فروشگاه گلد داک
فروشگاه جامع تحقیقات علمی و پژوهشی
فروشگاه گلد داک
فروشگاه جامع تحقیقات علمی و پژوهشی
دانلود آلیاژهای تیتانیوم
| دسته بندی | شیمی |
| فرمت فایل | doc |
| حجم فایل | 68 کیلو بایت |
| تعداد صفحات فایل | 72 |
فصل اول:
تیتانیوم در سال 1938 توسط W.J. kroll در آمریکا کشف شد. تیتانیوم فلزیست به رنگ سفید نقرهای و بسیار سبک است و پس از پولیش نمودن، رنگ فولادی پیدا مینماید. تیتانیوم و آلیاژهای آن به علت داشتن خواص خوب و مقاومت در مقابل خوردگی و فرسایش موارد استفاده زیادی در صنایع نظامی و هوافضا و نیروگاههای هستهای و کشتیسازی و صنایع دریائی و پتروشیمی کاربرد دارد. از جمله در ساخت بدنه و اجزای هواپیماها، وسایل حمل و نقل، لوازم جراحی، ظروف مورد استفاده در آزمایشگاههای شیمی و دیگر وسایل مقاوم به خوردگی کاربرد دارد. مهمترین ویژگی تیتانیوم، نسبت استحکام به وزن آن است که نسبت به سایر فلزات سبک بسیار عالیست. تیتانیوم استحکامی معادل فولادهای زنگ نزن دارد در حالی که وزن آن، 3/1 این فولادها است. خاصیت مهم دیگر تیتانیوم مقاومت به خوردگی و سایش بالای آن به ویژه در محیطهای دریایی است. هیچ یک از نمکهای فلزی، کلرورها، هیدروکسیدها، اسیدهای نیتریک و کرمیک، و نیز اسیدهای آلی مانند اسید استیک و آبهای شور، قادر به خوردگی تیتانیوم نیستند. به علت مقاومت در مقابل آب دریا امروزه جایگزین آلیاژهای نیکل و مس از نوع 70% نیکل و 30% مس شده است.
محصولات تولیدی فلز مزبور و آلیاژهای آن بصورت لوله (Pipe) و ورق (Plate) میباشد که پلیت یا ورق جهت ساخت و تولید مخازن مواد شیمیایی و لوله در داخل دریا جهت انتقال مواد شیمیائی مورد استفاده قرا میگیرد. جهت اتصال لولهها به هم دیگر و همچنین ساخت مخازن نیاز به جوشکاری میباشد.
تیتانیوم از احیا تتراکلرید تیتانیوم در درجه حرارت 800 تا 900 درجه سانتیگراد بوسیله منیزیم یا سدیم در محیط آرگون بدست میآید. تیتانیوم احیا شده، بصورت فلز خالص تیتانیوم، مجدداً در خلا ذوب شده و سپس مورد استفاده قرار میگیرد. فلز تیتانیوم خالص جز مواد آلتروپ میباشد.
تیتانیوم خالص دارای استحکام کمی بوده که استحکام آن برابر 216 نیوتن بر میلیمترمربع و درصد ازدیاد نسبی طول آن برابر 50 میباشد. تیتانیوم تجارتی بعلت داشتن عناصر آلیاژی استحکامی برابر 700 نیوتن بر میلیمتر مربع را دارا میباشد و نقطه ذوب آن 1725 درجه سانتیگراد و مقاومت به خوردگی آن نیز عالی است. وقتی تیتانیوم خالص از مذاب تبدیل به جامد میگردد از 1725 درجه سانتیگراد دارای ساختار کریستالی از نوع مکعب مرکزدار B.C.C میباشد که آنرا تیتانیوم یا فاز مینامند و از 882 درجه سانتیگراد تا درجه حرارت محیط که سرد میشود دارای ساختار کریستالی از نوع H.C.P بوده که بنام فاز یا تیتانیوم میباشد. در هنگام گرم شدن از درجه حرارت محیط تا C O 882 تیتانیوم دارای فاز و از C O 882 تا C O 1725 فاز بوده، به این جهت این فلز را آلتروپ مینامند.تیتانیوم فلزیست غیرمغناطیسی با قابلیت کشش بسیار عالی و ساختار B.C.C. دیگر خواص فیزیکی- مکانیکی و متالورژیکی تیتانیوم به قرار زیر است.
