متالورژی پودر تیتانیم

متالورژی پودر تیتانیم:

تاریخچه :
تیتانیم در سال 1971 توسط william gregorدر انگلستان کشف شد این عنصر چند سال بعد توسط هنریش کلاپروت در سال 1975دوباره کشف گردید و بر اساس اساطیر یونان به نام titan نامگذاری شد .فلز تیتانیم به جهت ترکیب با سایر عناصر وجود دارد. این عنصر چهارمین عنصر فراوان در پوسته زمین است و تقریبا 0.86 % درصد کل جرو پوسته زمین را تشکیل می دهد . تیتانیم به راحتی در دماهای زیاد با اکسیژن و کربن واکنش می دهد . به همین دلیل تولید فلز تیتانیم خالص مشکل می باشد . این فلز در شهاب سنگ ها ، ستارگان و خورشید نیز وجود دارد . در سنگهایی به وسیله آپولو 17 از ماه آورده شد حدود 12 درصد TiO2 وجود داشت . تیتانیم همچنین در خاکستر زغال سنگ در گیاهان و در بدن انسان وجود دارد
متالورژی تیتانیوم:

تیتانیوم خالص تجاری و آلیاژهای تیتانیومی آلفا و شبه آلفا به طور کلی نشان داده اند که مقاومت خوبی در مقابل خوردگی دارند . آنها جزء این دسته از آلیاژهای تیتانیوم هستند که قابلیت جو شکاری دارند .تیتانیوم خالص معمولاً دارای مقداری اکسیژن آلیاژ شده با آن است که استحکام تیتانیوم خالص تحت تاثیر مقدار این عناصر بین نشینی ( اکسیژن و نیتروژن ) در ساختار تیتانیومی است . آلیاژهای آلفا معمولاً دارای مقدار بالایی از آلومینیوم هستند که موجب مقاومت به اکسایش این آلیاژ در دماهای بالا می شوند . ( آلیاژهای آلفا – بتا همچنین دارای یک عنصر آلیاژی اصلی هستند که آلومینیوم است اما اولین دلیل آن برای پایدار کردن فاز آلفا است ) .آلیاژهای آلفا را نمی توان برای افزایش خواص مکانیکی بالا تحت عملیات حرارتی قرار داد زیرا یک آلیاژ تک فاز به حساب می آید . اضافه کردن عناصر آلیاژی به تیتانیوم خالص قابلیت عملیات حرارتی برای این آلیاژها یا کار در دمای بالا را چون به صورت یک ساختار دو فازی حاصل شده اند ( آلفا – بتا ) ، ایجاد می کند.
آلیاژهای بتا نیمه پایدار هستند ، به این منظور که تمایل به تغییر فاز برای یک حالت تعادلی یا بالانسی از ساختارها دارند . آلیاژهای بتا استحکامی به واسطه ، استحکام ذاتی شان ، ناشی از ساختار بتا و رسوب فاز آلفا و دیگر فازها از آلیاژها در طراحی فرآیندهای عملیاتی حرارتی به دست می آورند .
با اهمیت ترین فایده و مزیت به دست آمده از ساختارهای بتا ، افزایش شکل پذیری آنها در ارتباط با دیگر ساختارهای هگزاگونال از جمله آلفا و آلفا – بتا است . تیتانیوم آلومیند از آلیاژهای متداول تیتانیومی متفاوت هستند زیرا آنها به طور اساسی ترکیباتی هستند که باعث افزایش استحکام و قابلیت شکل پذیری و دیگر خواص می شوند . تیتانیوم آلومیندی کاربردهای دمای بالاتر نسبت به آلیاژهای تیتانیومی دارند اما قیمت تمام شده بیشتر و به طور کل داکتیلیته و قابلیت فرم پذیری کمتری خواهند داشت .

