پاورپوینت آشنایی با تیتانیوم

بخشی از پاورپوینت

اسلاید 1 :

علم مواد: آشنایی با تیتانیوم
گروه مهندسی مکانیک بیوسیستم

اسلاید 2 :

Titanium & Titanium Alloys
تیتانیوم در سال 1790 میلادی کشف شد اما تا اوایل دهه 1900 میلادی مورد خالص ­سازی قرار نگرفت. به علاوه، از این فلز تا نیمه دوم قرن بیستم به طور گسترده استفاده نشد. اما اکنون تیتانیوم دارای تجربه حدوداً 50 ساله­ ای از استفاده صنعتی مدرن و طراحی برای پشتیبانی از کاربرد خود است. بیشتر این کاربرد در کاربردهای نظامی در هواپیماهایی نظیرSR71  یا موتورهای توربین­های گازی بوده است. تازه­ ترین موارد استفاده آن شامل مواردی نظیر چوب گلف و دوچرخه می­شود. به دلیل چگالی منحصر بفرد، 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 تأیید می­کند.

اسلاید 3 :

نکاتی در ارتباط با فلز تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم :

- 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 آستنیتی و فریتی بهتر باشد. آلیاژهای تیتانیوم می­ توانند استحکام­ های نهایی قابل­ مقایسه­ ای با سوپرآلیاژهای پایه آهن نظیرA286  یا سوپرآلیاژهای پایه کبالت نظیرL605  داشته باشند.

اسلاید 4 :

- قیمت تیتانیوم- درحالی­که تقریباً چهار برابر قیمت فولاد ضدزنگ است- قابل مقایسه با قیمت سوپرآلیاژهاست.
تیتانیوم به طور قابل انتظاری مقاوم به خوردگی است. این مقاومت غالباً 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- ترجیحاً 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)

اسلاید 5 :

آهنگری (فورج کاری)، کار بر فلز توسط پتک کاری یا پرس کاری و در آوردن آن به یک شکل مفید است. در این فرآیند نیروهای بزرگی به کار گرفته می شود و لوازم کار اغلب بسیار سنگین هستند.

در روش فورج، قطعه اولیه که لقمه نامیده می شود در میان دو نیمه قالب قرار می گیرد و نیرویی زیاد به صورت آرام و گاهی ضربه ای به آن وارد می شود. به این ترتیب قطعه گداخته در محیط قالب، شکل و فرم داخل قالب را به خود می گیرد و فلز اضافی به حفره خروجی وارد می شود (به صورت متصل به لقمه) که بعداً از قطعه جدا می شود و دور ریز قطعه فورج شده محسوب می گردد.

اسلاید 6 :

فرآیند فورج معمولاً به صورت گرم انجام می گیرد و هر فلزی میزان حرارت مشخصی برای فورج شدن دارد. در روش فورج قطعه گداخته شده در کوره که به حرارت مشخص رسیده باشد را در قالب می گذارند که بر اثر فشار، فرم قالب را به خود بگیرد. قطعات فورج شده نسبت به روش های دیگر تولیدی از استحکام و خواص مکانیکی عالی تری برخوردار می باشند. اکثر فلزات، قابلیت آهنگری و فورج شدن را دارا هستند. فلزاتی مانند فولادهای آلیاژی و فولادهای کربنی و آلومینیوم و آلیاژهای آن، برنج، مس و آلیاژهای آن ها و. برای فورج مناسب می باشند. قالب های فورج برای فرم دهی و شکل دهی فلزات در تولید انبوه استفاده می شود که گاهی با حرارت دهی قطعات کار و گاهی بدون حرارت دهی صورت می گیرد.

اسلاید 7 :

- تیتانیوم را می­توان به وسیله روشPM  (متالورژی پودری) فرآوری نمود (پودر ممکن است هزینه بیشتری داشته باشد اما روشPM  دارای خواص و فرآوری مطلوب­تری علاوه بر قابلیت صرفه­ جویی در هزینه کلی دارد).

