گریدهای تیتانیوم خالص (Unalloyed grades) یا تیتانیم غیر آلیاژی گروهی از آلیاژهای پایه تیتانیوم هستند که مقاومت به خوردگی مطلوبی در محیط های احیا و اکسیدکننده دارند .
این مواد با نام تیتانیوم خالص تجاری (Commercially pure titanium) شناخته میشوند . همچنین به آنها تیتانیوم غیر آلیاژی نیز میگویند .
انواع گریدهای تیتانیوم غیر آلیاژی
گریدهای تیتانیوم خالص به شرح زیر است .
- گرید ASTM grade1 .
- ASTM grade2 .
- ASTM grade3 .
- ASTM grade4 .
- ASTM grade7 و ASTM grade11 .
قابلیت ماشینکاری گریدهای تیتانیوم خالص تجاری
قابلیت ماشینکاری این مواد دشوار است به همین دلیل ماشینکاری این آلیاژها در شرایط زیر انجام میشود .
- سرعت پایین .
- جریان سرمایش بالا .
- نرخ تغذیه (Feed rate) بالا .
- ماشینکاری این مواد باید با ابزارهای کاربید تنگستن یا ابزارهای تندبر از نوع کبالت انجام شود .
شکل دهی گریدهای تیتانیوم خالص
شکل دهی این مواد به هم به شکل گرم و هم سرد قابل انجام است . این فرآیند با روش های هیدروپرس ، Drop hammer ، کشش و Power brake انجام میشود .
قابلیت جوشکاری تیتانیم خالص
تیتانیوم خالص تجاری قابلیت جوشکاری خوبی دارد .
فرآیند آنیل گریدهای تیتانیوم خالص تجاری
- حرارت تا دمای ۷۰۴ درجه سانتی گراد
- ۲ ساعت نگهداری در این دما
- سرد شدن در هوا .
فرآیند تنش زدایی تیتانیوم خالص شامل حرارت دهی تا دماهای ۴۸۲ تا ۵۳۸ درجه سانتی گراد به مدت ۴۵ دقیقه است .
کار گرم و کار سرد گریدهای تیتانیوم خالص تجاری
در حالت کلی کارگرم باعث افزایش انعطاف پذیری ماده میشود .
خصوصیات آلیاژ کار سرد شده تیتانیوم خالص مشابه فولاد زنگ نزن آستینیتی تمپر شده است .
برای آشنایی با انواع فولادهای زنگ نزن و خواص هر کدام اینجا کلیک کنید .
خواص گریدهای تیتانیوم غیر آلیاژی
- گریدهای تیتانیوم خالص مقاومت به خوردگی مطلوبی دارند .
- قابلیت شکل پذیری این مواد بالا است .
- تیتانیوم خالص استحکام پایینی دارد .
- فاز آلفا ساختار متالوگرافی تیتانیوم خالص را تشکیل میدهد .
- ساختار کریستالی تیتانیوم خالص (فاز آلفا) ، هگزاگونال (Hexagonal close-packed (HCP)) است .
- انتقال فاز آلفا به بتا (BCC) در دمای ۸۸۳ درجه سانتی گراد رخ میدهد .
- در آب دریا و در دماهای بالاتر از نقطه جوش گریدهای تیتانیوم خالص دچار خوردگی شکافی میشوند .
در ادامه به مهمترین خواص گریدهای تیتانیوم غیر آلیاژی پرداخته شده است .
خواص فیزیکی
چگالی تیتانیوم خالص تجاری برابر با ۴.۵۱ g/cm۳ است .
نقطه ذوب این مواد بین ۱۶۶۰ تا ۱۶۸۰ درجه سانتی گراد قرار دارد .
ترکیب شیمیایی گریدهای تیتانیوم خالص
محتوای تیتانیوم این آلیاژها حدود ۹۸.۵ تا ۹۹.۵ درصد است . در جدول ۱ ترکیب شیمیایی این مواد ارائه شده است .
جدول ۱ : ترکیب شیمیایی گریدهای تیتانیوم غیر آلیاژی .