|
نقطه ذوب: |
C O1725 |
جرم اتمی: |
گرم 448 |
|
وزن مخصوص: |
gr/cm3 5/4 |
علامت اختصاری: |
|
|
ساختار کریستالی: |
BCC,CPH |
سختی: |
برنیل 90-70 |
حضور عناصر آلیاژی از قبیل اکسیژن، نیتروژن، آلومینیوم و کربن، به همراه تغییر درجه حرارت، در تیتانیوم تغییر ساختار کریستالی ایجاد میکند. ساختار کریستالی تیتانیوم در دمای اتاق تا حدود C O 882 به صورت (C.P.H) H.C.P است اما از این درجه حرارت به بالا، ساختار BCC تغییر شکل میدهد. همانطوری که گفته شد، وجود عناصری مثل اکسیژن، نیتروژن، آلومینیوم و کربن، درجه حرارت این استحالة فازی را افزایش میدهد و همچنین سختی و استحکام آلیاژ تیتانیوم را افزایش و انعطافپذیری آن را کاهش میدهد.
1-1- آلیاژهای تیتانیوم:
برحسب ساختار کریستالی که هر آلیاژ تیتانیوم در دمای محیط پیدا میکند، این آلیاژها را به چهار گروه تقسیم میکند:
1) آلیاژهای ، 2) ، 3) - و 4) تیتانیوم خالص تجاری با ساختمان کریستالی H.C.P
آلیاژهای تیتانیوم قابلیت ماشینکاری و چکش کاری خوبی دارد و در برابر حرارت عکسالعمل نشان داده و در مقابل زنگزدگی مقاوم میباشد. البته این وضعیت در درجه حرارت معمولی فوقالعاده بالاست و حقیقتاً آنها در برابر هوازدگی محفوظ هستند و همچنین در محیطهای دریائی و صنعتی جدول شماره 1-1 نشاندهندة چندین نوع از آلیاژها با مشخصات و بکارگیری خاص آنها میباشد.
جدول (1-1): نشاندهنده ترکیب، مشخصات مکانیکی و نوع کاربرد برای چهارنوع آلیاژهای معمولی تیتانیوم
1-1-1- تیتانیوم خالص تجاری:
تیتانیوم خالص تجاری بسته به غلظت آلیاژی به چهار نوع تقسیم میشوند که این چهار نوع در جدول زیر آمده است:
جدول (2-1): ترکیب شیمیائی و خواص مکانیکی آلیاژهای تیتانیوم خالص تجاری
با توجه به جدول فوق با کوچکترین تغییر در غلظت عناصر، خصوصاً اکسیژن و آهن، خواص مکانیکی به شدت تغییر مییابد.
2-1-1- آلیاژهای آلفا ( ):
آلیاژهای آلفا آلیاژهای تک فازی هستند که در دمای محیط دارای ساختار H.C.P بوده و ساختمان آنها با ساختمان تیتانیوم خالص یکسان است. این آلیاژها معمولاً دارای مقادیری آلومینیوم هستند. خصوصیات ویژة آلیاژهای آلفای تیتانیوم، استحکام، سختی و مقاومت به خوردگی آنها به ویژه در فاصلة حرارتی C O 315 تا C O 595 است. آلیاژهای مهم آلفا عبارتند از:
Sn 5/2- Al 5- Ti، Mo 2- Zr 4- Sn 5/2- Al 6- Ti، V 1- Mo 1- Al 8- Ti و Mo 1- Ta 1- Cb 2- Al 6- Ti و Mo 2- Zr 2- Sn 5- Al 5- Ti. شکل (1-1) نمودار فازی تیتانیوم- آلومینیوم را نشان میدهد. این آلیاژها، اغلب دارای قابلیت جوشپذیری خوبی هستند. مقدار آلومینیوم موجود در این آلیاژها حداکثر 6% بوده و گاهی تا 5/2 قلع نیز همراه دارد. آلیاژهای فاز واحد که دارای آلومینیوم است میتوانند از طریق کارهای سرد، استحکام پیدا کنند و معمولاً در وضعیت آنیل شده قابل جوشکاریاند.
شکل (1-1): نمودار فازی تیتانیوم- آلومینیوم
3-1-1- آلیاژهای بتا ():
در این آلیاژها، اغلب درصد بالایی از عناصر پایدار کنندة فاز از قبیل وانادیوم، کروم و اندکی آلومینیوم وجود دارد. ساختار این آلیاژها همان طور که گفته شد به صورت B.C.C بوده، از استحکام و سختی در اثر عملیات حرارتی بعدی برخوردارند. آلیاژهای در هر دو حالت آنیل شده و پیرسخت، قابل جوشکاریاند، اما بهتر است پس از پیرسختی و قبل از جوشکاری، آنها را تحت عملیات انحلال قرار داد. در این حالت، استحکام آنها تا ksi 215 با انعطافپذیری حدود 5% خواهد شد. مهمترین آلیاژهای عبارتند از:
Sn 55/4- Zr 6- Mo 5/11- Ti، Cr 11- V 13- Al 3- Ti، Mo 4- Zr4- Cr 6- V 8- Al 3- Ti، Sn 3- Al 3- Cr 3- V 15- Ti و Al 3- Fe 2- V 8- Mo 8- Ti.