- تیتانیوم را می­توان به وسیله 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 در نظر گرفته شود.

- تیتانیوم در گستره ­ای از شکل­ها و انواع مختلف موجود است.

اسلاید 8 :

نقطه ذوب تیتانیوم بیش از1660 درجه سانتی گراد است هرچند عملکرد بیشتر آلیاژهای تجاری در 538 درجه سانتی گراد یا کمتر از آن است. تیتانیوم دارای دو ساختار بلوری عنصری است: در یکی، اتم­ها در یک آرایه مکعبی مرکز پر و در دیگری اتم­ها در آرایه شش­ وجهی فشرده آرایش یافته­ اند. ساختار مکعبی فقط در دماهای بالا یافت می­شود مگر اینکه تیتانیوم با سایر عناصر برای حفظ ساختار مکعبی در دماهای کمتر آلیاژسازی شود.

دو ساختار بلوری از تیتانیوم به نامهای آلفا و بتا شناخته شده­ اند. آلفا در واقع به تیتانیوم شش­ وجهی-خالص یا آلیاژی- اشاره دارد درحالی­که بتا مشخص­ کننده هر تیتانیوم مکعبی خالص یا آلیاژی می ­باشد. ساختارهای آلفا و بتا- که گاهی سیستم یا گونه نیز نامیده می­ شوند- پایه کلی چهار دسته پذیرفته­ شده از آلیاژهای تیتانیوم هستند: آلفا، شبه آلفا، آلفا- بتا و بتا.

اسلاید 9 :

نکات دیگری درباره ساختار تیتانیوم:

تیتانیوم تجاری خالص 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 به طور 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.

اسلاید 10 :

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 معمولاً دارای مقداری اکسیژن آلیاژی­ شده با تیتانیوم می­باشد. استحکام تیتانیوم توسط مقدار عنصر بین­ نشین (اکسیژن و نیتروژن) تحت تأثیر قرار می­ گیرد.

آلیاژهای آلفا معمولاً دارای مقادیر زیادی آلومینیوم هستند که به مقاومت اکسیداسیون در دماهای بالا کمک می­کنند (آلیاژهای آلفا- بتا هم­چنین دارای آلومینیوم به عنوان 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 فرآوری در محدوده دمایی ­ای که آلیاژ دوفازی (آلفا و بتا) است می­ نماید.

اسلاید 11 :

هنگامی که آلیاژهای آلفا- بتا به طور مناسبی عمل ­آوری شوند دارای ترکیب عالی استحکام 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 فرآوری به دست می­ آورند.

مهم­ترین مزیت ساختار بتا، قابلیت شکل­پذیری بیشتر چنین آلیاژهایی نسبت به ساختار بلوری شش ­وجهی (آلفا و آلفا- بتا) می­باشد.

اسلاید 12 :

آلومینایدهای تیتانیوم از این نظر با آلیاژهای معمولی تیتانیوم متفاوت هستند که اصولاً ترکیبات شیمیایی 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 معمولاً دارای 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 و هزینه مفید هستند.

اسلاید 13 :

- آلیاژهای پودری در حال پذیرفته­ شدن بیشتر هستند. هم­چنین، فرآوری 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 پیچیده پودر ضرورت می­ یابند. متعاقباً، پودرهای آلیاژی تیتانیوم ممکن است برای بسیاری از کاربردها، بیش از حد گران­قیمت باشند. به علاوه، سطح خواص مورد نظر برای ترکیبات آلیاژی مرسوم فرآوری­ شده از پودر ممکن است انتظارات را برآورده نسازد. به­ هرحال، در حالت پودر، قابلیت­هایی نظیر متعادل­سازی قیمت، قابلیت حصول به شکل نزدیک به نهایی 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 فرآوری­ شده پودری در طراحی آلیاژ کارشده در اواخر مراحل موجود.