استحکام گریدهای تیتانیوم غیر آلیاژی
این مواد شامل عناصر بین نشین (Interstitial elements) مانند کربن ، نیتروژن ، آهن ، هیدروژن و اکسیژن هستند . شعاع اتم های این عناصر کمتر از ۱ آنگستروم است ؛ بهمین دلیل به راحتی در بین اتم های فاز زمینه قرار گرفته و باعث افزایش استحکام گریدهای تیتانیوم خالص میشوند . جدول ۲ استحکام کششی و استحکام تسلیم این مواد را نمایش میدهد .
جدول ۲ : استحکام گریدهای تیتانیوم غیر آلیاژی .
خواص تیتانیوم غیر آلیاژی گرید ۱ (Grade 1 Unalloyed Ti)
- مقاومت عالی در برابر محیط های احیایی آرام و محیط های به شدت اکسیدی .
- قابلیت جوشکاری بالا .
- چقرمگی ضربه خوب .
- گریدهای تیتانیوم خالص Grade 1 Unalloyed Ti در دمای اتاق انعطاف پذیری عالی دارند .
- غیر مغناطیسی .
خواص تیتانیوم غیر آلیاژی گرید ۲ (Grade 2 Unalloyed Ti)
- رایج ترین گرید در دسترس است .
- خاصیت مغناطیسی ندارد .
خواص تیتانیوم غیر آلیاژی گرید ۳ (Grade 3 Unalloyed Ti)
- گریدهای تیتانیوم خالص Grade 3 Unalloyed Ti یک آلیاژ عمومی است .
- غیر مغناطیسی است .
- مقاومت به خوردگی عالی در محیط های اکسید کننده و احیایی دارد .
- نسبت استحکام به وزن عالی دارد .
خواص تیتانیوم غیر آلیاژی گرید ۴ (Grade 4 Unalloyed Ti)
- بالاترین استحکام در بین گریدهای تیتانیوم خالص .
- قابلیت انعطاف پذیری خوب و شکل پذیری متوسطی دارد .
- نسبت استحکام به وزن خوبی دارد .
- خواص مکانیکی خود را در دماهای متوسط حفظ میکند .
- در دماهای پایین خواص ضربه ای خوبی از خود نشان میدهد .
خواص تیتانیوم غیر آلیاژی گرید ۷ (Ti-Grade 7) و گرید ۱۱ (Ti-Grade 11)
- گریدهای تیتانیوم خالص ۷ و ۱۱ مقاومت به خوردگی عالی دارند .
اشکال مختلف تیتانیوم غیر آلیاژی (Unalloyed titanium)
- شمش .
- میله .
- صفحه .
- ورق .
- گریدهای تیتانیوم خالص به شکل سیم .
- لوله .
- پیچ و مهره .
- و غیره .
شکل ۱ برخی از اشکال تیتانیوم غیر آلیاژی را نشان میدهد .
شکل ۱ : برخی از اشکال آلیاژ تیتانیوم خالص تجاری .
رفتار خستگی تیتانیوم خالص
تاثیر اندازه دانه بر رفتار خستگی گریدهای تیتانیوم خالص
شکل ۲ دامنه تنش بر حسب تعداد سیکل خستگی را در تیتانیوم غیر آلیاژی نشان میدهد . در این نمودار اثر اندازه ذره بر رفتار خستگی مورد بررسی قرار گرفته است .
شکل ۲ : بررسی اثر اندازه دانه بر استحکام خستگی در منحنی S-N .
بر طبق شکل با کاهش اندازه دانه از ۱۱۰ به ۶ میکرون ، استحکام خستگی تیتانیوم خالص از ۱۵۵ به ۲۰۵ MPa افزایش مییابد و این یک امر بدیهی است (اندازه دانه کمتر= استحکام بیشتر) .
تاثیر محتوای اکسیژن بین نشین بر رفتار خستگی گریدهای تیتانیوم خالص
شکل ۳ تاثیر مقدار اکسیژن بر رفتار خستگی تیتانیوم غیر آلیاژی را نمایش میدهد .
شکل ۳ : بررسی تاثیر محتوای اکسیژن بر رفتار خستگی تیتانیوم خالص در منحنی S-N .