درمورد آلیاژهای تیتانیموم بیشتر بدانیم:
تیتانیوم وآلیاژهای آن پتانسیل بالایی در خیلی از کاربردهای خاص دارند ولی بایستی قبل از طراحی و استفاده از آن ، برخی از واقعیتها را درمورد آن مطلع بوده و مد نظر داشت که بیشتر آن در ادامه آورده شده است .
محصولات شکل داده شده تیتانیوم به راحتی در دسترس می باشند ولی ریخته گری شده آن محدودتر است . آلیاژهای شکل داده شده از فاکتورهای تجربی خوبی برخوردار می باشند . هر چند که آلیاژهای ریخته گری از لحاظ وزن و قیمت مقرون به صرفه هستند . ریخته گری تحت فشار ایزواستاتیک گرم می تواند محصولاتی در مقایسه با استحکام کاربردی محصولات شکل داده شده را برای بیشتر فلزات حاصل کند .
آلیاژهای پودری خیلی بیشتر مورد قبول هستند . همچنین فرآیندهای پودر ( متالورژی پودر ) امکان ترکیب آلیاژهای نا متعارف تری را نسبت به هم می دهد . اگر در این فرآیند به واسطه بر هم کنش تیتانیوم با گازهای بین شبکه همچون N2 & O2 ، روشهای پیچیده بایستی اتخاذ شود . بنابراین آلیاژهای پودری تیتانیوم بایستی بسیار گران و پر هزینه در کاربردهای مختلف باشند سطح خواص آلیاژهای پودر ممکن است به حد انتظار ترکیبات شیمیایی نرسد . با این حال با متالورژی پودر این امکان وجود دارد که با بدست آوردن محصولی ترکیبی به شکل نهایی محصول مورد نظر امکان جبران قیمت تمام شده باشد و دلیلی بر اینکه حداقل یک پتانسیل برای هزینه های پایین تر هنگامی که در طی پروژه منظور می شود وجود داشته باشد .
آلیاژهای ریخته گری شده یا پودری تیتانیومی همیشه امکان انتخاب در کاربردهای سازه را دارا می باشند . اما بایستی برنامه ریزی برای این قبیل استفاده ها در همان مراحل اولیه طراحی مد نظر قرار گیرد نه اینکه تلاش شود تا مواد به دست آمده پودری یا ریخته گری شده در مراحل نهایی کار به جای مواد شکل داده شده قرار گیرند . این معقول به نظر می رسد که موقع انتخاب آلیاژهای تیتانیومی از عمومی ترین آلیاژِها استفاده شود مگر در مواقعی که خاصیت خاصی از این فلز مد نظر باشد تا یک آلیاژ خاص در نظر گرفته شود ( مثلاً Ti-6AL- 4v دارای خواص متعدد و زیادی است اما مصارف خاصی دارد ) .
Handbook ها و مراجع مربوط به مواد و از این قبیل کتابها برای طراحی بسیار با ارزش هستند . اما هیچ جانشینی را برای تماس با تامین کننده و سازنده وجود ندارد . خواص و ویژگیهای از این قبیل شرایط فرم دهی غیر معمول و یا فرآیند غیر ایده آل ریخته گری را برای این فلز نبایستی عملیات سرد کردن و گرم کردن غیر معمولی را برای خواص در نظر گرفت . خواص مواد ریخته گری شده و پودری در محدوده پایین تر نسبت به آلیاژهای شکل داده شده قرار دارد . به طوری که خواص مشترک آنها به سختی به همدیگرقابل مقایسه هستند .
اما داده های بدست آمده پراکنده در ریخته گری و همچنین متالورژی پودر ممکن است پایین تر از حداقل های طراحی را نتیجه بدهد . اگر یک طراحی پذیرفته شود بدون هیچ انعطافی با رعایت سطح خواص آن مشخص شده ، این طراحی ممکن است به صورت غیر قابل برگشت پذیری بعداً مورد سو ظن و گمان باشد . صنایع فضایی به دنبال بهترین خصوصیت وبهینه ترین آنها هستند . هنگامی که تیتانیوم در کاربردهایی با بحرانیت کمتر استفاده می شود ، دقت کمتری در خواص بایستی در نظر گرفته شود و این امکان وجود دارد تا هزینه و زمان کاهش داده شود .
امروزه دز ایران علاوه بر صنایع هوایی و نظامی رویکردی خاص به این فلز در صنایع شیمیایی به خصوص در صنایع پتروشیمی دیده می شود که این به نوبه خود باعث ایجاد مجال مناسبی جهت کار بر روی ابن فلز و تهیه روشهای استاندارد تولید تجهیزات تیتانیومی در ایران می گردد .

ساختار تیتانیوم به طور کلی:
نقطه ذوب تیتانیوم در حدود 1660 درجه سانتیگراد می باشد . اما بیشتر آلیاژهای تجاری آلومینیوم در دمای 538 درجه سانتیگراد کاربرد دارند . تیتانیوم دارای دو ساختار کریستالی است ، در یکی از آنها اتمها در ساختار مکعبی مرکزدار( bcc ) قرارگرفته اند و در دیگر اتمها در یک ساختار شش وجهی فشرده یا هگزا گونال ( HCP ) قرار دارند . ساختار مکعبی مرکز دار ( bcc ) تنها در دمای بالا به دست می آید بجز در مواردی که تیتانیوم با دیگر عناصر برای ثبات پایدار ساختار مکعبی در دمای پایین آلیاژ شده است .
دو ساختار کریستالی تیتانیوم به عنوان ساختارهای b ، a شناخته می شوند . a اشاره دارد به ساختارهای هگزاگونال تیتانیوم چه به صورت آلیاژ یا خالص و ساختار b مربوط به ساختارهای مکعبی یا آلیاژهای آن است .
ساختارهای b ، a در بعضی مواقع به عنوان سیستم ها یا نوع هایی از سیستم شناخته می شوند که آن را به چهار دسته آلیاژهای a و شبه a یا نزدیک به a و a / b و a تقسیم بندی می کنند .
این ترکیبات نشان دهنده تمامی عناصر آلیاژی تیتانیوم نیست اما بیشتر عناصر استفاده شده در طراحی آلیاژهای تیتانیوم را شامل می شود .

