تیتانیوم و کاربردهای آن

تیتانیوم به عنوان یک عنصر ۲۰۰ سال است که شناخته شده است و در ۵۰ تا ۶۰ سال گذشته این فلز اهمیت استراتژیک زیادی پیدا کرده است. علت استفاده فراوان تیتانیوم و آلیاژهای آن ویژگی‌های مطلوب ذاتی همچون نسبت استحکام به وزن بالا و مقاومت به‌خوردگی مناسب آن می‌باشد. افزودن آلومینیوم به تیتانیوم باعث پایدار شدن فاز α) HCP) و تولید آلیاژ با استحکام بالا می‌باشد. همچنین اضافه شدن وانادیوم باعث بوجود آمدن فاز β)BCC) در زمینه آلفــا و افزایش انعطاف‌پذیری و مقــاومت آلیاژ در برابر ضربه مـی‌شود. بنابراین آلیاژ Ti-6Al-4V یک آلیاژ دوفازی β+α  نزدیک به α می‌باشد که یکی از مهترین آلیاژهای تیتانیوم می‌باشد. این آلیاژ به واسطه استحکام به وزن بالا و مقاومت به‌ خوردگی مناسب کل مصرف تیتانیوم در جهان را به خود اختصاص داده است.

تیتانیوم و آلیاژهای آن

تیتانیوم و آلیاژ‌های آن به علت خواص و ویژگی‌های برجسته نظیر زیست‌سازگاری استحکام به وزن بالا، مقاومت مناسب دربرابر محیط‌‌های خورنده و استحکام خستگی مناسب به صورت گسترده در صنایعی همچون هوا‌ فضا، تجهیزات پزشکی، وسایل ورزشی، خودرو، نیرو و معماری کاربرد دارد. آلیاژهای پایه تیتانیوم به واسطه خواص برجسته نظیر زیست سازگاری عالی، چگالی پایین، مدول الاستیک مناسب و مقاومت به‌خوردگی خوب گزینه مناسبی جهت ایمپلنت‌ها می‌باشند.

تیتانیوم یک عنصر آلوتروپیک است که به صورت کریستالی موجود است. ساختار کریستالی تیتانیوم در دمای اتاق به صورت هگزاگونال فشرده (hcp) می‌باشد که به آن فاز آلفا (α) می‌گویند. این ساختار در دمای ۸۸۲ درجه سانتیگراد به یک ساختار کریستالی مکعبی مرکزدار (bcc) استحاله می‌یابد که به آن فاز بتا (β) می‌گویند. عناصر جانشین و بین نشین تاثیر زیادی بر دمای دقیق استحاله داشته، بنابراین متاثر از ناخالصی می‌باشد.  شکل ‏۲‑۱ ساختار کریستالی آلیاژهای تیتانیوم را نشان می‌‍‌‌دهد.

ساختار کریستالی آلیاژهای تیتانیوم

شکل ‏۲‑۱: ساختار کریستالی آلیاژهای تیتانیوم

عناصر آلیاژی که به عنوان پایدار کننده به تیتانیوم اضافه می‌شوند به دو دسته α و β تقسیم بندی می‌شوند. پایدار کننده‌های α مانند آلومینیوم و اکسیژن، دمایی که در آن فاز α پایدار است، افزایش می‌دهند و پایدار کننده های β مانند وانادیوم و مولیبدن پایداری فاز β را در دماهای پایین‌تر به دنبال دارد. دمای استحاله از فاز β-α و یا تماما α به فاز β را دمای استحاله [β]  گفته می‌شود. دمای استحاله β کمترین دمای تعادلی است که در آن ماده کاملا به صورت β است.

در دمای پایین‌تر از انتقال β، اگر ماده پایدار کننده β داشت، تیتانیوم ساختار β+α می‌یابد و اگر پایدار کننده β موجود نباشد، تماماٌ به صورت α خواهد بود. علت اهمیت دمای استحاله β این است که اغلب، عملیات حرارتی با یک مبنای دمایی برای تغییرات بیشتر و یا کمتر از دمای انتقال β انجام می‌شود. عناصری که دمای استحاله β را افزایش می‌دهند، سبب پایداری ساختار α می­شوند، شامل آلومینیوم، ژرمانیم، کربن، اکسیژن و نیتروژن می‌باشند.

