پاورپوینت آلیاژهای تیتانیوم

موضوع سمینار:آلیاژهای تیتانیم
استاد مربوطه:آقای دکتر حداد
ارائه دهندگان:1-محمد علی محسنی زاده 2-سعید حسینی نسب
بهار1387

جدول 1- خواص فیزیکی منتخب تیانیم در مقایسه با خواص آلومینیوم و آهن
تیتانیم فلز نسبتاً سبکی است با چگالی gr/cm3 54/4 که بین چگالی آلومینیم (gr/cm3 71/2) و آهن (gr/cm3 87/7) قرار می گیرد. نقطه ذوب تیتانیم C ْ1668 است که از نقطه ذوب آهن بیشتر است، (C ْ1536) و مدول کشسان آن 2Ib/in1068/16 که بین مقادیر مربوط به آهن و آلومینیم قرار می گیرد.جزء فلزات با نقطه ذوب بالا است به دلیل تشکیلTio2 برای مقاومت وخوردگی و زد زنگ استفاده می شود به دلیل سبکی وزن و وزن مخصوص کم در موتور جت و در پوسته وبدنه قطعات هواپیما استفاده می شود استفاده تیتانیم در قطعات باعث کاهش وزن ودر نتیجه باعث کاهش سوخت می شود ، از تنها فلزاتی که در آب نمک ودر آب دریا خواص خستگی و خوردگی مناسبی دارد غیر مغناطیسی و قابلیت تغییر فرم پذیری عالی و کشش عالی دارد و نسبت استحکام و وزن آن بهتر از فولاد است.چگالی، نقطه ذوب و مدول کشسان تیانیم با خواص آلومینیم و آهن را جدول 1 مقایسه شده است.

تیتانیم دو شکل بلوری آلوتروپیک دارد این اشکال عبارتنداز که ساختار شش وجهی فشرده دارد و که ساختار بلوری مکعب مرکز دار دارد در تیتانیم خالص فاز تا 883 درجه سانتیگراد پایدار است در بیشتر از883 درجه سانتیگراد دمای تبدیل به هنگام گرم کردن شش وجهی به فاز مکعب مرکز دار تبدیل می شود.(شکل1)

سیستمهای آلیاژی تیتانیم و نمودارهای فازی
برای توجیه ریزساختارهای مختلفی که در آلیاژهای تیتانیم مشاهده شده است، لازم است از سیستمهای تثبیت شده مختلف و نمودارهای فازی آلیاژی دو تایی تیتانیم آگاهی داشته باشیم. با وجود این، باید یادآوری شود که نمودارهای فازی دوتایی را برای شرایط نزدیک به تعادل درنظر می گیرند. در صورتی که اغلب الیاژهای تجاری با آهنگهای سریعتری سرد می شوند. همچنین اغلب آلیاژهای تیانیوم از سه نوع سه تایی یا چهارتایی اند و آلیاژها دوتایی نیستند.
آلیاژهای دوتایی تیتانیم به دو سیستم پایدار شده تقسیم می شوند: و . در سیستم پایدار شده ، منطقه فاز با افزایش عناصر پایدارکننده وسیعتر می شود. در سیستم پایدار شده ، منطقه فاز ، با افزایش عناصر پایدارکننده وسیعتر می شود.
سیستم پایدار شده
در سیستم دوتایی پایدار شده برطبق شکل 1 عناصر آلیاژی بیشتر در فاز محلول اند و خط دگرگونی به طرف بالا حرکت می کند.

برخی از عناصر جانشینی که فاز تیتانیم را پایدار می کنند، آلومینیم، گالیم و ژرمانیم می باشند. از بین این سه عنصر، آلومینیم مهمترین است. درحقیقت تقریباً همه آلیاژهای تیتانیم دارای آلومینیم می باشند زیرا آلومینیم برای شکلپذیری و سبکی به تیتانیم افزوده می شود. خط دگرگونی فاز در تیتانیم در در شکل(2 ) آمده است.Ti-Alنمودار فازی
بعضی از عناصر آلیاژی بین نشین نیز فاز را پایدار می کنند. اکسیژن، نیتروژن، و کربن همه عناصر پایدارکننده هستند. از آنجا که اکسیژن ناخالصیی است که در تمام آلیاژهای تجارتی تیتانیم یافت می شود، یک عنصر مهم پایدارکننده می باشد. گاهی با استفاده از مقدار اکسیژن می توان استحکام را مشخص کرد البته میزان حلالیت هید روژن درتیتانیم از دمای (3300 درجه سانتیگراد به بالا) افزایش می می شود که باعث شکننده شدن آلیاژ می شود.Tih یابد و باعث تشکیل هیدرورتیتانیم