اطلاعات بیشتری در مورد ساختار تیتانیوم:
تیتانیوم خالص تجاری به صورت ساختار a است . اضافه کردن برخی از عناصر آلیاژی به تیتانیوم خالص تجاری محدوده را برای ریز ساختارهای آلیاژی ایجاد می کند . با داشتن سطح مطلوبی از عناصر آلیاژی b ، فاز b در طول گرم کردن تولید می شود و در حین فرآیند سرد کردن در ادامه یک فرآیند گرم به ساختار دیگر منتقل می شود . ساختار حاصله در این مورد را آلیاژهای b ، a می نامند ( فاز b به a تبدیل می شود ولی فاز باقی مانده هم خواهیم داشت ) تغییرات در آلیاژهای متمایز می شود با محدوده وسیعی از ساختار وخواص شیمیایی آلیاژ که لازمه یک آلیاژ a می باشد . این تغییرات به صورت ترم ساختاری near – a ( ساختارهای شبه a یا نزدیک به a ) هستند . ساختار را بایستی به طور کلی به عنوان نیمه پایدار شناخت . آلیاژها با ساختار b در حین سرد کردن تا دمای اتاق به دست می آیند .
آلومیندهای تیتانیومی ترکیبات بین فلزی هستند که از تیتانیوم وآلومینیوم ( به همراه یک یا بیشتر از عناصر آلیاژی ) به دست می آیند.
جوشکاری تیتانیم:
در جوشکاری ذوبی آلیاژهای تیتانیم، تیتانیم غیرآلیاژی و آلیاژهای تیتانیم آلفا از قابلیت جوش پذیری مناسبی برخوردار هستند. یعنی آنکه تفاوت قابل توجهی از نظر ریز ساختار و خواص مکانیکی بین منطقه جوش، مجاور جوش و فلز پایه وجود ندارد و جوش حاصله دارای استحکام کافی همراه با انعطاف پذیری مناسب است. این گروه از آلیاژهای تیتانیم را در شرایط آنیل شده جوشکاری می کنند.
آلیاژهای تیتانیم حاوی یک یا چند عنصر پایدار کننده فاز بوده و جوشکاری آنها می تواند بطور موثری سبب تغییر استحکام، انعطاف پذیری و چقرمگی فلزجوش و منطقه مجاور جوش گردد. معمولاً اگر این آلیاژها حاوی بیشتر از 20 درصد فاز باشند جوش پذیری آنها ضعیف تلقی می گردداین گروه از آلیاژها را در شرایط آنیل شده و یا آنیل انحلای همراه با پیر کردن جزئی جوشکاری می کنند.
آلیاژهای تیتانیم بتا دارای مقادیر کافی از عناصر پایدار کننده فاز بتا می باشند. این گروه از آلیاژهای تیتانیم نیز قابلیت جوش پذیری داشته اما آن دسته از آلیاژهای تیتانیم نوع بتا که دارای مقادیر بالائی از عناصر پایدار کننده فاز باشند، از جوش پذیری ضعیفی برخوردارند زیرا فلز جوش از تردی بالائی برخورداراست. این گروه از آلیاژها در شرایط آنیل شده و یا آنیل محلولی جوشکاری می شوند. برای بدست آوردن جوشی با استحکام و انعطاف پذیری کافی، آلیاژ در شرایط آنیل شده جوشکاری می گردد و سپس با عملیات ساچمه زنی منطقه جوش کار سردشده و به دنبال آن عملیات انحلالی و پیرکردن صورت می گیرد.
عوامل موثر بر مشخصه های ریز ساختاری منطقه جوش تیتانیم
خواص مکانیکی منطقه جوش آلیاژهای تیتانیم بستگی به ریزساختارهای نواحی FZ و HAZ دارد و تنوع این ریزساختار تابعی از سیکل حرارتی و نوع عملیات حرارتی پس از جوشکاری است . جمع بندی مطالعات انجام گرفته نشان می دهد عوامل موثر بر خواص مکانیکی منطقه جوش که در حقیقت منتج از ساختارهای حاصله در منطقه جوش است عبارتند از :
– اندازه دانه های b اولیه در ناحیه ذوب
– نحوه تغییر حالت فاز b حین سرد شدن از دمای بالا
– نوع عملیات حرارتی پس از جوشکاری
