آلیاژ های تیتانیوم ،تی آی الی،Ti-6AL-4V ELI

آلیاژ های تیتانیوم ،تی آی الی،Ti-6AL-4V ELI

تیتانیوم تی آی الی  ، Ti-6AL-4V ELI ، Grade 23
آلیاژهای تیتانیوم، رده‌ای از آلیاژهای سبک هستند که عنصر اصلی سازنده آنها تیتانیوم است. این رده از آلیاژها علاوه بر استحکام کششی و چقرمگی بالا (حتی در دماهای زیاد)، از مقاومت به خوردگی و خزش بی نظیری نیز برخوردارند. تیتانیوم Ti-6AL-4V ELI یا Grade 23 یکی از آلیاژهای تیتانیوم می باشد که در زمینه زیست پزشکی (بیومدیکال) به وفور بکار گرفته می شود. ترکیبی از وزن کم، پایدرای و مقاومت به خوردگی، تیتانیوم Ti-6AL-4V ELI را فلزی کامل برای وسایل پزشکی و ایمپلنت ساخته است. Ti-6AL-4V ELI عمدتاً برپایه تیتانیوم بوده و آلومینیم و وانادیوم، دیگر ترکیبات شیمیایی اصلی آن می باشند. مقدار اکسیژن در ساختار تیتانیوم، گرید و استحکام تیتانیوم را تعیین می کند. مشخصه استاندارد برای Grade 23 شامل AMS 4907, AMS 4930, Mil-T 9047 و بیشتر می باشد.شمش اولیه تیتانیوم در شکل نشان داده شده است.

ماشینکاری
Ti 6Al-4V ELI دارای نرخ ماشینکاری 22% می باشد (برمبنای AISI B1112) . توصیه می شود از سرعت ماشینکاری پایین، نرخ پیشروی سنگین و مقدار فراوان روانکار استفاده شود. برای جلوگیری از آلودگی از بکاربردن رونکار کلر دار اجتناب شود.

جوشکاری
Ti 6Al-4V ELI دارای جوش پذیری خوب و بالاتر از تیتانیوم گرید Ti 6Al-4v می باشد. از گاز محافظ بایستی استفاده شود و علاوه بر آن، انجام از فرایند پس گرم استفاده شود و زمان جوشکاری ذوبی بروی Ti 6Al-4V ELI استفاده از فیلرجوش پیشنهاد می شود.
شکل دهی
داشتن ویژگی کمی بهتر شکل دهی و افزایش شکل پذیری نسبت به تیتانیوم Ti 6Al-4v و علاوه بر آن، بهبود شکل پذیری در دمای پایین و یکی از دلایل اصلی برای انتخاب این گرید می باشد. با این حال، به طور کلی فرم پذیری هنوز هم برای تیتانیوم Ti 6Al-4V ELI دشوار است.
مقاومت به خوردگی
به طور کلی، مقاومت در برابر خوردگی برای تیتانیوم Ti 6Al-4V ELI بسیار عالی است. اگر چه، این آلیاژ گاهی اوقات مستعد رشد ترک بوسیله تنش خوردگی نمک داغ بوده اما با انتخاب فرایند مناسب، این خطر را می توان به حداقل رساند.
عملیات حرارتی
تیتانیوم Ti 6Al-4V ELI نمایانگر قابلیت سختی پذیری محدود می باشد، بنابراین اغلب عملیات حرارتی در شرایط آنیل شده، استفاده می شود. خواص کششی بالاتر می تواند بوسیله عملیات حرارتی محلول بدنبال پیری بدست می آید. برای اهداف کلی از Mill Aneal (MA) برای انیل کردن 6-4 تیتانیوم ELI استفاده می شود. این روش برای تمامی محصولات Mill می باشد. توجه داشته باشید که این روش یک آنیل کامل نیست، با این حال، ممکن است که کار سرد و گرم در محصولات سنگین وجود داشته باشد. همچنین آنیل دوگانه و آنیل سه گانه برای بهبود مقاومت به خزش و آنیل تبلور مجدد (RA) و آنیل بتا (BA) به منظور بهبود چقرمگی شکست استفاده می شود. در نهایت، آنیل بتا بایستی بالایی دمای بتای ترانساز انجام شود. هنگام انجام رسوب سختی، عمل حلالیت و پیری (STA) می تواند در طیف گسترده ای از سطح استحکام و شکل پذیری، بسته به چرخه (STA) اندازه دانه آن دارد. علاوه بر این، عمل حلالیت و پیری بیش از حد (STOA) می تواند در نتیجه افزایش استحکام، با چقرمگی رضایت بخش و ثبات ابعادی باشد.