سیستمهای پایدار شده
در سیستمهای پایدار شده، عناصر آلیاژی، فاز در تیتانیوم را پایدار می کنند. دو سیستم پایدار شده وجود دارد: هم شکل و اوتکتویید.
سیستم هم شکل ، در سیستم هم شکل عناصر آلیاژی به طور کامل در فاز محلول اند و تجزیه به و یک فاز دیگر یا ترکیب دیگر انجام نمی شود. با افزایش مقدار عنصر آلیاژی، دمای دگرگونی کاهش می یابد (شکل 3).

عناصر آلیاژی که از نوع هم شکل اند عبارتند از: وانادیم، مولیبدن، تانتالم و کلومبیم. مهمترین این عناصر وانادیم و مولیبدن می باشند که نمودارهای فازی آنها در شکلهای 4 و 5 آمده است.

سیستم اوتکتویید ، در این سیستم عناصر آلیاژی فاز را پایدار می کنند، اما اگر سرد کردن خیلی آرام انجام شود فاز می تواند به فاز به اضافه یک فاز یا یک ترکیب دیگر تبدیل شود (شکل 6).

عناصر آلیاژی اوتکتویید دو نوع اند. 1- تشکیل دهنده های سریع یا فعال اوتکتویید و 2- تشکیل دهنده های آرام یا کند اوتکتویید. در تیتانیم تشکیل دهنده های سریع اوتکتویید سیلیسیم و مس هستند. این عناصر باعث می شوند فاز خیلی سریع به یک ترکیب و فاز تجزیه شود. تشکیل دهنده های آرام اوتکتویید عناصری مثل کرم، منگنز، آهن، نیکل، و کبالت می باشند. این عناصر در آهنگ تجزیه اوتکتوییدی خیلی کند هستند. شکل 7 نمودار فازی نشان می دهد. Ti-Cr

سایر عناصر آلیاژی. قلع و زیرکونیم به اغلب آلیاژهای تیتانیم اضافه می شوند. این عناصر حلالیت زیادی در هر دو فاز جامد و دارند ولی تاثیر زیادی در پایدار کردن فاز ندارند. این عناصر از این جهت مفیدند که در استحکامدهی محلول جامد شرکت کرده و تشکیل فاز مضر در تیتانیم مثل فاز راکند می کند. شکل 8 نمودار فازی سیستم را نشان میدهد .Ti-sn و شکل 9 نمودار فازی Ti-zr.

طبقه بندی آلیاژهای تیتانیم
آلیاژهای تیتانیم برحسب فازهای موجود در ساختار آنها طبقه بندی می شوند. آلیاژهایی که بیشتر از فاز تشکیل شده اند، آلیاژهای نامیده می شوند، در حالی که آلیاژهایی که اساساً دارای فاز با مقدار کمی عناصر پایدارکننده باشند به نام آلیاژهای نزدیک به تیتانیم – نامیده می شوند. آلیاژهایی که شامل مخلوط فاز و می باشند. به عنوان آلیاژ + نامیده می شوند. بالاخره آلیاژهای تیانیم که فاز بعد از سرکردن از دمای عملیات حل سازی در دمای اتاق پایدار شده است به عنوان آلیاژ طبقه بندی می شوند.

آلیاژهای تیتانیم . به طور کلی بر روی آلیاژهای و نزدیک نمی توان عملیات گرمایی وجوشکاری انجام داد، این آلیاژها دارای استحکام متوسط، چقرمگی خوب و مقاومت خزشی خوب در دمای بالا می باشند.

آلیاژهای تیتانیم + . با عملیات گرمایی می توان استحکام اغلب آلیاژهای + را تا حد متوسطی افزایش داد. سطح استحکام آنها متوسط به بالاست، آنها خواص شکلپذیری خوبی نیز دارند ولی در دماهای زیاد مقاومت خزشی مطلوبی مثل مقاومت خزشی آلیاژهای و نزدیک ندارند.