دو گروه از عناصر وجود دارند که با کاهش دمای استحاله ساختار کریستالی β را پایدار می‌کنند. گروه اول شامل عناصری که در فاز β قابل حل شدن می‌باشند، همچون مولیبدن، وانادیوم، تانتالیوم و نیوبیوم. گروه دیگر شامل عناصری که با تیتانیوم سیستم یوتکتوئیدی تشکیل می‌دهد، دمای یوتکلتوئیدی به اندازه ۳۳۳ درجه سانتیگراد زیر دمای استحاله تیتانیوم غیر آلیاژی دارند. عناصر منگنز، آهن، کروم، کبالت، نیکل، مس و سیلیکون از دسته عناصر یوتکتوئیدی می­باشند. عنصر دیگر که اغلب با تیتانیوم آلیاژ می­شود، قلع می­باشد که انحلال آن در فازهای α وβ بالا می‌باشد. این عنصر اگرچه تاثیر شدیدی در پایداری فاز ندارد ولی به عنوان عامل استحکام بخش مفید است.

آلیاژهای تیتانیوم در دمای اتاق به سه دسته تقسیم می‌شوند: آلیاژα، آلیاژ β+α  و آلیاژ β که در شکل ‏۲‑۲ قابل مشاهده است. آلیاژهای α آلیاژهایی هستند که دارای ریزساختار تماما α می‌باشند، آلیاژهای β آلیاژهایی هستند که باکوئنچ از دمای بالای استحالهβ بدون تجزیه مارتنزیت فاز β بوجود می‌آیند. آلیاژهای β-α آلیاژهایی هستند که ترکیبی از فازهای α و β می‌باشند.

نمودار تاثیر عناصر پایدار­کننده فاز β بر فاز­های تعادلی آلیاژهای تیتانیوم

شکل ‏۲‑۲:نمودار تاثیر عناصر پایدار­کننده فاز β بر فاز­های تعادلی آلیاژهای تیتانیوم.

در آلیاژهای β+α مورفولوژی و یا شکل فاز α نقش مهمی در چکشخواری، مقاومت، استحکام و استحکام خستگی دارد.

جداول ۲-۲، ۲-۳ و ۲-۴ به ترتیب بیانگر، نمونه­هایی ازآلیاژ های نوع α، β+α و β تیتانیوم می‌باشد.

جدول ‏۲‑۲:ترکیب شیمیایی و دمای استحاله تیتانیوم خالص تجاری، آلیاژ­های α و نزدیک به α[۱۷, ۲۰]

دمای استحاله β(درجه سانتیگراد) ترکیبات آلیاژ نام آلیاژ
۸۹۰ Ti(0.2Fe,0.18O) تیتانیوم خالص تجاری گرید۱
۹۱۵ Ti(0.3Fe,0.25O) تیتانیوم خالص تجاری گرید۲
۹۲۰ Ti(0.3Fe,0.35O) تیتانیوم خالص تجاری گرید۳
۹۵۰ Ti(0.5Fe,0.40O) تیتانیوم خالص تجاری گرید۴
۹۱۵ Ti-0.2Pd تیتانیوم خالص تجاری گرید۷
۸۸۰ Ti-0.3Mo-0.8Ni تیتانیوم خالص تجاری گرید۱۲
۱۰۴۰ Ti-5Al-2.5Sn Ti-5-2.5
۹۳۵ Ti-3Al-2.5V Ti-3-2.5
۱۰۴۰ Ti-8Al-1Mo-1V Ti-811
۹۹۵ Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si Ti-6242

جدول ‏۲‑۳: ترکیب شیمیایی و دمای استحاله آلیاژ تیتانیوم نوع β+α[۱۷, ۲۰]

دمای استحاله β(درجه سانتیگراد) ترکیب آلیاژ نام آلیاژ
۹۹۵ Ti-6Al-4V Ti64
۹۷۵ Ti-6Al-4V(0.13O) Ti64ELI
۹۴۵ Ti-6Al-6V-2Sn Ti-662
۱۰۰۵ Ti-7Al-4Mo Ti-7-4

جدول ‏۲‑۴: ترکیب شیمیایی و دمای استحاله آلیاژ تیتانیوم نوع β[۱۷, ۲۰]

دمای استحاله β(درجه سانتیگراد) ترکیب آلیاژ نام آلیاژ
۹۴۰ Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo Ti-6246
۸۹۰ Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr Ti-17
۸۹۰ Ti-5Al-2Sn-2Cr-4Mo-4Zr-1Fe Beta-CEZ
۸۰۰ Ti-10V-2Fe-3Al Ti-10-2-3
۸۱۰ Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si Beta 21S
۷۶۰ Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn Ti-15-3
۷۳۰ Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr Beta-C

۱-۱-۲-آلیاژ Ti-6Al-4V

آلیاژ Ti-6%Al-4%V )Ti64) مهمترین آلیاژ تیتانیوم β-α می­باشد. این آلیاژ را می­توان مهمترین آلیاژ تیتانیوم با مصرفی بیش از ۵۰ درصد مصرف جهانی تیتانیوم دانست. صنعت هوا و­فضا بیش از ۸۰ درصد مصرف این آلیاژ را به خود اختصــاص مــی‌دهد.کاربرد بعدی این آلیاژ مصارف مهندســی پزشکی می‌باشد. آلیاژ Ti64 به دلیل نسبت استحکام به وزن بالا، انعطاف­پذیری، استحکام­خستگی و مقاومت به خوردگی مناسب و زیست‌سازگاری بالا در ایمپلنت‌های پزشکی کاربرد دارد. در سایر صنایع ازجمله خودرو هم که استحکام به وزن یک فاکتور تعیین­کننده است، کاربرد این آلیاژ گسترده می‌باشد.

