پاورپوینت تیتانیوم و آلیاژهای آن

به نام خدا
تیتانیوم و آلیاژهای آن
1

2
معرفی ماده:
تیتانیوم فلزیِ خالص(%9/99) اولین بار در سال 1910توسط متیو هانتر تهیه شد.
عنصری سبک و مقاوم
دارای جلا به رنگ سفید نقره ای
نماد آن در جدول تناوبی Ti
پس از آهن، آلومینیوم و منیزیوم، چهارمین فلز موجود در پوسته زمین است.
موجب حساسیت در پوست نمی­شود.
تیتانیوم فلزی قوی با چگالی کم و کاملاً انعطاف پذیر (مخصوصا در حضور اکسیژن) است.

3
قطر اتمی آن مشابه فلزاتی مانند:

آلومینیوم
آهن
قلع
وانادیوم
تیتانیوم به راحتی می تواند آلیاژ شود تا خواص را بهبود بخشد.
نمونه هایی از آلیاژهای تیتانیوم:
آلیاژهای تیتانیوم:
Ti-6Al-4V
و
Ti-24Nb-4Zr-8Sn
آلیاژهای تیتانیوم با افزودن عناصری مانند آلومینیوم ، وانادیوم ، مولیبدن ، نیوبیوم ، زیرکونیوم و بسیاری دیگر برای تولید آلیاژهایی نظیر:

4
خواص فیزیکی:
از لحاظ مغناطیسی پارامگنتیک است.
عدد اتمی تیتانیوم 22 و جرم اتمی آن 47/90
دارای نقطه ذوب 1660 درجه سانتی گراد و نقطه جوش 3287درجه سانتی گراد
شعاع اتمی تیتانیوم حدود147 پیکومتر است.
دارای سه ظرفیت(2،3،4)
تیتانیوم در حالت استاندارد، جامد نقره ای رنگ است
رسانایی الکتریکی و حرارتی نسبتاً کمی دارد

5
مقایسه­ی خواص فیزیکی تیتانیوم با سایر فلزات نجیب:

6
دمای تبدیلβ:
در دمای محیط تیتانیوم خالص تجاری به شکل فاز آلفا می باشد. با افزودن عناصر آلیاژی به تیتانیوم، مقادیر هر فاز و دمای تبدیل بتا تغییر میکند.
تیتانیوم خالص در دمای محیط ساختار کریستالی هگزاگونال (شش وجهی) آلفا α فشرده دارد که در دمای تقریبا (882.5 درجه­ی سانتی گراد)
تبدیل به ساختار BCC – بتا β می شود.
فاز آلفا
فاز بتا
882.5 درجه­ی سانتی گراد

7
نمودارهای فازی:
882.5
عناصر تثبیت کننده ی فازهای آلفا
بتای همشکل
بتای یوتکتوئید
خنثی

8
خواص مکانیکی:
فلزی سخت که استحکام آن 3 برابر فولاد است.

استحکام بالا
مدول یانگ نسبتا پایین
چقرمگی بالا
چگالی پایین
مقاومت به خوردگی و خزش عالی

9
روش­های تولید:
اصلی ترین فرآیندهایی که موجب تولید تیتانیوم می شوند عبارتند از:
هانتر، کرول، آرمسترانگ و کمبریج
فرآیند هانتر(hunter)

اولین فرآیند برای تولید تیتانیوم است.
این فرایند شامل احیای تتراکلرید تیتانیوم (TiCl4) با سدیم (Na) در یک مخزن فولادی در دمای ۷۰۰ تا ۸۰۰ درجه سانتی گراد میباشد.

TiCl4 + 4 Na → 4 NaCl + Ti

10
فرآیند هانتر با فرآیندی نوین به نام کرول (kroll) جایگزین شد.

این فرآیند شامل 4 مرحله است:

1- کلریناسیون سنگ معدن به تیتانیوم (IV) کلرید

2- خالص سازی تیتانیوم (IV) کلرید

3- کاهش تیتانیوم (IV) کلرید به اسفنج تیتانیوم

3- فرآوری اسفنج تیتانیوم

فرآیند کرول (kroll) :

11
فرآیند آرمسترانگ:

12
فرآیند کمبریج:
تحقیقات در دانشگاه کمبریج انگلستان موجب توسعه روشی بر پایه الکترولیت شد که دی اکسید تیتانیوم را به طور مستقیم به تیتانیوم تبدیل کند.

13
روش­های تولید آلیاژهای تیتانیوم:
متالورژی پودر:
از روش­های متداول برای تولید آلیاژهای تیتانیوم

به کمک این روش پودر مورد نظر با سایر عناصر آلیاژی مخلوط شده و نهایتا تحت فشار بالا قرار گرفته و زینتر می­شود.
در این فرآیند به واسطه برهم کنش تیتانیوم با گازهای بین شبکه ای N2 وO2 ، روش های پیچیده ای بایستی اتخاذ شود،
آلیاژهای پودری تیتانیوم معمولاً بسیار پر هزینه خواهند بود.

14
روش ذوب القایی تحت خلاء(VIM):
کوره های (VIM) شامل بوته های سرامیکی هستند که جایگاه فلز است.

بوته توسط کویل های سرد شونده با آب احاطه می شود.

یک میدان مغناطیسی با جریان AC توسط این کویل ها ایجاد می شود.

جریان های گردابی ایجاد می شود که باعث حرارت دادن به بوته و ذوب فلز میشود

15
ذوب مجدد قوسی تحت خلاء(VAR):

این فرآیند با ذوب یک الکترود اولیه آغاز میشود.

الکترود اولیه از شمش ریختگی در مرحله قبل در (VIM) تهیه شده یا از بلورک های بهم پیوسته اسفنج و عناصر آلیاژی ساخته میشود.

اسفنج و عناصر آلیاژی در یک مخلوط کن، مخلوط میشوند.

مخلوط در قالب قرار میگیرد و در دمای اتاق تحت فشار، فشرده شده تا بلورک ها به وجود آیند.

بلورک ها در اتاق جوشکاری گاز خنثی بهم جوش میخورند و الکترود ذوب اولیه ایجاد میشود.

خروجی شمش های مدور است.

16
کاربردهای تیتانیوم و آلیاژهای آن:
خصوصیات آلیاژهای تیتانیوم به ریزساختارشان بستگی داشته و تحت تاثیر عملیات حرارتی و ترکیب شیمیایی می­باشد.
به علت مقاومت به خوردگی بالا در آلیاژهای تیتانیوم،
به طور گسترده در صنایع هوا-فضا، خودرو و زیست پزشکی استفاده می­شود.

17
میزان مصرف انواع آلیاژهای تیتانیوم در مقایسه با هم:

18
زمان بندی روند توسعه تیتانیوم و آلیاژهای آن در صنایع مختلف:

19
منابع:
[1] H. Agripa and I. Botef, "Modern production methods for titanium alloys: a review," in Titanium Alloys-Novel Aspects of Their Manufacturing and Processing: IntechOpen, 2019.

[2] H.-S. A. P. M. Alloys, "Properties and selection: nonferrous alloys and special-purpose materials," 1990.

[3] C. Leyens and M. Peters, Titanium and titanium alloys: fundamentals and applications. John Wiley & Sons, 2003.

[4] C. Veiga, J. Davim, and A. J. R. A. M. S. Loureiro, "Properties and applications of titanium alloys: a brief review," vol. 32, no. 2, pp. 133-148, 2012.

[5] م. عباسی- م. نفری قلعه، «تیتانیوم و آلیاژهای آن در مهندسی پزشکی»، تهران، انتشارات: دانشگاه صنعتی مالک اشتر(1398)