آلیاژهای . با عملیات گرمایی می توان استحکام آلیاژهای غنی از را تا حد خیلی زیادی افزایش داد و نیز این آلیاژها به آسانی شکلپذیرند. اما، چگالی نسبتاً زیادی دارند و وقتی استحکام زیادی داشته باشند شکلپذیری آنها کم است. براثر این معایب، در حال حاضر کاربرد زیادی ندارند.

آلیاژهای تیتانیم
ترکیب شیمیایی و کاربردهای خاص
به دلیل Ti-%5Al-%2/5Sn امروزه تنها یک آلیاژ مهم تمام وجود دارد که کاربرد تجارتی دارد، و ترکیب اسمی آن آلومینیم و قلع هر دو پایدارکننده در تیتانیم می باشند، این آلیاژ تمام است.(جدول2)
آلومینیم یکی از مهمترین عناصر آلیاژی برای تیتانیم به شمار می رود زیرا استحکام آن را تشکیل محلول جامد افزایش داده Ti-%5Al-%2/5Sn و چگالی آن را نیز کاهش می دهد. به آلیاژ
جدول2) قلع می افزایند زیرا با ایجاد محلول جامد موجب افزایش استحکام می شود. اکسیژن، که تا حدودی در تمام آلیاژهای تیتانیم وجود دارد، نیز مثل آلومینیم پایدارکننده قوی است و استحکام تیتانیم را افزایش می دهد. با وجود این، مثل تمام عناصر بین نشین در تیتانیم، اکسیژن شکل پذیری آن را کاهش می دهد و بنابراین یک آلیاژ مخصوص کم اکسیژن Ti%5Al-%2/5Sn برای کاربردهایی بوجود آمد که نیاز به شکلپذیری خوب در دمای پایین دارند. آلیاژ قابل جوشکاری است و پایداری و مقاومت به اکسایش خوبی در دمای بالا دارد. با وجود این، استحکام آن متوسط است.
ریزساختار
، آلیاژهای تیتانیم تمام ساختار بلوری را دارند. ممکن است بر اثر حضور ناخالصیهای پایدارکننده مثل HCP آهن، مقادیر کمی فاز نیز وجود داشته باشد. برای مثال ریزساختار آلیاژبالا(شکل10) بعد از تبلور مجدد، فاز 3% موجود در این آلیاژموجب شده ذرات ریز رسوب کنند. Feذرات ریز فاز رادرساختارتمام نشان
آلومینیم مهمترین عنصر آلیاژی جانشینی در تیتانیم می باشد زیرا به مقدار زیادی فاز را پایدار می کند، در حالی که استحکام تیتانیم را افزایش و چگالی آن را کاهش می دهد. با وجود این، مقدار آلومینیمی که برای تیتانیم به کار می رود به 5 تا 6% وزنی محدود می شود زیرا بر اثر آن، فاز همدوس منظم تشکیل می شود می شود.Ti-Al باعث شکنندگی آلیاژهای می شود. که(Ti3Al)
افزایش قلع، زیرکونیم و اکسیژن (اغلب به صورت ناخالصی وجود دارند) نیز فاز را در تیتانیم پایدار می کند و استحکام فلز را افزایش می دهد. طبق نظریه روزنبرگ حداکثر آلومینیم معادل این عناصر آلیاژی که باید به تیتانیم اضافه شوند تا از تشکیل زیاد فاز 2 جلوگیری کند برابر است با :

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

آلیاژهای نزدیک به تیتانیم
ترکیب شیمیایی و کاربردهای خاص
آلیاژهای نزدیک به تیتانیم آلیاژهایی هستند که در آنها مقداری فاز در ساختار فازی تمام پخش شده است. مقدار کمی مولیبدن و واندیم (1تا2%)، که عناصر پایدارکننده هستند، به این آلیاژ افزوده می شود تا مقداری فاز در دمای اتاق باقی بماند.
جدول 3 – ترکیب شیمیایی و کاربردهای خاص آلیاژهای نزدیک به تیتانیم آلفا