الف ـ اندازه دانه های b اولیه در ناحیه ذوب
همانطوریکه بیان شد از مشخصه های ویژه منطقه جوش تیتانیم حضور دانه های بزرگ حین انجماد فلزجوش در ناحیه حوضچه مذاب است که موجب کاهش شدید انعطاف پذیری آن می گردد. اندازه و مورفولوژی این دانه ها به نحوه انتقال حرارت حین انجماد بستگی دارد. اولین پارامتر تعیین کننده اندازه دانه های ، گرمای ورودی جوش است. به این ترتیب که در صورت استفاده از گرمای ورودی بالاتر، اندازه دانه های بزرگتر خواهد شد .
دانه های جزئی ذوب شده در فصل مشترک جامد – مذاب محلهای مناسبی برای رشد فاز جامد به داخل حوضچه مذاب هستند. دانه ها به صورت رونشستی از فصل مشترک جامد – مذاب به سمت خط المرکزین جوش رشد می کنند. چون خواص مکانیکی جوش بویژه انعطاف پذیری آن وابسته به اندازه دانه است، لذا برای ریز نگهداشتن اندازه دانه ها سعی می شود تا حد امکان گرمای ورودی در حداقل ممکن حفظ و نگهداری شود و یا به طریقی ارتباط Epitaxy بین FZ و HAZ کاهش یابد.
ب ـ محصولات تغییر حالت
خواص مکانیکی ناحیه ذوب جوش تیتانیم علاوه بر اندازه دانه اولیه، بستگی به نحوه تغییر حالت فاز در حین سرد شدن در محدوده دمای پایداری فاز دارد. ریز ساختار نهائی بستگی به سرعت سرد شدن از بالای دمای تغییر حالت دارد که خود تابعی از نوع فرآیند جوشکاری، پارامترها فرآیند و سایر شرایط جوشکاری نظیر شکل هندسی قطعه و نحوه قید و بندسازی قطعه دارد. در نرخ های سرمایشی ناشی فرآیندهای جوشکاری EBW و LBW ، در نواحی FZو HAZ ، تغییر حالت فاز b بهa' اتفاق می افتد. ریز ساختار حاصله بسیار ریز و سوزنی است و مشخصه مکانیکی آن استحکام و سختی زیاد در مقابل انعطاف پذیری کم است. در نرخ های سرمایشی مربوط به فرآیند های جوشکاری GTAW وPAW، ریز ساختار حاصله از نوع ویدمن اشتاتن بهمراه باقیمانده و یا مخلوطی از آنها با مارتنزیت است. منتهی در فرآیندهای قوسی با حرارت ورودی زیاد نظیر GTAW رشد دانه های بسیار زیاد است.
ج ـ عملیات حرارتی پس از جوشکاری
همانطور که بیان شد ضمن جوشکاری تیتانیم و آلیاژهای آن مجموعه ای از تغییر و تحولات ساختاری در منطقه جوش و مجاور جوش رخ می دهد . لذا بایستی با مطالعه دقیق و بررسی مناطق مذکور و اعمال شرایط مناسب در طی جوشکاری و پس از آن خواص مطلوبی را در این مناطق به دست آورد. هدف از عملیات حرارتی پس از جوشکاری آلیاژهای تیتانیم عبارت است از:
– آزادسازی تنش های پسماند حرارتی ناشی از جوشکاری
– بهبود ریزساختار ایجاد شده در نواحی ذو ب و متاثر از حرارت
– تکمیل مرحله دوم در یک عملیات حرارتی دو مرحله ای بر روی فلز پایه
– پایدارسازی ریزساختار فلز جوش جهت استفاده در دمای بالا
انتخاب دما و زمان لازم جهت عملیات حرارتی پس گرم بستگی به نوع آلیاژ، ساختار جوش و منطقه مجاور جوش و کاربرد قطعه دارد. در عمل این عملیات مشکل و دارای هزینه بالائی می باشد، زیرا نیاز به اتمسفر خنثی در دماهای بالاتر از °c500 می باشد. علاوه بر آن احتمال کاهش استحکام جوش در دماهای بالا وجود دارد . به همین دلیل نزدیک سازی هر چه بیشتر خواص نواحی مختلف جوش و فلز پایه در کنار مسایل اقتصادی وصنعتی بدون انجام فرآیند عملیات حرارتی همواره موردنظر محققین بوده است.