کاربردهای تیتانیوم Ti 6Al-4V ELI
تیتانیوم 6Al-4v و Ti 6Al-4V ELI، آلیاژهای ساخته شده از 6% آلومینیوم و 4% وانادیوم بوده و رایج ترین نوع از تیتانیوم مورد استفاده در پزشکی می باشند. بدلیل هماهنگی آن با بدن انسان، از این آلیاژ تیتانیوم در پروسه های پزشکی و همچنین در پریسینگ بدن استفاده می شود. این آلیاژهای به Grade 5 و Grade 23 شناخته می شوند و یکی از آشناترین و قابل دسترس از تیتانیوم در ایالات متحده با تعدادی از توزیع کنندگان و متخصصان در این گریدها خاص هستند.
تیتانیوم 6Al-4v و Ti 6Al-4V ELI، مقاومت به شکست بالایی داشته و در ایمپلنت دندان استفاده می شود. و همچنین در ساخت وسایل جراحی، پین و پیچ ارتوپدی، ارتودنسی، دستگاه فیکس کننده استخوان، مفصل مصنوعی و در صنعت بیومتریال در طیف گسترده، بهره گرفته می شود. در شکل نشان داده شده مثال هایی از کابرد آنها آورده شده است.


ساختار بلوری و استحاله فازی در تیتانیوم
تیتانیوم در دما و فشار محیط دارای ساختار بلوری HCP با نسبت فشردگی(c/a) برابر با ۱٫۵۸۷ می‌باشد (فاز α). در دمای ۸۹۰ درجه سلسیوس، تیتانیوم در اثر یک استحاله آلوتروپی به فاز β با ساختاربلوری BCC تبدیل می‌شود که این ساختار تا دمای ذوب (۱۶۷۸ درجه سلسیوس) پایدار باقی می‌ماند.
بعضی از عناصر می‌توانند دمای تبدیل آلفا به بتا را افزایش یا کاهش دهند؛ عناصری که در فاز آلفا حل می شومد همچون آلومینیوم، گالیم، ژرمانیم، کربن، اکسیژن و نیتروژن باعث افزایش دمای انتقال می‌شوند و به عناصر پایدارکننده آلفا مشهورند. اما عناصری همچون مولیبدن، وانادیم، تانتال، آهن، کروم، کبالت، نیکل، مس و سیلیکون دمای انتقال را کاهش داده و پایدارکننده فاز بتا هستند.

طبقه‌بندی آلیاژی تیتانیوم بر اساس ساختار بلوری
آلیاژهای تیتانیوم را می‌توان بر اساس ساختار بلوری آنها به چهار دسته تقسیم‌بندی کرد:
    آلیاژهای آلفا که دارای عناصر آلیاژی خنثی (همچون قلع) و/یا عناصر پایدار ساز فاز آلفا (همچون آلومینیوم یا اکسیژن) هستند. مثال‌ها عبارتند از: Ti-5AL-2SN-ELI و Ti-8AL-1MO-1V.