جدول( 3 )ترکیب شیمیایی و کاربردهای خاص اغلب آلیاژهای تجارتی نزدیک به تیتانیم را نشان میدهد. Ti-%6Sl-%2Sn-%4Zr-%2Mo قلع و زیرکونیم به بعضی از این آلیاژها افزوده می شوند مثل: بنابراین مقدار آلومینیم آنها را می توان کاهش داد به طوری که استحکام خود را حفظ کنند. بین آلیاژهای نزدیک به تیتانیم ، آلیاژهای Ti-%8Al-%1Mo-%1Vو Ti-%6AL-%2Sn-%4Zr-%2Mo بیشترین کاربرد را دارند و در سال 1978 حدود 3% بازار تیتانیم را به خود اختصاص دادند.
برای کاربرد در دمای نسبتاً زیاد در قسمت تحت فشار Ti-%8Al-%1Mo-%1V ابتدا آلیاژ موتورهای جت توسعه پیدا کرده و در قطعات بدنه هواپیما به کار رفته است. این آلیاژ خواص مطلوب مانند قابلیت جوشکاری خوب، مقاومت خزشی و چقرمگی خوب، استحکام زیاد، شکلپذیری کم و مدول بالایی دارد. از معایب این آلیاژ مستعد بودن آن به شکست بر اثر خوردگی تنشی در محیط نمک است.
ریزساختارها
یکی از دو آلیاژ پرکاربرد نزدیک به تیتانیم است و چون تغییرات Ti-%8AL-%1Mo-%1V ریزساختار آن کاملاً شناخته شده است به عنوان مثالی برای این گروه از آلیاژها به کار می رود.

آلیاژهای تیتانیم _
ترکیب شیمیایی و کاربرد خاص
در این طبقه از آلیاژهای تیتانیم، یک یا چند عنصر پایدارکننده به مقدار کافی وجود دارد تا در دمای اتاق مقدار چشمگیری فاز نگه داشته شود، و درنتیجه ساختار + ایجاد شود. برای افزایش استحکام آلیاژهای تیتانیم – می توان عملیات حل سازی، آب دادن و پیرسازی را انجام داد.
این آلیاژ مهمترین و پرکاربردترین آلیاژ تیتانیم می باشد که در سال Ti-%6AL-%4V 1978، 55% بازار تیتانیم را به خود اختصاص داده بود. این آلیاژ را می توان به آسانی جوشکاری، آهنگری و ماشینکاری کرد و در انواع مختلف محصولات از قبیل ورق، اکستروژن، سیم و میله موجود است. این آلیاژ در صنایع نظامی نیز به کار می رود. این آلیاژ قابلیت عملیات گرمایی برای رسیدن به حداکثر استحکام را دارد (165) و از دیدگاهمتالورژی تا ْ482 پایدار است. یکی از معایب این آلیاژ سختی پذیری کم است و فقط مقاطعی را که تا یک اینچ ضخامت دارند می توان کاملاً سخت کرد، زیرا یک آلیاژ + «فقیر» است.

جدول 4 – ترکیب شیمیایی و کاربردهای خاص آلیاژهای تیتانیم –

ریزساختار
ریزساختار آلیاژهای تیتانیم اساساً به عوامل زیر بستگی دارد، 1- ترکیب شیمیایی، 2- تاریخچه فرایند آنها، و 3- عملیات گرمایی. ریزساختارهای این آلیاژها اغلب دوتایی اند و شامل ترکیباتی با ریزساختارهای مختلف هستند. چون این آلیاژها خیلی پیچیده اند، دراینجا تنها درباره تغییرات ریزساختار مهمترین آلیاژی که مطالعه شده، Ti-
%6AL-%4V بحث کرده ایم چنین تغییراتی در آلیاژهای Ti-%6AL-%6V-%2Sn و Ti-%6AL-%2Sn-
خیلی پیچیده ترند و اطلاعات موجود درباره آنها خیلی کمتر است.
Ti-%6AL-%4V تغییرات ریزساختاری در آلیاژ بر اثر عملیات گرمایی. نمودار فازی شبه دوتایی تغییراتی که در ریزساختار آلیاژ بر اثر عملیات گرمایی ایجاد می به درک بهتر کمک می کند (شکل11)
سرد کردن از بالای خط دگرگونی (1660) درجه سانتی گراد
ساختار به وجود آمده به نوع سرد کردن و روشی که به کار می رود بستگی دار
تا بالای خط دگرگونی Ti-%6AL-%4V 1- آب دادن در آب از دمای ْ1066 . گرم کردن میله ای از آلیاژ
می باشد (شکل 11) و نگه داشتن در آن دما به مدت یک ساعت، ساختار تمام تولید می کند
هنگام آب دادن در آب از دمای 1660، یک ساختار تمام (مارتنزیت تیتانیم) به وجود می آید (شکل 12) ریزساختار مارتنزیت ازصفحات مجزا که به سختی دوقلویی شده و ساختارهگزاگونال دارند تشکیل شده است.(شکل13) اصولاً مستحکم شدن مارتنزیت تیتانیم ناشی از ریز شدن دانه ها براثر تبدیل ساختارهگزاگونال به مکعب مرکزدار و افزایش چگالی نابجاییها بر اثر دگرگونی سریع می باشد. معمولاً در مقایسه با مارتنزیت فولادهای کربنی، مارتنزیت تیتانیم نرمتر است. آنها سختی زیادی ندارند زیرا عناصر بین نشین کربن، اکسیژن و نیتروژن در فاز شش وجهی، که در دمای پایینتر پایدار است، بیشتر حل می شود. مارتنزیت تیتانیم تنها با عناصر پایدارکننده مثل وانادایم و مولیبدن فوق اشباع می باشد. با وجود این، پیر کردن یا بازپخت مارنتزیت تیتانیم منجر به افزایش استحکام می شود و این به دلیل رسوب فاز از فاز ناپایدار مارنتزیت می باشد. شکل 14 رسوبهای فاز را نشان می دهد که در حین بازپخت مارتنزیت در آلیاژ ایجاد شده است.