در حال حاضر آلیاژ Ti64  در صنعت پزشکی به عنوان پروتز مفصل ران و زانو و ایمپلنت دندانی کاربرد دارد. ایمپلنت های رایج ران و زانودر شکل ‏۲‑۳ نمایش داده شده‌است.

ایمپلنت های رایج زانو و ران

شکل ‏۲‑۳:ایمپلنت های رایج زانو و ران

یکی از ملاحظات مهم در بحث ایمپلنتTi64  مقاومت آن به خستگی آن در فعالیت­های معمول همانند راه رفتن، دویدن و بالا رفتن از پله می‌باشد. یک ایمپلنت یا استخوان سالانه سیکل ۱۰۶×۲ را تجربه می‌کند. بنابراین مشکل شکست ناشی از خستگی در استخوان و ایمپلنت مساله‌ای مهم می‌باشد.

از طرف دیگر در محل‌هایی همانند مفاصل که حرکت تماسی در آن‌ها بالا است، مقاومت به سایش پایین این آلیاژ منجر به سایش فراوان شده و به دلیل ناپایداری مکانیکی و شیمیایی منجر به از بین رفتن ایمپلنت می‌‌گردد.

  ریز­ساختار و ترکیب شیمیایی

همانگونه که گفته شد، تیتانیوم در دمای پایین‌تر از ۸۸۲ درجه سانتیگراد دارای ساختار هگزاگونال می‌باشد و در دمای بالاتر از آن ساختار را از HCP به BCC تغییر می‌یابد.

رایج ترین آلیاژ نوع α تیتانیوم آلیاژهای دارای پایدار کننده α آلومینیوم می­باشند که تاثیر زیادی در سـخت شدن تیتانیوم دارد. یکی از آلــیاژ­های رایج β+α تیتــانیوم بـا درصــد فــاز β پایین آلــیاژ Ti64می‌باشد.

شکل‌هایی که در ادامه می­بینیم چند مثال از ریزساختار آلیاژ Ti64 می‌باشد. شکل ‏۲‑۴ آلیاژ Ti64 کوئنچ شده از ناحیه β را نشان می‌دهد که با محلول بنزوئیل کلراید+هیدروفلوئوریک اسید  اچ شده است و ساختار مارتنزیتی دارد. شکل ‏۲‑۵ آلیاژ Ti64 را در حالتی نشان می‌دهد که در کوره از فاز β به فاز β+α در دمای ۹۳۰ درجه سانتیگراد خنک شده است و پس از ۴۶ ساعت باقی ماندن در آن دما در آب کوئنچ شده و در ۷۷۰ درجه سانتیگراد پیرسازی شده است.

شکل ‏۲‑۶ ریزساختار آلیاژ Ti64 را درحالتی نشان می‌دهد که آلیاژ به دمای ۹۳۰ درجه سانتیگراد رسیده و پس از ۷۲ ساعت در آب کوئنچ گردیده و مجدداٌ ۷۴۰ بازگرم شده و پس از ۲ ساعت کوئنچ شده است. آلفاهای هم محور(تیره) در دمای ۹۳۰ درجه سانتیگراد در زمینه مارتنزیت تجزیه شده قابل مشاهده است. شکل ‏۲‑۷ریز­ساختارهای آلیاژTi64 را در شرایطی که به مدت ۲۰ ساعت در دمای ۹۱۰ درجه سانتیگراد نگه داشته شده و سپس درون کوره به دمای ۷۹۰ درجه رسیده و به مدت یک ساعت در این دمــا قرار داشته و سپس کوئینچ شده‌است را نشان می‌دهد. ریز سـاختارشامل α هم­محور(تیره) و β باقی­مانده (روشن) می‌باشد. در شکل ‏۲‑۴،شکل ‏۲‑۵ و شکل ‏۲‑۶ می­توان دید که در اثر کوئنچ شدن β به مارتنزیت تبدیل می­شود.