    آلیاژهای نزدیک به آلفا که حاوی مقدار اندکی فاز بتای شکل پذیر هستند. این گروه علاوه بر عناصر پایدارساز فاز آلفا، با مقدار کمی (۱ تا ۲٪) از پایدار سازهای فاز بتا مانند مولیبدن، سیلیکون یا وانادیم آلیاژسازی می‌شوند. مثال‌ها عبارتند از: Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo ,Ti-5Al-5Sn-2Zr-2Mo IMI 685 و Ti 1100.
    آلیاژهای آلفا/بتا، که از لحاظ ترمودینامیکی آلیاژهای شبه پایداری بوده و عموماً شامل ترکیبی از پایدارسازهای فاز آلفا و بتا هستند. این سری از آلیاژها قابلیت عملیات حرارتی دارند. مثال‌ها عبارتند از: Ti-6Al-4V-ELI ,Ti-6Al-4V و Ti-6Al-6V-2Sn.
    آلیاژهای بتا نیز از لحاظ ترمودینامیکی شبه پایدار بوده و حاوی مقادیر کافی از عناصر پایدارساز فاز بتا هستند که به این آلیاژها امکان می‌دهد تا فاز بتا را هنگامی که کوئنچ می‌شوند، حفظ کنند. این آلیاژها همچنین قابلیت عملیات پیرسختی به منظور افزایش استحکام را دارند. مثال‌ها عبارتند از: Ti-10V-2Fe-3Al ,Ti-13V-11Cr-3Al ,Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al ,Beta C و Ti-15-3.

تیتانیوم بتا
آلیاژهای تیتانیوم بتا ساختار bcc دارند. عناصر مورد استفاده در این آلیاژها عبارتند از مولیبدن، وانادیم، نئوبیوم، تانتالیوم، زیرکونیوم، منگنز، آهن، کرم، کبالت، نیکل و مس هستند که در مقادیر مختلف و به صورت تکی یا چندتایی به تیتانیوم اضافه می‌شوند.
این آلیاژ قابلیت شکل پذیری عالی دارد و به راحتی جوشکاری می‌شود. تیتانیوم بتا امروزه به صورت گسترده در ارتودنسی به کارگرفته می‌شود. این نوع آلیاژ در کاربردهای خاصی می‌تواند جایگزین فولاد زنگ نزن شود، همانظور که پیش از این در ارتودنسی از فولاد زنگ نزن استفاده می‌شد. مدول الاستیسیته و استحکام این گروه تقریباً دو برابر فولاد زنگ نزن ۸–۱۸ است و تغییر شکل الاستیک بزرگ‌تری در فنرها از خود نشان می‌دهد.
خواص و کاربردها
در کل، فاز بتا شکل پذیری بیشتری دارد و فاز آلفا گرچه استحکام بیشتری دارد، اما شکل پذیری آن نسبت به فاز بتا کمتر است. دلیل آن، بیشتر بودن صفحات لغزش در ساختار bcc فاز بتا در مقایسه با ساختار hcp فاز آلفا است. آلیاژهای آلفا/بتا نیز از خواصی مابین این دو فاز برخوردارند.
تیتانیوم دی اکسید در فلزات در دماهای بسیار بالا حل می‌شود و شکل دهی آن انرژی زیادی می‌طلبد. این دوعامل نشان می‌دهد که مقدار قابل توجهی از اکسیژن به صورت محلول در آن وجود دارد و از این رو می‌توان آن را به نوعی آلیاژ Ti-O در نظر گرفت. رسوبات اکسید استحکام نسبی را ارائه می‌دهند امّا در مقابلِ عملیات حرارتی به خوبی پاسخگو نیستند و می‌توانند چقرمگی آلیاژ را به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش دهند.