بر طبق شکل با افزایش محتوای اکسیژن از ۰.۳ به ۱.۱ at.%Oeq ، استحکام خستگی ماده افزایش چشمگیری داشته است . میدانیم که اتم اکسیژن بدلیل اندازه کوچکی که دارد یک اتم بین نشین است .
افزایش محتوای اکسیژن به معنی افزایش اتم های اکسیژن موجود در ماده است . یعنی با افزایش محتوای اکسیژن در ماده ، اتم های بیشتری وجود دارند تا در محل های بین نشینی قرار بگیرند .
در بالا ذکر شد که قرارگیری اتم های بین نشین در محل های بین نشین گریدهای تیتانیوم خالص ، منجر به افزایش استحکام آنها میشود . بنابراین میتوان گفت افزایش محتوای اکسیژن تا حد زیادی قادر است استحکام خستگی آلیاژ را بهبود بخشد .
تاثیر کارسختی بر رفتار خستگی تیتانیوم خالص
شکل ۴ تاثیر فرآیند کارسختی بر رفتار خستگی تیتانیوم غیر آلیاژی را نشان میدهد .
شکل ۴ : تاثیر کارسختی بر رفتار خستگی تیتانیوم خالص در منحنی S-N .
میدانیم که در حین فرآیند کار سرد تنشی بزرگتر از تنش تسلیم به ماده وارد میشود . این تنش منجر به لغزش نابجایی ها (Dislocations) و ایجاد نابجایی های جدید در ماده میشود . افزایش نابجایی در گریدهای تیتانیوم خالص ، استحکام خستگی آن را افزایش میدهد ؛ که این پدیده همان کرنش سختی یا کارسختی نامیده میشود .
کرنش سختی باعث ایجاد تنش باقی مانده در ماده میشود . به منظور تنش زدایی ، آلیاژ پس از کار سرد تحت فرآیند آنیل قرار میگیرد . فرآیند آنیل بدون ایجاد تغییر در دانسیته نابجایی ها ، تنش های باقی مانده را حذف میکند . چیزی که باید بدانیم این است که اگر آلیاژ بیش از حد حرارت ببیند فرآیند تبلور مجدد (Recrystallization) رخ میدهد . در این صورت دانسیته نابجایی ها در ریزساختار کاهش یافته و در نتیجه استحکام کاهش مییابد .
کاربردهای گریدهای تیتانیوم خالص تجاری
تیتانیوم غیر آلیاژی کاربردهای وسیعی در صنایع دریایی ، صنایع غذایی و دارویی ، صنایع شیمیایی ، آندها و کاتدهای سلول ، ساخت قطعات هواپیما ، ساخت تجهیزات کنترل آلودگی هوا و ساخت هیدروکربن ها دارد .
صنایع کاغذسازی ، سیستم های خنک کننده ، تصفیه آب ، صنایع پزشکی (ایمپلنت ، ابزار جراحی) ، تجهیزات تفریحی و ورزشی ، محصولات روزمره مانند ساعت و فریم های عینک و غیره نیز از دیگر کاربردهای جذاب این مواد است . گریدهای ۷ و ۱۱ تیتانیوم در صنایع شیمیایی مخصوصا محیط های کلریدی کاربردهای زیادی دارند .
گریدهای تیتانیوم خالص گروهی از فلزات و آلیاژهای غیر آهنی هستند که انواع مختلفی دارند . هر کدام از گریدهای این ماده خواص متفاوتی دارند ؛ اما ویژگی مشترک همه ی آنها مقاومت به خوردگی خوب است . گریدهای تیتانیوم غیر آلیاژی در صنایع مختلف از جمله صنایع شیمیایی ، صنایع دریایی و هوایی ، پزشکی ، ورزشی و غیره کاربردهای زیادی دارند .
منابع
۱. https://www.totalmateria.com/page.aspx?ID=CheckArticle&site=ktn&NM=342
۲. http://www.metalspiping.com/what-is-unalloyed-titanium.html
۳. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=9413
۴. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=9414
۵. http://www.metalcor.de/en/datenblatt/128/
۶. http://www.metalcor.de/en/datenblatt/126/
۷. http://www.metalspiping.com/fatigue-properties-of-unalloyed-titanium.html
۸. Handbook of Materials Selection, Edited by MYER KUTZ