.

ترکیبات :
مهمترین ترکیبات تیتانیم TiO2 می باشد . TiO2 به عنوان رنگدانه سفید در صنعت رنگ سازی – پلاستیک – سیمان مورد استفاده قرار می گیرد . همچنین از اکسید تیتانیم برای براق کردن سطح فلزات ، لعاب دادن دادن و در سرامیک ها استفاده می شود . یاقوت کبود و یا یاقوت قرمز درخشندگی خود را از دی اکسید تیتانیم موجود در خود می گیرند.

اثر تیتانیم بر سلامتی انسان :

میزان سمی بودن تیتانیم به جهت عنصری و اکسید تیتانیم اندک است . تنفس غبار تیتانیم باعث گرفتگی و درد سینه ، سرفه ، و مشکلات تنفسی می شود . اگر اکسید تیتانیم با پوست و چشم تماس پیدا کند باعث تحریک می گردد . تنفس ، تماس پوستی و چشمی راهای ورود اکسید تیتانیم به بدن انسان است . آژانس بین المللی تحقیقات سرطان اکسید تیتانیم رادر گروه 3 قرار داده است .

سایر مصارف عمده تیتانیم :

تیتانیم در صنایع هواپیما سازی – اتومبیل سازی – پزشکی – صنعت نفت – تصفیه آب و ساخت انبارهای مخصوص جهت نگهداری از ضایعات اتمی کاربرد دارد .

روش های استخراج و تولید تیتانیم :

1- فرآیند Kroll
2- فرآیند Hunter
3- فرآیند Armstrong
4- فرآیند FFC Cambridge

فرآیند کرول یک روش استخراج الکترومکانیکی است که در آن برای تولید تیتانیم از احیایTiCl4 استفاده می شود . مهمترین مزیت تولید مداوم ، صرفه جویی در مصرف سوخت و اتوماسیون تولید است اما با این حال بسیار گران و پیچیده است .
فرآیندهای Hunter ، Armstrong تقریبا شبیه کرول می باشد .در فرآیند FFC Cambridge از فازهای پودر دی اکسید تیتانیم برای تولید نهایی که جریان مداومی از تیتانیم مذاب است استفاده می شود.تیتانیم تولید شده در روش کرول به ازای هر پوند 50بالای دلار ودر روش آرمسترانگ به ازای هر پوند 5-8 دلار می باشد . متاسفانه اطلاعات قیمت دو روش دیگر در دسترس نبود اما به نظر می رسد فرآیند FFC یک ،رآیند جدیدتر و کم هزینه تر باشد .

انواع پودرهای تیتانیم:

شکل a : پودرهای اتمیزه شده که به روش پیش آلیاژ کردن تهیه می شوند

شکل b : پودرهای هیبرید – دی هیبرید که بوسیله پیش آلیاژ کردن تولید شده اند و به طور طبیعی گوشه دار هستند .

شکل c : فاز اسفنج ( یک محصول فرعی از تولید اسفنج )

شکل d : یک نوع پودر جدید که بوسیله فرآیند الکترولیز معکوس تولید شده است .

توسعه و پیشرفت متالورژی پودر تیتانیم (P/M) :

اخیرا استفاده از متالورژی پودر تیتانیم به عنوان یک روش ساخت مناسب قطعات از این فلز گران قیمت مورد توجه قرار گرفته است . در این جا روشهای مختلف متالورژی پودر تیتانیم مورد بررسی قرار گرفته اند که شامل :

1-Laser forming
2-Powder injection moulding(PIM
3-spray forming
4-near net shape:
a) blended elemental
b) Prealloyed
5-metal matrix composites
6-Far from equilibrium processing:
a) rapid solidification
b) mechanical alloying
c) vapor deposition

شکل دادن با لیزر Laser Forming :

تکنیک Laser Forming در این شکل نشان داده شده است . مشخصه های این تکنیک به شرح زیر می باشد :
1- کاهش زمان تولید
2- کاهش نسبت خرید به پرداخت
3- نیاز به حداقل ماشینکاری
هم اکنون از این روش برای تولید اشکال آزمایشی بزرگ تیتانیمی ( 3 تا 10 فوت ) در شرکت boeing استفاده می شود . تا در صورت موفقیت از آن برای ساخت قطعات واقعی استفاده شود .

