معرفی و مشخصات تیتانیوم Ti-6Al-4V Gr5

تیتانیوم به میزان 6/0 % در پوسته زمین وجود دارد و از این لحاظ پس از آلومینیوم، آهن و منگنز چهارمین فلز است. تیتانیوم جز فلزات سبک است و پس از لیتیوم(Li)، منیزیم (Mg) و آلومینیوم (Al) کمترین وزن مخصوص (دانسیته) را بین فلزات دارد. آلیاژهای تیتانیوم ویژگی­های بسیار شاخصی دارند که آن­ها را از دیگر آلیاژها متمایز می­کند مانند: وزن کم و استحکام بسیار بالا، خواص خزشی مناسب و مقاومت به خوردگی از مهم­ترین ویژگی­های این آلیاژ است، موارد مذکور سبب شده که آلیاژ مذکور از مهم­ترین گزینه­ها­ در صنایع هوا-فضا باشند. Ti-64 (Ti-6Al-4V) یکی از مهم­ترین آلیاژهای تیتانیومی است، به­طوری­که بیش از 50% از تولیدات جهانی آلیاژهای تیتانیوم را به خود اختصاص داده است. آلیاژهای تیتانیوم به دسته­های مختلفی (Grades) تقسیم می­شوند، و تا کنون 36 دسته برای آن­ها گزارش شده است که Ti-64 در Gr 5 تیتانیوم­ها جای دارد. آلیاژهای تیتانیوم را بر اساس نوع فاز و ساختار آن­ها نیز دسته­بندی می­کنند؛ فازهای α،β و یا هر دو می­توانند در ساختار آلیاژهای تیتانیوم پایدار شوند. تیتانیوم نیز مانند آهن می­تواند گذر یک استحاله آلوتروپیکی را داشته باشد. تیتانیوم خالص (که معمولاً در گریدهای 1 و 2 جای دارند) دارای شبکه کریستالی هگزاگونال (HCP) بوده و به تیتانیوم با ساختار نوع α شناخته می­شود. در محدوده دمایی حدود C ֯ 882 جوانه­های فاز β با شبکه کریستالی (BCC) توسعه یافته و سبب ایجاد ساختاری دو فازی می­شود. وجود دو فاز در ساختار با شبکه کریستالی و ویژگی­های متفاوت، گستره وسیعی از خواص مکانیکی را برای آلیاژهای تیتانیومی فراهم می­آورد. شایان ذکر است هر کدام از عناصر آلیاژی می­تواند سبب پایداری فازهای α یا β شود. Ti-64، یک آلیاژ دو فازی آلفا+بتا (α+β) بوده که هر کدام از این فازها می­توانند در محدوده­های دمایی مشخصی پایدار باشد. مهم­ترین صنعتی که در آن از آلیاژ Ti-64 استفاده می­شود، صنعت هوا-فضا و بخصوص ساخت اجزای توربین­های گازی است. چرا که در آن­جا نیاز به ماده­ای است که دانسیته کم و استحکام بالا داشته باشد تا بتواند سبب کاهش وزن و ارتقای راندمان سیستم شود، ضمن اینکه قابلیت سرویس تا محدوده دمایی C ֯ 600 را نیز داشته باشد. همچنین می­توان با عملیات حرارتی رسوب سختی، افزایش استحکام آلیاژ را افزایش داد (قابلیت رسوب سختی دارد). تولید آلیاژ Ti-64 پیچیدگی­هایی نیز دارد؛ برای تولید این آلیاژ، شمش اولیه باید در کوره­های تصفیه­ساز ذوب مجدد (Vacuum Arc Remelting) تحت خلا تصفیه شود. سپس در محدوده دمایی کارگرم حرارت داده می­شود و عملیات کار گرم (نورد، فورج و ...) طی پاس­های متعدد روی نمونه اعمال و نهایتاً در آب سرد می­شود. جدول زیر محدوده ترکیب شیمیایی آلیاژ Ti-64 را نشان می­دهد.

در حال حاضر کشورهای چین، ژاپن، رومانی و ایتالیا اصلی­ترین تامین کنندگان Ti-64 هستند. در داخل کشور نیز فعالیت­هایی جهت بومی­سازی آلیاژهای عملکرد بالا انجام شده است اما کماکان با محدودیت ابعادی و شکلی مواجه هستیم.

برخی از خواص فیزیکی

استانداردها

برخی از ویژگی­ و کاربردهای آلیاژ Ti-64

ماده­ای غیر مغناطیس

شامل دو فاز آلفا و بتا

این گرید از آلیاژهای تیتانیوم می­تواند از دماهای زیر صفر تا حدود C ֯ 600 سرویس­دهی کند

به­طور گسترده در بخش­های موتورهای هوایی مورد استفاده قرار می­گیرند چرا که به دلیل دانسیته کم سبب سبک شدن کل سیستم می­شود

انبساط حرارتی اندک و مقاومت به خوردگی مناسب

مقاومت به خوردگی خوب در محیط­های شامل نیتریک اسید و محیط­های قلیایی در تمامی غلظت­ها حتی تا نقطه جوشش اسید، آب دریا

مقاومت به اکسیداسیون قابل قبول آلیاژ حتی تا دمای C֯ 538

عملیات حرارتی

از آنجایی که آلیاژهای تیتانیومی حین عملیات حرارتی می­توانند تغییر استحاله و فاز دهند، عملیات حرارتی آن­ها بسیار حساس بوده و عملیات حرارتی نادرست می­تواند به عدم کارایی آلیاژ منتج شود. عملیات حرارتی در آلیاژهای می­تواند منجر به تغییر ساختار شود (ساختارهای آلفا α، بتا β یا آلفا+بتا α+β). معمولاً آنیل در دماهایی بیش از دمای انتقال بتا β منجر به ایجاد ساختار لایه­ای (Widmanstӓtten) می­شود. آنیل در این محدوده دمایی سبب افزایش چقرمگی شکست و کاهش انعطاف­پذیری می­شود. شایان ذکر است یک مرحله تنش گیری در انتهای عملیات، سبب بهبود خواص مکانیکی می­شود. گراف شماتیک ذیل دید مناسبی جهت عملیات حرارتی آلیاژهای تیتانیوم می­دهد.

خواص مکانیکی

جدول زیر محدوده خواص کششی و همچنین میزان سختی را برای آلیاژ Ti-64 نشان می­دهد.

همان­طورکه ملاحظه می­شود استحکام آلیاژ Ti Gr-5 از برخی از سوپرآلیاژها نیز بالاتر است اما از نظر انعطاف­پذیری و شکل پذیری قابلیت کمتری نسبت به بقیه آلیاژها و بخصوص سوپرآلیاژها دارد. وزن کم (دانسیته کم) ضمن حفظ استحکام سبب متمایز شدن آلیاژ Ti-64 نسبت به دیگر آلیاژها شده است.