اسلاید 14 :

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. اما جایگزینی برای تماس شخصی با یک تامین­کننده یا تولیدکننده وجود ندارد.

اسلاید 15 :

خواص مرسوم ممکن است قابل مقایسه باشند اما پراکندگی داده در محصولات ریختگی (و احتمالاً در پودر) می­تواند منجر به کمینه­ های طراحی کمتری شود. اگر یک طراحی برای تحقق سطح خواص دلخواه دارای انعطاف­ پذیری نباشد، ممکن است بعدا بطور برگشت­ ناپذیری به خطر بیفتد.

- مشخصات هوافضایی برای ایجاد بهترین خواص و عملکرد ارائه می­ شوند. در هنگام استفاده از تیتانیوم در کاربردهای غیرحساس، برای صرفه­ جویی در پول و زمان، هرجا که ممکن باشد باید از مشخصاتی با سخت­گیری کمتر استفاده کرد.

اسلاید 16 :

ایده­ هایی برای آینده

ماهیت پویای صنعت می­ تواند بر آینده صنعت تیتانیوم تاثیرگذار باشد و چنین نیز خواهد بود. برای اطلاعات به­ روز درباره جنبه­ های تجاری تیتانیوم، می­توان با گروه­های تجاری تماس گرفت. اما برخی طرح­ها را می­توان درباره جنبه­ های فنی کاربرد تیتانیوم انجام داد:

- ترکیبات آلیاژ تیتانیوم موجود و مورد استفاده در آینده نزدیک به طور قابل توجهی مشابه ترکیبات موجود در انتهای قرن بیستم خواهد بود هرچند اختلاط نسبی آلیاژها ممکن است تغییر نماید. حجم محصولات هوافضایی در حال کاهش است و بودجه­ های کمتری برای پژوهش موجود است. در نتیجه، پیشرفت در ترکیب آلیاژهای تیتانیوم کاهش خواهد یافت. به علاوه، کاربردهای غیرهوافضایی در حال مصرف تیتانیوم بیشتری نسبت به سال­های نخست پیشرفت تیتانیوم هستند. بیشتر این کاربردها از آلیاژهای موجودی که با هزینه­ های کمتری توسعه یافته­ اند استفاده می­ کنند.
- تاکید بیشتر بر استفاده از آلیاژهای ریختگی تداوم خواهد یافت.

اسلاید 17 :

- آلیاژهای بافت­ دار ممکن است برای کاربردهای منتخب مورد پذیرش واقع شوند (در حالی­که این آلیاژها از نظر فنی قابلیت استفاده دارند اما هنوز هم عامل محرک واقعی برای این کار وجود ندارد)

- شکل­ دهی سوپرپلاستیک همراه با اتصال­ دهی باید افزایش یابد هرچند این فرایند ممکن است برای صنعت هوافضا باقی بماند.

- کار با مواد پیشرفته فراوری­ شده PM  ادامه خواهد یافت اما کاربردهای مقرون به صرفه گسترده در آینده نزدیک نامحتمل است. پیش از آنکه روش­های PM  را بتوان بطور گسترده­ ای برای یک کاربرد استفاده نمود، کار توسعه­ ای زیادی باید صورت پذیرد. هنوز هم پایه مناسبی از خواص موجود نیست.

حقایقی درباره تیتانیوم و تولید آن
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.

اسلاید 18 :

تولیدکنندگان عمده ایلمنیت و سرباره تیتانیوم در جهان عبارتند از استرالیا، کانادا (کارخانه تایمت، یکی از بزرگترین و تخصصی ترین تولید کنندگان تیتانیوم در جهان می باشد)، نروژ،  آفریقای جنوبی، ایالات متحده و روسیه. تولیدکنندگان اصلی روتیل عبارتند از استرالیا، سیرالئون و آفریقای جنوبی. اسفنج تیتانیوم عمدتاً 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