قطعات تولید شده به روشLaser Forming
PIM (powder injection molding):
از این روش برای تولید قطعات پیچیده ی کوچک ( معمولا زیر 400 گرم ) استفاده می شود . در این فرآیند ابتدا پودر بلور با چسب پلیمری مقاوم به حرارت مخلوط می شود سپس فرم داده شده و زینتر می گردد . فرآیند زینتر باید در دماهای بالای C °150 برای شکل دهی به چسب صورت می گیرد که این دما به چسب ترموپلاست بستگی دارد .
عوامل زیر باعث می شود که استفاده از PIMدچار محدودیت شود .
1- عدم دسترسی به پودر مناسب.
2- عدم محافظت مناسب از تیتانیم در طول فرآیندهای دارای دمای بالا.
3- کمبود چسب های مطلوب برای عنصر فعالی چون تیتانیم.
تیتانیم تمایل زیادی برای ایجاد محلول های بین نشین با عناصر کربن – اکسیژن – نیتروژن دارد . حضور این عناصر به همراه فرآیند PIM را دچار مشکل می کند .
زیرا تیتانیم با آنها ترکیبات بین نشین تشکیل داده و باعث تردی می شود . بنابراین استفاده از یک چسب مناسب که بتواند به طور کامل ذرات پودر را پوشانده و از ترکیب آن با عناصر بین نشین جلوگیری کند بسیار مفید می باشد این مسئله به خصوص در کاربردهای اساسی مانند ساختارهای فضایی و اجزاء کاشت دارویی بسیار مهم می باشد . زیرا در این ساختارها میزان نا خالصیب باید کمتر از 200PPM باشد . با این اوصاف چسب مورد استفاده در فرآیند PIM تیتانیم باید دارای ویژگی های زیر باشد :

1- از ورود مواد ناخالصی(عناصری مثلC ,O2, N2 ) به داخل قطعات زینتر شده جلوگیری کنند
2- پایداری شیمیای داشته باشد یعنی تمایل به تجزیه شدن نداشته باشد .
3- پایداری شیمیای خود را در دماهای بالا و در زمانهای زیاد حفظ کند .

P.I.M مراحل تولید

همان طوری که گفته شد از PIM برای تولید قطعات پیچیده کوچک استفاده می شود . ابعاد قطعات PIM تیتانیم از نظر اندازه تا یک فوت می رسند اما در عمل قطعات با ابعاد بالای 3 تا 4 اینچ معمول نیستند .
زیرا اجزاء بزرگ به دلیل شکل پذیری کمترشان نسبت به قطعات کوچکتر ، در حین انقباض مشکل ساز شده و نمی توان آنها را به راحتی شکل داد .
با انجام آزمایشات و به ویژه با استفاده از چسب های جدید شکل انقباض تا حدی حل شده است . بر آوردها نشان می دهد که ماهانه 3 تا5 تن قطعه در ماه با استفاده از فرآیند PIM تولید می شود.

Spray Forming:

Spray Forming می تواند به وسیله فلز گداخته یا پودر جامد صورت گیرد هر دو شکل Spray Forming باید در یک محیط فاقد جنبش و تحت شرایط واکنش پذیر صورت بگیرد .
با استفاده از این روش قطعات با تقریب اندازه مناسبی بدست می آیند . یعنی دقت ابعادی قطعات تولید شده از این روش مناسب است.اخیرا استفاده از Spray forming سرد توسعه بیش تری نسبت به گذشته یافته است . در این روش اندازه پودر های مورد استفاده برای اسپری بین 50-1 میکرومتر دما زیر C °500 و سرعت افشانش بین 200-300 m/s می باشد . از Spray Forming سرد برای تولید 1- اشکال یکپارچه و 2- اجزاء پوشش می توان اسنفاده کرد . دانسیته ناحیه اسپری شده در این روش کامل نیست اما می توان با استفاده از فرآیند HIP دانسیته را تا 100 درصد افزایش داد.

نمودار مقایسه دمای spry forming گرم و سرد

مواد پوشش داده شده در اشکال مختلف

اشکال یکپارچه

نمایی از یک پوشش تیتانیمی روی فولاد که به وسیله اسپری فورمینگ ایجاد شده است.

Near Net Shape :

در فرآیند شکل دادن Near Net Shape از تکنیک های مختلفی مثل :

1-Press-and-Sinter
2- Cold Isostatic Pressing & Hot Isostatic Pressing

برای شکل دادن به قطعه استفاده می شود . برای راحتتر شدن کار قطعات تولید شده از Near Net Shape به دو بخش ، قطعات تواید شده با استفاده از تکنیک آمیختن ابتدایی(BE) و قطعات تولید شده با استفاده از تکنیک پیش آلیاژ کردن (PE) تقسیم می شوند .
1) تکنیک آمیخن ابتدایی (BE) این پتانسیل را دارد که به عنوان کم هزینه ترین فرآیند متالورژی پودر تیتانیم باشد به ویژه اگر در آن از مرحله فشرده سازی پانویه اجتناب گردد .تکنیک خا که های اسفنجی و آلیاژ اصلی به صورت ابتدایی آمیخته شده و پس از انجام عملیات فشرده سازی زینتر می شود قطعات تولید شده در این روش دارای دانسیته نسبتا بالایی می باشند .