بسیاری از آلیاژها از تیتانیوم یه صورت جزئی بهره می‌گیرند. امّا از آنجایی که آلیاژها بر اساس آن که کدام عنصر بیشترین مقدار ماده را تشکیل می‌دهد، طبقه‌بندی می‌شوند، این‌ها معمولاً به عنوان آلیاژ تیتانیوم در نظر گرفته نمی‌شوند. تیتانیوم به تنهایی یک فلز سبک و مستحکم است. این فلز از فولادهای کم کربن معمول مستکحم تر است، در حالی که ۴۵٪ از آن سبک‌تر است. همچنین این فلز دوبرابر مستحکم ترآلیاژهای ضعیف آلومینیوم است، درحالی که تنها ۶۰٪ از آنها سنگین تر است. تیتانیوم از مقاومت به خوردگی بی نظیری در برابر آب دریا برخوردار است و به همین دلیل بخش‌هایی از شناور که در معرض آب دریا قرار می‌گیرند، همچون محور پروانه از آلیاژهای تیتانیوم ساخنه می‌شوند. تیتانیوم در راکت‌ها، موشک‌ها و هواپیماها کاربرد زیادی دارند، چراکه این آلیاژها نه تنها نسبت استحکام به وزن بالایی دارند بلکه از مقاومت زیادی در برابر دمای بالا نیز برخوردارند. علاوه براین، از آنجایی که تیتانیوم با بدن انسان واکنش نمی‌دهد، خود و آلیاژهایش در ساخت لگن مصنوعی، پین‌های مورد استفاده در ترمیم شکستگی استخوان‌ها و ایمپلنت‌ها استفاده می‌شود.
رده‌های آلیاژهای تیتانیوم
انجمن مواد و آزمون آمریکا (به اختصار ASTM) استانداردهایی را برای دسته‌بندی آلیاژهای تیتانیوم ارائه کرده است که از آن بین می‌توان به استاندارد میله‌ها و شمش‌های تیتانیومی با مشخصه ASTM B348 و همچنین ASTM B265 برای ورق‌ها و صفحات تیتانیومی اشاره کرد؛ شایان ذکر است که استانداردهای کمتر شناخته شده‌ای همانند ASTM B381 برای آلیاژهای مخصوص آهنگری و یا استاندارد JIS H4600 (مربوط به سازمان استاندارد صنعتی ژاپن) نیز برای دسته‌بندی آلیاژهای تیتانیوم وجود دارد.
مشخصات و شرایط عملیات حرارتی بعضی از این آلیاژها بر اساس استاندادرهای ASTM B265/B348 مطابق زیر است (باید اشاره کرد که در کل ۳۹ رده مختلف آلیاژی در استاندارد ASTM B265/B348 وجود دارد):
آلیاژهای Ti در شرایط زیر عرضه می‌شوند: گریدهای ۵، ۲۳، ۲۴، ۲۵، ۲۹، ۳۵ و ۳۶ تحت عملیات آنیلینگ یا پیرسازی قرار می‌گیرند. گریدهای ۹، ۱۸، ۲۸ و ۳۸ کار سرد، تنش زدایی و آنیل می‌شوند. گریدهای ۱۹، ۲۰ و ۲۱ نیز تحت عملیات انحلالی و یا عملیات انحلالی و پیرسازی توأماً قرار می‌گیرند.
    گرید ۱ انعطاف پذیرترین و نرم‌ترین آلیاژ تیتانیوم است. این آلیاژ گزینهٔ خوبی برای شکل دهی سرد و محیط‌های خورنده است.
    گرید ۲ تیتانیوم غیرآلیاژی، اکسیژن استاندارد.
    گرید ۳ تیتانیوم غیر آلیاژی، اکسیژن متوسط.
    گریدهای ۱ تا ۴ غیرآلیاژی هستند و با نام خالص تجاری یا "CP" اطلاق می‌شوند. به طور کلی برای گریدهای خالص با افزایش شماره گرید، استحکام تسلیم و شکست افزایش می‌یابد. تفاوت در خواص فیزیکی آن‌ها اصولاً به مقادیر عناصر درون شبکه‌ای مربوط می‌شود. این گروه در جاهایی که مقاومت به خوردگی، هزینه، سهولت ساخت و قابلیت جوشکاری اهمّیّت دارند، به کار می‌روند.