آلیاژهای تیتانیوم و - را میتوان از طریق گرم کردن یا در بعضی موارد از طریق سرد کردن و یا پیرسختی مستحکم تر کرد. پس از سرد کردن از طریق شکلگیری ذرات فاز که در سراسر فاز به طور پراکنده قرار میگیرد استحکام بخشی آن انجام میگیرد.
4-1-1- آلیاژهای آلفا- بتا (- ):
با افزایش مقادیر معین از عناصر پایدار کنندة به تیتانیوم، آلیاژهای آلفا- بتا تشکیل میشود. این عمل، یک سیستم دوفازی آلفا- بتا با ساختمانهای B.C.C و H.C.P متراکم ایجاد میکند. با انجام عملیات حرارتی انحلال در سیکلهای طولانی، ذرات ریز آلفا از ذرات ناپایدار بتا جدا شده و رسوب میکنند. درنتیجه میتوان ساختار تغییر شکل یافتهای از سختی و مقاومت بالا (پیرسخت شده) ایجاد نمود. مقدار سختی و استحکام حاصله را میتوان با محاسبه و کنترل زمان نگهداری، تعیین نمود.
2-1- نکات مفهومی و کلیدی فصل:
تیتانیوم بصورت عنصر آلیاژی درحد پائین به فولادهای ساختمانی در شکل فرو تیتانیوم به مذاب فولادی آن اضافه میگردد که تیتانیوم آلیاژی استحکام فولاد را بالا برده و آنرا در مقابل خوردگی جوی مقاوم مینماید. چون فلز تیتانیوم کاربید قوی در فولادها ایجاد مینماید بدین جهت در فولادهای زنگ نزن برای قابلیت جوشکاری این نوع فولادها (آستنیت 18-8) از جنس 304 L، 308 L و 316 L به مقدار % C * Ti 25 (بصوریکه 0.05 C) افزوده میشود.
تیتانیوم با فلزاتی مانند کرم و مولیبدن و وانادیوم و قلع آلیاژ شده و عناصری مانند کرم و آهن و مولیبدن که خود دارای ساختار کریستالی از نوع B.C.C هستند فاز یا تیتانیوم را تثبیت یا پایدار نموده و باعث سختشدن آن میگردند که سختی تیتانیوم در این حالت بیشتر از سختی تیتانیوم از نوع میباشد. فاز دارای قابلیت آهنگری جوبی میباشد و همچنین فاز + براحتی در محدوده فاز بتا قابلیت گرم کاری دارد. آلیاژ تیتانیوم از نوع Ti 680 (یعنی 11% قلع، 25/2% آلومینیوم، 4% مولیبدن و 2/0 سیلیسیم) که استحکام کششی آن 1300 نیوتن بر میلیمتر مربع بوده که مناسب جهت عملیات حرارتی بوده و بسهولت آهنگری میگردد و این نوع آلیاژ در ساخت بدنه هواپیما کنکورد مورد استفاده قرار میگیرد. آلیاژ دیگری از تیتانیوم بنام Ex 700 بوده که 6% آلومینیوم، 5% زیرکونیوم، 3% مولیبدن و 1% مس داشته که استحکام کششی آن برابر 1540 نیوتن بر میلیمتر مربع یعنی استحکام بالایی را دارا میباشد که باز در ساخت تجهیزات فضایی مورد استفاده قرار میگیرد. همچنین آلیاژهای تیتانیوم در ساخت تجهیزات توربینهای گازی که در درجه حرارتهای بالا مقاوم به خزش خوبی دارد کاربرد فراوانی را دارا میباشد.
از انواع دیگر آلیاژهای تیتانیوم 4- Ti- 6 Al است که 6% آلومینیوم، 4% وانادیوم و 90% تیتانیوم میباشد و یا از نوع Ti- 8 Mn یعنی 8% منگنز و 92% تیتانیوم و یا Ti- 8 Mo- 8 V- 3 Al- 2 Fe که 8% مولیبدن، 8% وانادیوم، 3% آلومینیوم و 2% آهن میباشد.
تمام این آلیاژهای بیان شده تیتانیوم در مقابل خوردگی بسیار مقاوم میباشند، وقتی جهت جوشکاری فلز مبنا این نوع آلیاژها باشند، الکترودهای انتخاب شده برای جوشکاری از نوع این آلیاژها میباشند.