عملیات حرارتی آلیاژهای تیتانیوم

عملیات حرارتی آلیاژهای تیتانیوم

عملیات حرارتی اساساً برای آلیاژهای تیتانیوم آلفا + بتا و آلیاژهای تیتانیوم بتا کاربرد دارد. زیرا تحول α→β در این دسته از آلیاژها وجود دارد.

استحکام آلیاژهای آنیل شده با افزایش محتوی آلیاژ، به صورت تدریجی و خطی افزایش می یابد.

• کوئنچ کردن آلیاژ از زمینه حاوی فاز بتا باعث وقوع یک تحول مارتنزیتیک شده و عملاً باعث افزایش استحکام می شود.
• برای آلیاژهای تیتانیوم با مقادیر عناصر آلیاژی کم، کوئنچ کردن سریع از زمینه حاوی فاز بتا منجر به استحکام ماکزیمم در M_f می گردد.
• برای آلیاژهای تیتانیوم با مقادیر عناصر آلیاژی بالا، کوئنچ کردن سریع از زمینه فازی بتا منجر به حصول پایین ترین سطح استحکام می شود. اما بعد از انجام فرآیند پیرسازی روی همان آلیاژ، استحکام ماکزیمم حاصل می شود. 

عملیات حرارتی آلیاژهای تیتانیوم شامل فرآیندهای زیر است:

1- تنش زدایی

2- آنیل کردن

3- محلول سازی و پیرسازی

فرآیند تنش زدایی و آنیل را می توان روی همه آلیاژهای تیتانیوم اعمال کرد اما تنها آلیاژهای آلفا + بتا و آلیاژهای بتا قابلیت عملیات محلول سازی و پیرسازی را به منظور افزایش استحکام دارا هستند.

از آنجایی که آلیاژهای آلفا و نزدیک به آلفا دارای تحول فازی α → β نیستند، لذا قادر به استحکام پذیری توسط فرآیند محلول سازی و پیرسازی (STA) نیستند. میزان فاز بتا در آلیاژهای تیتانیوم تعیین کننده میزان قابلیت عملیات حرارتی پذیری آن ها می باشد. به همین دلیل آلیاژهای تیتانیومی که مقدار فاز بتای بیشتری دارند را می توان با اعمال عملیات STA به سطوح بالای استحکام رساند.

1- تنش زدایی

تنش زدایی به منظور حذف تنش های باقیمانده که در اثر فرآیندهای همچون کار مکانیکی ، جوشکاری، سرد شدن پس از ریخته گری ، ماشینکاری و عملیات حرارتی در نمونه ها ایجاد می شوند، انجام می گیرد.

البته چنانچه قرار باشد روی نمونه ها فرآیندهای آنیل و محلول سازی انجام شود، سیکل تنش زدایی قابل حذف است. تنش زدایی بدون تأثیرگذاری روی استحکام و داکتیلیته قابل انجام برای همه آلیاژهای تیتانیوم است. دمای تنش زدایی برای آلیاژهای آلفا و نزدیک به آلفای تیتانیوم در محدوده 454 – 816 ˚C است.

2- فرآیند آنیل

فرآیند آنیل مشابه فرآیند تنش زدایی است با این تفاوت که این فرآیند در دماهای بالا انجام می گردد و بدین ترتیب تمامی تنش های باقیمانده را خذف کرده و روی فرآیند کارسرد بعدی چنانچه قرار باشد روی نمونه ها انجام شود تأثیر گذار است.

انواع متداول روش های آنیل کردن آلیاژهای تیتانیوم شامل میل آنیل (mill anneal)، آنیل دو مرحله ای (duplex anneal)، آنیل همراه با تبلور مجدد (recrystallization anneal) و بتا آنیل (beta anneal) است که در زیر شرح مختصری از هریک از فرایندها آورده شده است:

• میل آنیل: فرآیند آنیل کامل نمی باشد و پس از انجام آن ممکن است آثاری از کار سرد یا گرم که در نتیجه اعمال کار سنگین روی آلیاژ ایجاد شده است، باقی بماند به خصوص در مورد ورقه ها. برای مثال فرآیند میل آنیل برای آلیاژ Ti-6-4 در محدوده دمایی 704 – 782 ˚C و به مدت زمان حداقل یک ساعت انجام می پذیرد.

نکته: آلیاژهای بتای تیتانیوم را میل آنیل نمی کنند. زیرا این آلیاژها در دماهای بالا در شرایط تعادلی قرار نداشته و امکان ایجاد رسوبات ترد در آن ها وجود دارد.

