحكام و خاصيت ارتجاعي ماده بستگي دارد. روانكارهاي جامد همچون صابون، دي سولفيد موليبدن يا گرافيت نسبت به روغن هاي معدني و گريس ارجحيت دارند.

در شكل دهي قطعات با طرح هاي پيچيده، قطعه و قالب بايستي به منظور تسهيل فرايند شكل دهي، تحت عمليات پيش گرم قرار گيرند.

طبقه بندي آلياژهاي تيتانيم
آلياژهاي تيتانيم برحسب فازهاي موجود در ساختار آنها طبقه بندي مي شوند. آلياژهايي كه بيشتر از فاز a تشكيل شده اند، آلياژهاي aناميده مي شوند، در حالي كه آلياژهايي كه اساساً داراي فازa با مقدار كمي عناصر پايداركننده B باشند به نام آلياژهاي نزديك به تيتانيم _a ناميده مي شوند. آلياژهايي كه شامل مخلوط فاز a و B مي باشند. به عنوان آلياژ B + a ناميده مي شوند. بالاخره آلياژهاي تيانيم كه فاز B بعد از سركردن از دماي عمليات حل سازي در دماي اتاق پايدار شده است به عنوان آلياژ B طبقه بندي مي شوند.

آلياژهاي تيتانيم a . به طور كلي بر روي آلياژهاي a و نزديك a نمي توان عمليات گرمايي وجوشكاري انجام داد، اين آلياژها داراي استحكام متوسط، چقرمگي خوب و مقاومت خزشي خوب در دماي بالا مي باشند.

آلياژهاي تيتانيم B + a . با عمليات گرمايي مي توان استحكام اغلب آلياژهاي a + B را تا حد متوسطي افزايش داد. سطح استحكام آنها متوسط به بالاست، آنها خواص شكل پذيري خوبي نيز دارند ولي در دماهاي زياد مقاومت خزشي مطلوبي مثل مقاومت خزشي آلياژهاي a و نزديك a ندارند.

آلياژهاي B . با عمليات گرمايي مي توان استحكام آلياژهاي غني از B را تا حد خيلي زيادي افزايش داد و نيزتا حدودی اين آلياژها راشكل پذيرکرد. اما، چگالي نسبتاً زيادي دارند و وقتي استحكام زيادي داشته باشند شكل پذيري آنها كم است. براثر اين معايب، در حال حاضر كاربرد زيادي ندارند.

آلياژهاي تيتانيم

تركيب شيميايي و كاربردهاي خاص
به دليل Ti-%5Al-%2/5Sn امروزه تنها يك آلياژ مهم تمام وجود دارد كه كاربرد تجارتي دارد، و تركيب اسمي آن آلومينيم و قلع هر دو پايداركننده در تيتانيم مي باشند، اين آلياژ تمام است
آلومينيم يكي از مهمترين عناصر آلياژي براي تيتانيم به شمار مي رود زيرا استحكام آن را تشكيل محلول جامد افزايش داده Ti-%5Al-%2/5Sn و چگالي آن را نيز كاهش مي دهد. به آلياژ
قلع مي افزايند زيرا با ايجاد محلول جامد موجب افزايش استحكام مي شود. اكسيژن، كه تا حدودي در تمام آلياژهاي تيتانيم وجود دارد، نيز مثل آلومينيم پايداركننده قوي a است و استحكام تيتانيم را افزايش مي دهد. با وجود اين، مثل تمام عناصر بين نشين در تيتانيم، اكسيژن شكل پذيري آن را كاهش مي دهد و بنابراين يك آلياژ مخصوص كم اكسيژن Ti%5Al-%2/5Sn براي كاربردهايي بوجود آمد كه نياز به شكل پذيري خوب در دماي پايين دارند. آلياژ قابل جوشكاري است و پايداري و مقاومت به اكسايش خوبي در دماي بالا دارد. با وجود اين، استحكام آن متوسط است.

ريزساختار
، آلياژهاي تيتانيم تمام ساختار بلوري را دارند. ممكن است بر اثر حضور ناخالصيهاي پايداركننده B مثل آهن، نيز وجود داشته باشد. ذرات ريز فاز B رادرساختارتمام a وجود داشته باشد.

آلومينيم مهمترين عنصر آلياژي جانشيني در تيتانيم a مي باشد زيرا به مقدار زيادي فاز a را پايدار مي كند، در حالي كه استحكام تيتانيم را افزايش و چگالي آن را كاهش مي دهد. با وجود اين، مقدار آلومينيمي كه براي تيتانيم به كار مي رود به 5 تا 6% وزني محدود مي شود چون باعث شکنندگی آلیاژ می شود
افزايش قلع، زيركونيم و اكسيژن (اغلب به صورت ناخالصي وجود دارند) نيز فاز aرا در تيتانيم پايدار مي كند و استحكام فلز را افزايش مي دهد. طبق نظريه روزنبرگ حداكثر آلومينيم معادل اين عناصر آلياژي كه بايد به تيتانيم اضافه شوند تا از تشكيل زياد فاز 2 جلوگيري كند برابر است با :