2- سرد کردن در هوا از ْ1066. آلیاژحل سازی شده که از دمای ْ1066 در هوا سرد شده و حدود ْ50 بالای خط دگرگونی می باشد(شکل11) ساختاری را به وجود می آورد شامل سوزنی شکل که از تبدیل فاز بر اثر جوانه زنی و رشد به وجود آمده است. این نوع ساختار، که با آهنگهای متوسط سرد کردن از دمای بالا به وجود می آید در شکل ( 15)
آمده است.

3 – سردکردن در کوره از دمای ْ1066. سردکردن آهسته (در کوره) آلیاژ حل سازی شده از دمای ْ1066، که حدود 50 درجه بالای خط دگرگونی می باشد، ساختاری را به وجود می آورد که خیلی نزدیک به حالت تعادل می باشد. در نتیجه، صفحات بزرگ بر اثر جوانه زنی و رشد به وجود می آیند، بر اثر سرد کردن تدریجی مقداری فاز باقی می ماند که به صورت مرزدانه ای می باشد. (شکل16)

)Ms شکلهای مربوط به سرد کردن از845 درجه سانتیگراد(بلافاصله زیر دمای

آلیاژهای تیتانیم
ترکیب شیمیایی و کاربردهای خاص
اگر مقدار کافی از عناصر پایدارکننده به تیتانیم افزوده شود پس از آبدهی ساختاری کامل از از نیمه پایدار در دمای اتاق به دست می آید و حتی گاهی پس از سرد شدن در هوا. عناصر آلیاژی اصلی برای تیتانیم عبارت است از وانادیم، مولیبدن، کرم و آهن. گاهی زیرکوئیم افزوده می شود، زیرا موجب افزایش استحکام در فاز و می شود. همچنین به اغلب این آلیاژها آلومینوم نیز اضافه می شود، زیرا آلومینیم وزن مخصوص را کم می کند، مقداری سختی محلول جامد به وجود می آورد و مقاومت با اکسایش را بهتر می کند. ترکیب شیمیایی و کاربردهای خاص آلیاژهای تیتانیم متداول در جدول( 5 ) آمده است.
آلیاژهای تیتانیم ، به دلیل داشتن ساختار بلوری مکعب مرکز دار، در شرایط حل سازی شده و آبدهی شده به آسانی کار سرد می شوند و می توانند برای ایجاد استحکامهای بیشتر بلافاصله پیر شوند. اما چگالی آنها نسبتاً زیاد است زیرا درصد فلزات سنگینی چون وانادیم و مولیبدن زیاد است. وقتی استحکام زیاد باشد این آلیاژها شکلپذیری کمی دارند. در مقاطع ضخیم، اندازه دانه بزرگ و جدایش شیمیایی صورت می گیرد، که منجر به شکلپذیری کم در کشش و عمر کم در خستگی می شود. درنتیجه، آلیاژهای تیتانیم نیمه پایدار در حال حاضر کاربرد زیادی ندارند.
جدول 5 – ترکیب شیمیایی و کاربرد خاص آلیاژهای

منابع
1- ساختار،خواص،وکاربرد آلیاژهای مهندسی-علی اکبر اکرامی-سید مرتضی سید ریحانی
2-آلیاژهای سبک-اردشیر طهماسبی