چوب گلف ساخته شده از BE

چوب بیسبال ساخته شده ازBE تیتانیم

سوپاپ ساخته شده ازBE تیتانیم

استفاده از تکنیک Press-and-Sinterدر فرآیند BE راهی موثر برای صرفه جویی اقتصادی در تولید اجزاء و قطعات پیچیده است در این روش از پودر هیبرید شده تیتانیم همراه نسبت 60:40 آلومینیوم و وانادیم استفاده می شود وجود هیدروژن ویژگی زیر را به قطعه می دهد :
1-دانسیته بالا
2-ساختار میکروسکوپی همگن
3-خواص همگن شیمیایی
4-کم بودن محتوای ناخالصی
استفاده از این روش باعث کاهش بیش تر وزن قطعات تولیدی می شود . در مصرف سوخت صرفه جویی میکند به همین دلیل دارای صرفه اقتصادی است. قطعه دارای دانسیته بالایی می شود . و خواص آن با خواص شمش های ریختگی قابل مقایسه است . قیمت پایین این فرآیند همراه با خواص مکانیکی جالب توجه ، این فرآیند را به عنوان ، فرآیند مناسبی در صنعت اتومبیل سازی مطرح کرده است .
به طوری که هزینه تولید در این روش 3 دلار به ازای هر 320gr میباشد .

فرآیند استفاد از پودر هیدرید شده تیتانیم در فرآیند BE با استفاده از تکنیک Press and Sinter

Ti-6Al-4V parts produced using a press-and-sinter approach and titanium hydride: 1)Connecting rod with big end cap, 2) Saddles of inlet and exhaust valves, 3) Plate of valve spring, 4) Driving pulley of distributing shaft, 5) Roller of strap tension gear, 6) Screw nut, 7)Embedding filter, fuel pump, and 8) Embedding filte
نمونه ای از قطعات تولید شده با پودر هیدرید تیتانیم

2- پیش آلیاژ کردن PA :
از این فرآیند پیش آلیاژ کردن برای تولید اجزاء و قطعات پیچیده و بزرگ استفاده می شود . فرآیند PA با استفاده از پودر پیش آلیاژ شده صورت میگیرد.
پودرهای مورد استفاده در این روش باید کروی باشند . برای تولید پودر از تکنیک الکترود چرخشی پلاسما (PREP) و یا اتمیزه کردن گاز (GA) استفاده می شود .
در این روش پودرها در یک قالب فلزی یا سرامیکی پاشیده می شوند سپس به وسیله یک فرآیند ثانویه انباشته شده و به هم می چسبند و در نهایت طی یک فرآیند فشارش ایزو استاتیک گرم فشرده می شوند .

Ti-6Al-4V components produced from prealloyed Ti-6Al-4V powder, using HIP'ingand the ceramic mold process; (a) a nacelle frame for F14A Ti-6Al-6V-2Sn, (b) radial impellerfor F107 cruise missile engine Ti-6Al-4V

(Left photo) (left to right) Gamma titanium aluminide shapes made using prealloyedgas atomized powder followed by HIP'ing, (a) billet for subsequent forging, (b) forging or to bemachined, (c) a near net sonic shape for an engine application and (right photo) Exhaust nozzlecompression links for the F110 engine (power system for the F-16 Falcon), consisting ofcontinuous SiC fibers in a Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo matrix

صفحات آلومینای تیتانیم که در ناسا مورد استفاده قرار می گیرد .

فرآیندهای غیر تعادلی :
انجماد سریع ، آلیاژ سازی مکانیکی ، رسوب گذاری همه از نوع فرآیند های غیر تعادلی می باشند . با استفاده از قوانین جدید مثل میزان قابلیت حلالیت و به کمک سه فرآیند بالا می توان میکرو ساختار را تغییر داد و به یک ساختار ریز تر و پراکندگی بالاتر از فاز دوم دست یافت.
فرآیند رسوب دهی از بخار (VP) می تواند برای فلزاتی که در حالت عادی اصلا با هم مخلوط نمیشوند مثل تیتانیم و منیزیم به کار گرفته شود با استفاده از این روش می توان ترکیباتی کم دانسیته و ساختار های لایه ای در حد نانومتر تولید کرد.

خلاصه جدول فرآیندهای گوناگون P/M تیتانیم :

نمودار گستردگی فرآیندهای گوناگون P/M تیتانیم :

این نمودار نشان دهنده این است که استغاده از P/M و PIM نسبت به روشهای دیگر دارای دورنمای اقتصادی بهتری می باشد

شرکت های تولید کننده پودر ،قیمت و نوع پودر تولیدی

در این جدول نام تعدادی از شرکت های تولید کننده پودر، نوع و قیمت آنها آمده است .