کاربرد خاص	شرایط	آلیاژهای تیتانیم
فلز قابل جوشکاری برای آهنگری و قسمتهای صفحات فلزی مثل موتور هواپیما، تیغه های توربین بخار،مقاومت خوب در برابراکسایش واستحکام خوب در600تا1100 درجه فارنهایت،پایداری خوب در دمای بالا	تابکاری شده	5%Al2.5%Sn
درجه مخصوص برای ظروف سرما زا با فشار بالا که تحت 423 درجه فارنهایت کار میکنند.	تابکاری شده	5%Al2.5%Sn (با اکسیژن کم)

جد ول 2- ترکیب شیمیایی و کاربرد های خاص آلیاژهای تیتانیم a

آلياژهاي تيتانيم B +a

تركيب شيميايي و كاربرد خاص
در اين طبقه از آلياژهاي تيتانيم، يك يا چند عنصر پايداركننده B به مقدار كافي وجود دارد تا در دماي اتاق مقدار چشمگيري فاز B نگه داشته شود، و درنتيجه ساختار B + a ايجاد شود. براي افزايش استحكام آلياژهاي تيتانيم a + B مي توان عمليات حل سازي، آب دادن و پيرسازي را انجام داد.
این آلیاژ مهمترين و پركاربردترين آلياژ تيتانيم مي باشد كه در سال Ti-%6AL-%4V 1978، 55% بازار تيتانيم را به خود اختصاص داده بود. اين آلياژ را مي توان به آساني جوشكاري، آهنگري و ماشينكاري كرد و در انواع مختلف محصولات از قبيل ورق، اكستروژن، سيم و ميله موجود است. این آلياژ در صنايع نظامي نيز به كار مي رود. اين آلياژ قابليت عمليات گرمايي براي رسيدن به حداكثر استحكام را دارد (165) و از ديدگاه متالورژي تا ْ482 پايدار است. يكي از معايب اين آلياژ سختي پذيري كم است و فقط مقاطعي را كه تا يك اينچ ضخامت دارند مي توان كاملاً سخت كرد.

Click this bar to view the original image of 748x850px.

آلياژهاي تيتانيم B

تركيب شيميايي و كاربردهاي خاص
اگر مقدار كافي از عناصر پايداركننده B به تيتانيم افزوده شود پس از آب دهي ساختاري كامل از از نيمه پايدار Bدر دماي اتاق به دست مي آيد و حتي گاهي پس از سرد شدن در هوا. عناصر آلياژي اصلي براي تيتانيمB عبارت است از واناديم، موليبدن، كرم و آهن. گاهي زيركوئيم افزوده مي شود، زيرا موجب افزايش استحكام در فاز B و a مي شود. همچنين به اغلب اين آلياژها آلومينوم نيز اضافه مي شود، زيرا آلومينيم وزن مخصوص را كم مي كند، مقداري سختي محلول جامد به وجود مي آورد و مقاومت با اكسايش را بهتر مي كند. تركيب شيميايي و كاربردهاي خاص آلياژهاي تيتانيم B متداول در جدول( 5 ) آمده است.
آلياژهاي تيتانيم B ، به دليل داشتن ساختار بلوري مکعب مرکز دار، در شرايط حل سازي شده و آب دهي شده به آساني كار سرد مي شوند و مي توانند براي ايجاد استحكامهاي بيشتر بلافاصله پير شوند. اما چگالي آنها نسبتاً زياد است زيرا درصد فلزات سنگيني چون واناديم و موليبدن زياد است. وقتي استحكام زياد باشد اين آلياژها شكل پذيري كمي دارند. در مقاطع ضخيم، اندازه دانه بزرگ و جدايش شيميايي صورت مي گيرد، كه منجر به شكل پذيري كم در كشش و عمر كم در خستگي مي شود. درنتيجه، آلياژهاي تيتانيم B نيمه پايدار در حال حاضر كاربرد زيادي ندارند.

تركيب آلياژ	موارد استفاده
%13V,%11Cr%3Al	بستهاي پراستحكام، قطعات هوا و فضا، صفحات شبكه اي، (شكلپذيري خوب و قابليت عمليات گرمايي).
%8Mo,%8V,%Fe,%3Al	قطعات و صفحات با استحكام و چقرمگي زياد در هواپيما، بستها و قطعات آهنگري شده.
%3Al,%8V,%6Cr,%4Mo,%4Zr	بستهاي پراستحكام، ميله هاي پيچشي، قطعات هوا و فضا
%11/5Mo,%6Zr,%4/5Sn	قسمتهايي كه مستلزم شكلپذيري و مقاومت در برابر خوردگي اند، بستهاي پراستحكام، قسمتهاي صفحه اي پراستحكام هواپيما.

جدول 5 - تركيب شيميايي و كاربرد خاص آلياژهاي B

جوشکاری تیتانیم و آلیاژهای تیتانیم

طبقه بندي آلياژهاي تيتانيم

تیتانیم ( خواص ، کاربرد ، معرفی آلیاژ ها و ... )