آلیاژ Ti64 کوئنچ شده از منطقه β و اچ شده با بنزوئیل کلروید + هیدرو فلوئوریک اسید

شکل ‏۲‑۴: آلیاژ Ti64 کوئنچ شده از منطقه β و اچ شده با بنزوئیل کلروید + هیدرو فلوئوریک اسید

آلیاژ Ti64 خنک شده در کوره از منطقه β به β+α در دمای 930 درجه سانتیگراد به مدت 46 ساعت و سپس کوئنچ در آب و بازگرم تا دمای 770 و پیرسازی و کوئنچ مجدد

شکل ‏۲‑۵: آلیاژ Ti64 خنک شده در کوره از منطقه β به β+α در دمای ۹۳۰ درجه سانتیگراد به مدت ۴۶ ساعت و سپس کوئنچ در آب و بازگرم تا دمای ۷۷۰ و پیرسازی و کوئنچ مجدد

آلیاژ Ti64 در دمای 930 درجه سانتیگراد به مدت 72 ساعت قرار گرفته و پس از کوئنچ در آب، به مدت 2 ساعت در دمای 740 درجه سانتیگراد بازگرم شده و کوئنچ می­گردد

شکل ‏۲‑۶: آلیاژ Ti64 در دمای ۹۳۰ درجه سانتیگراد به مدت ۷۲ ساعت قرار گرفته و پس از کوئنچ در آب، به مدت ۲ ساعت در دمای ۷۴۰ درجه سانتیگراد بازگرم شده و کوئنچ می­گردد

آلیاژ Ti64 در دمای 910 درجه به مدت 20 ساعت قرار گرفته و پس از آن درون کوره به دمای 790 درجه سانتیگراد رسیده و پس از 1 ساعت کوئنچ گردیده است

شکل ‏۲‑۷: آلیاژ Ti64 در دمای ۹۱۰ درجه به مدت ۲۰ ساعت قرار گرفته و پس از آن درون کوره به دمای ۷۹۰ درجه سانتیگراد رسیده و پس از ۱ ساعت کوئنچ گردیده است

آلفا اولیه به دو صورت وجود دارد، صفحات ویدمن­اشتاتن و مرز دانه های α و α های هم­محور. ساختار ویدمن­اشتاتن در سرد شدن از β به زمینه β+α تشکیل می­شود که در شکل ‏۲‑۵ قابل مشاهده است. میان صفحات α ویدمن­اشتاتن شکل گرفته درون دانه ها و دانه­ های β شکل گرفته رابطه جهت­گیری وجود دارد. α هم­محور توسط  کار گرم از حالت صفحه ای به ساختار β+α تبدیل می‌شود(شکل ‏۲‑۷).

فصل مشترک‌های β+α، در هردو ساختار ویدمن­اشتاتن و α هم محور می­توانند به عنوان عیوب برای جلوگیری از تغییر شکل در طی تست کشش باشند. هردو ساختار ویدمن­اشتاتن و α محور که فصل مشترک زیادی با ذرات β دارد، از رشد دانه­ها جلوگیری می‌کنند. عیوب در ساختار­های صفحه ای به یک سایز بحرانی رسیده و سبب شکست درکرنش­های پایین‌تر نسبت به ساختار‌های همجوار می‌گردد و این عیوب از حرکت ترک‌ها جلوگیری می‌کنند.

ترکیب شیمیایی این آلیاژ نیز در جدول ‏۲‑۵ قابل مشاهده است.

جدول ‏۲‑۵: ترکیب شیمیایی آلیاژ Ti64 (برحسب درصد وزنی)

Ti-6Al-4V Al V C N O Fe H Ti
حداقل ۵/۵ ۵/۳ ۰۱/۰ ۰۱/۰ ۱۰/۰ ۱۳/۰ ۰۰۰۹/۰ Bal.
حداکثر ۷۵/۶ ۵/۴ ۰۸/۰ ۰۵/۰ ۰.۲ ۰.۳ ۰۱۲۵/۰ Bal.

مشاوره خرید مواد شیمیایی با کارشناسان اَوِسیناشیمی

شما عزیزان می توانید برای کسب  اطلاعات بیشتر راجع به مواد شیمیایی و همچنین استعلام قیمت و موجودی با کارشناسان مجموعه اَوِسینا شیمی تماس بگیرید و یا از طریق شبکه های اجتماعی پیام دهید تا در سریع ترین زمان ممکن با شما تماس بگیریم.

برای اطلاع از

موجودی مواد شیمیایی

و همچنین مشاوره رایگان با ما تماس بگیرید.

۰۲۱-۵۵۴۳۶۲۴۹

۰۹۱۹۶۳۹۴۳۲۵

۰۹۳۵۴۵۳۶۲۸۰

پاسخگویی شنبه تا چهارشنبه ۹ الی ۱۷ و پنج شنبه ۹ الی ۱۳:۳۰

Call us