استفاده پودر تیتانیم در هوافضا :
دلایل اصلی برای استفاده از تیتانیم در صنایع هوا فضا می تواند شامل موارد زیر باشد :
1- کاهش وزن ( توسط جایگزینی Ti با فولاد )
2- محدودیت فضا (جایگزینی Ti با آلیاژهای آلومینیم )
3- دمای عملیات (جایگزینی Ti با Al و Ni و فولاد )
4- مقاومت به خوردگی (جایگزینی Ti با آلیاژهای آلومینیم )
ویژگیهای زیر دلایل اصلی جایگزینی Ti با فولاد وآلیاژهای آلومینیم می باشد :
1- نسبت وزن به استحکام بالای تیتانیم
(یعنی دانسیته کمتر نسبت به فولاد و آلومینیم و در عین حال استحکام بالاتر )
2- مقاومت به خوردگی بالا
(مقاومت به خوردگی تیتانیم به گونه ای است که در محیط های خورنده نیاز به پوشش ندارد )
3- قابلیت استفاده از تیتانیم در رنج وسیعی از دما

از آلیاژهای پر مصرف در صنعت هوافضا می توان به Ti-6Al-4Cu اشاره کرد که نزدیک به 45 درصد کل تولید تیتانیم مربوط به این آلیاژ است . آلیاژ مناسب دیگر برای استفاده در صنعت هوایی Ti-13Nb-13Zr می باشد که دارای کاربردهای نظامی نیز می باشند . برای تولید محصول معمولا پودرهای دو آلیاژ بالا با یکدیگر مخلوط شده سپس مواد اضافی مانند چسبها اضافه می شود و مخلوط بدست آمده به صورت تک محور و تک عملیات تحت پرس ایزواستاتیک سرد قرار می گسیرد و در دمای 900 تا 1500 درجه سانتیگراد زینتر می شود .
بیش از یک دهه قبل مرکز توجه گسترش آلیاژهای تیتانیم از صنایع هوافضا به سمت کاربردهای صنعتی از جمله اتومبیل سازی انتقال پیدا کرد . با این حال صنعت تیتانیم هنوز وابسته به صنایع هوافضا است و این بخش هنوز درصد زیادی از کل مصرف تیتانیم را دارد.
استفاده از متالورژی پودر تیتانیم در صنایع اتومبیل سازی :
قطعات تولید شده از پودر تیتانیم هم می توانند درون موتور و هم می توانند بیرون موتور مورد استفاده قرار بگیرند .
درون موتور شامل : بادامک ، سوپاپ ، پین های پیستون ، میل لنگ ، اهرم های سوپاپ ، فنرهای نگهدارنده ، پروانه ، اگزوز
بیرون موتور شامل : پروانه ، دیسک ترمز ، اگزوز ، سیستم تعلیق ، توپی چرخ ها ، شاسی
مهمترین مزیت استفاده از تیتانیم این است که با کاهش 15 درصدی وزن اتومبیل ها قدرت موتور می تواند تا 50 درصد افزایش پیدا کند .

کاهش جرم یک فنر با استفاده از تیتانیم به جای فولاد

در این جدول قطعات تولید شده بوسیله متالورژی پودر تیتانیم توسط شرکت های معتبر از سال 1992 تا 2003 در قسمت های مختلف موتور تولید شده نشان داده شده است.نام شرکت هایی همانند BMW – هوندا – فراری – فولکس واگن – میتسوبیشی به چشم می خورد .

پتانسیل استفاده از P/M تیتانیم در اتومبیل

پتانسیل استفاده ازP/M تیتانیم در شاسی یک اتومبیل

قسمتهای مختلف یک موتور که به وسیله P/M تیتانیم تولید شده اند

در این شکل فرآیند تولید قطعات اتومبیل به وسیله آلیاژهای Ti-MMC را نشان می دهد . که در آن ایتدا پودر تیتانیم با TiC یا TiB2 مخلوط شده سپس تحت فشارش 400 mpa قرار می گیرد . ماده خام بدست آمده تحت خلاء و در دمای 1300ºc حرارت داده شد و برای مصارف صنعتی به کار گرفته می شود .

دلایل محدودیت استفاده از تیتانیم :
1- هزینه بالای تولید نسبت به آلومینیم و فولاد ( تقریبا سه برابر)
2- هزینه بالای ماشین کاری ( تقریبا 10 برابر بیشتر از ماشین کاری آلومینیوم )
3- هزینه بالای استخراج (هزینه استخراج تیتانیم در هر پوند تقریبا 30 برابر بیشتر از فولاد و 6 برابر بیشتر از آلومینیوم می باشد )

جدول مقایسه قیمت تیتانیم با فولاد وآلومینیوم :

با توجه به جدول مشاهده می شود تیتانیم در مقایسه با فولاد و آلومینیوم دارای قیمت بالاتری می باشد

9