• آنیل دو  مرحله ای: این فرآیند به منظور افزایش مقاومت به خزش در آلیاژهای دما بالا مثل آلیاژ Ti-6242S ،انجام می شود. این فرآیند شامل دو مرحله بوده که مرحله ابتدایی آن یک فرآیند آنیل در محدوده بالاتر از زمینه آلفا+بتا و سرد کردن در هوا است. مرحله دوم شامل انجام فرآیند آنیل در دمایی پایین تر از دمای مرحله اول به منظور ایجاد پایداری حرارتی در نمونه، سپس انجام فرآیند پیرسازی و سرد کردن در هوا می باشد.
• آنیل همراه با تبلور مجدد: انجام این فرآیند باعث بهبود تافنس شکست در آلیاژهای تیتانیوم می گردد. قطعات تا دمای بالاتر از محدوده فاز آلفا+بتا حرارت داده می شوند، سپس برای یک دوره زمانی در آن دما نگهداری شده و بعد از آن به آرامی سرد می شوند.
• بتا آنیل: در این فرآیند آنیل کردن در دمایی بالاتر از دمای تحول بتا و سپس سرد کردن در هوا یا در آب انجام می پذیرد. این عمل به منظور ایجاد فاز آلفا در مرز دانه های بتا انجام می شود. این ساختار دارای ماکزیمم تافنس شکست و کاهش قابل ملاحظه استحکام خستگی است.

3- محلول سازی و پیرسازی

هدف از انجام عملیات محلولی تبدیل بخشی از فاز آلفا به فاز بتا و سپس سرد کردن سریع نمونه برای حفظ مابقی فاز بتا در دمای محیط است. حین پیرسازی، رسوبات آلفا از فاز بتای باقیمانده در ساختار تشکیل می شوند. عملیات محلولی شامل حرارت دهی نمونه ها تا بالاتر از محدوده دوفازی آلفا+بتا سپس سرد کردن است. نرخ سرد کردن نمونه ها پس از عملیات حرارتی اثر ویژه ای روی استحکام آلیاژهای آلفا+بتا دارد. برای اغلب آلیاژهای آلفا+بتا، سرد کردن در آب یا سرد کردن تعادلی لازم است تا سطح استحکام مطلوب حاصل شود.

پیرسازی آلیاژهای تیتانیوم شامل حرارت دهی مجدد در محدوده 427 – 647 ˚C در نمونه های محلول سازی شده است. سیکل متداول STA برای آلیاژ Ti-6-4، عملیات محلولی در محدوده دمایی 904 – 927 ˚C، سرد کردن در آب، پیرسازی در 538 ˚C به مدت 4 ساعت و سپس سرد کردن در هوا است. 

نام عملیات حرارتی	سیکل عملیات حرارتی	ساختار پس از عملیات حرارتی
آنیل دو مرحله ای	عملیات محلولی در 75-50 درجه سانتیگراد زیر دمای تحول بتا ، سرد کردن در هوا ، پیرسازی به مدت 8-2 ساعت در 675-540 درجه سانتیگراد	آلفای اولیه ، نواحی ویدمن اشتاتن آلفا - بتا
محلول سازی و پیر سازی	عملیات محلولی در حدود 40 درجه سانتیگراد زیر دمای تحول بتا ، سرد کردن در آب ، پیرسازی به مدت 8-2 ساعت در 675-535 درجه سانتیگراد	آلفای اولیه ، آلفا یا آلفا پرایم تمپر شده ، مخلوط آلفا - بتا
بتا آنیل	محلول سازی در 15 درجه سانتیگراد زیر دمای تحول بتا ، سرد کردن در هوا و نگهداری در دمای 760-650درجه سانتیگراد به مدت 2 ساعت	کلونی های ویدمن اشتاتن آلفا - بتا
آنیل همراه با تبلور مجدد	حرارت دهی در 925 درجه سانتیگراد برای 4 ساعت ، سرد کردن با نرخ 50 درجه بر ساعت تا دمای 760 درجه سانتیگراد ، سرد کردن در هوا	آلفای هم محور همراه با بتا در مرز دانه های سه گوش
میل آنیل	کار گرم در زمینه آلفا - بتا ، آنیل در 705 درجه سانتیگراد به مدت 30 دقیقه تا چندین ساعت ، سرد کردن در هوا	آلفا تبلورمجدد یافته ناکامل همراه با کسر حجمی کم از ذرات کوچک بتا