    گرید ۵ که همچنین تحت عنوان Ti6Al4V یا Ti 6-4 شناخته می‌شود، پراستفاده‌ترین آلیاژ تیتانیوم می‌باشد و دارای ترکیب شمیایی ۶٪ آلومینیم، ۴٪ وانادیم، ۰٫۲۵٪(حداکثر) آهن، ۰/۲٪(حداکثر) اکسیژن و تیتانیوم به عنوان عنصر اصلی می‌باشد. این آلیاژ به طور قابل ملاحظه‌ای سخت‌تر از تیتانیوم خالص تجاری است در حالی که سفتی و خواص حرارتی یکسانی دارند (به جز هدایت حرارتی که در تیتانیوم گرید ۵، ۶۰٪ کمتر از تیتانیوم خالص تجاری است). از جمله مزایای بسیار آن، قابلیت عملیات حرارتی است. این گرید ترکیبی از استحکام، مقاومت به خوردگی و قابلیت جوشکاری را ارائه می‌دهد.
    این آلیاژ آلفا-بتا، اسب بارکش صنعت تیتانیوم است. آلیاژ مذکور تا اندازه مقطع ۱۵ میلی‌متر قابلیت عملیات حرارتی دارد و تقریباً تا دمای ۴۰۰ درجه سانتیگراد مورد استفاده است. این آلیاژ در ساخت بدنه هواپیماها، قطعات موتور، صنایع دریایی و به خصوص صنایع تولید نیرو استفاده می‌شود.
    «کاربردها به طور جزئی: پره‌های توربین، دیسک‌ها، بدنه هواپیماها، اتصالات، شناورها، توپی‌ها، رینگ‌ها و ایمپلنت‌ها.»
    عموماً Ti6Al4v در دماهای بالاتر از ۴۰۰ درجه سانتیگراد استفاده می‌شود. این آلیاژ چگالی در حدود ۴۴۲۰ کیلوگرم بر متر مکعب، مدول الاستیسیته ۱۲۰ گیگاپاسکال و استحکام کششی ۱۰۰۰ مگاپاسکال را داراست. در مقایسه، فولاد زنگ نزن نوع ۳۱۶ آنیل شده از چگالی ۸۰۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب، مدول الاستیسیته ۱۹۳ گیگاپاسکال و استحکام کششی ۵۷۰ مگاپاسکال برخوردار است یا برای آلومینیم ۶۰۶۱ تمپر شده، این پارامترها به ترتیب برابر با ۲۷۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب، ۶۹ گیگاپاسکال و ۳۱۰ مگاپاسکال است.
    گرید ۶ حاوی ۵٪ آلومینیم و ۲/۵٪ قلغ می‌باشد. همچنین به عنوان Ti5Al2.5Sn شناخته می‌شود. این آلیاژ به سبب قابلیت جوشکاری خوب و حفظ پایداری و استحکام در دمای بالا در ساخت بدنه هواپیماها و موتور جت استفاده می‌شود.
    گرید ۷ حاوی ۰/۱۲ تا ۰/۲۵ درصد پالادیم است و مشابه گرید ۲ است. مقدار کم پالادیم مقاومت به خوردگی آلیاژ در دماهای بالا و پایین را افزایش می‌دهد.
    گرید 7H مشابه گرید ۷ است با مقاومت به خوردگی بالاتر.
    گرید ۹ حاوی ۳ درصد آلومینیم و ۲/۵ درصد وانادیم است. این گرید هم قابلیت جوشکاری و ساخت آسان گریدهای خالص را دارد و هم استحکام بالای گرید ۵. این آلیاژ معمولاً در ادوات هیدرولیک هواپیماها و تجهیزات ورزشی استفاده می‌شود.
    گرید ۱۱ حاوی ۰/۱۲ تا ۰/۲۵٪ پالادیوم است. این گرید مقاومت به خوردگی را افزایش داده است.
    گرید ۱۲ حاوی ۰/۳ درصد مولیبدن و ۰/۸ درصد نیکل است.