تیتانیم یکی از فلزات جدید است که کاربرد تجاری و صنعتی آن از سال ۱۹۵۲ شروع شده است. در آن سال تنها ۱۰۰۰ تن از این فلز تولید شد.
استخراج تیتانیم از کانی های آن بسیار مشکل و پرهزینه است. تیتانیم از جمله فلزات آلوتروپیک (مثل فولاد) است که به دو شکل بلوری دیده می شود. در دمای محیط ساختار بلوری CPH دارد که در واقع شکل آلفا نامیده می شود اما در دمای ۸۸۵ درجه سانتیگراد فاز آلفا به فاز بتا تبدیل می شود که فرم بلوری آن BCC است. فرم بتا تا نقطه ذوب تیتانیم یعنی ۱۶۸۰ درجه سانتیگراد پایدار است. در آلیاژها عناصر آلیاژی باعث پایداری یکی از فرم های آلفا و یا بتا می شوند. مثلاً آلومینیوم، فرم آلفا را پایدارتر می کند و باعث می شود تا فرم آلفا در اثر حرارت پایدار بماند و به فرم بتا تبدیل نشود. سایر عناصر پایدار کننده فرم آلفا در تیتانیم عبارتند از کربن، اکسیژن و نیتروژن. پایدار کننده های بتا مثل مس، کروم، آهن، مولیبدن و وانادیوم هستند، که دمای تغییر بلوری را کاهش می دهند و باعث می شوند حتی در دمای پایین فرم بتا حفظ شود.
لازم به ذکر است که خواص فلزی و مکانیکی تیتانیم ارتباط فیزیکی نزدیکی با آلوتروپی و شکل بلوری فازهای بتا و آلفا دارد. مثلاً حالت بتا بسیار سخت تر و شکننده تر از حالت آلفا است. بر این اساس آلیاژهای تیتانیم شکل می گیرند.
خواص عمومی تیتانیم
تیتانیم عنصری است فلزی با عدد اتمی ۲۲ که در گروه ۴B جدول تناوبی جای دارد و وزن اتمی آن ۴۷٫۹۰ می باشد. تیتانیم دارای ظرفیت های ۲، ۳ و ۴ در ترکیبات شیمیایی خود است. این فلز دارای ۵ ایزوتوپ پایدار طبیعی است.
تیتانیم ۴۵ درصد سبک تر از فولاد است و قابلیت هدایت حرارتی آن با فولاد برابر است. این فلز که دارای رنگ نقره ای یا خاکستری با دانستیه ۴٫۵gr/cm3 و نقطه ذوب و جوش به ترتیب برابر با ۱۶۷۵ و ۳۲۶۰ درجه سانتیگراد می باشد، در مقابل کلر و حلال های کلره و ترکیبات گوگردی مقاوم است. بازها و مواد قلیایی بر تیتانیم اثر نمی کند اما اسید کلریدریک و اسید سولفوریک این فلز را در خود حل می کند. لازم به ذکر است که تیتانیم کمی خاصیت سمی دارد.
اشکال مختلف تجاری
تیتانیم به شکل های مختلف مثل ورق، لوله، سیم، اکسترود و پودر تولید می شود. تیتانیم و برخی از آلیاژهای آن جهت مصارف جراحی، سازه های دریایی و تجهیزات شیمیایی ریخته گری شده و مصرف می شوند. به علت میل ترکیبی زیادی که تیتانیم با اکسیژن و سایر گازها دارد، ریخته گری این فلز باید تحت خلاء صورت بگیرد. این عامل باعث می شود تا ابعاد قطعات ریخته گری تیتانیم چندان بزرگ نباشد.
تیتانیم با درجه خلوص ۹۸٫۹ و ۹۹٫۵ درصد تولید می شود. از آن جایی که برخی از ناخالصی ها حتی به مقدار جزئی خواص مکانیکی تیتانیم را تغییر می دهد، می توان آن ها را به عنوان عناصر آلیاژی فرم آلفا در نظر گرفت.
آلیاژهای تیتانیم
- آلیاژهای آلفا
این آلیاژها حاوی عناصر آلیاژی از جمله Al، Sn، Zr، V و Mo با مقادیر متفاوت از ۱ تا ۱۰ درصد هستند و تا دمای ۵۴۰ درجه سانتیگراد پایدار بوده و ترکیب مناسبی از قابلیت جوشکاری، استحکام و سختی را دارا هستند. مهم ترین آلیاژ نوع آلفا دارای ۵ درصد آلومینیوم و ۲۵ درصد قلع است که کاربرد زیادی در صنایع هوا و فضا دارد. این آلیاژ در مقابل اکسیداسیون مقاوم است و شکل پذیری خوبی از خود نشان می دهد.
- آلیاژهای بتا
این دسته از آلیاژها استحکام فوق العاده ای دارند اما خستگی فلزی آن ها و عدم سختی آن باعث محدودیت مصرف می شود. این آلیاژها در دمای کمتر از -۴۰ درجه سانتیگراد ترد و شکننده می شود و در دمای بالاتر از ۳۲۰ درجه سانتیگراد استحکام خود را از دست می دهد.
- آلیاژهای آلفا-بتا
مهم ترین آلیاژهای تیتانیم هستند که مصارف صنعتی و مهندسی زیادی دارند. خواص بی نظیر آن ها مربوط به ترکیب دو فرم آلفا و بتا می باشد. این آلیاژها قابلیت عملیات حرارتی خوبی دارند و شکل پذیرتر از آلیاژهای آلفا هستند، اما سختی و قابلیت جوشکاری آن ها از آلیاژهای آلفا کمتر است. مهم ترین آلیاژ گروه آلفا-بتا آلیاژی است حاوی ۶% آلومینیوم و ۴% وانادیوم. این آلیاژ به تنهایی به اندازه بقیه انواع آلیاژهای تیتانیم کاربرد دارد و دارای قابلیت عملیات حرارتی خوب، مقاومت در برابر خستگی و قابلیت مناسب جوشکاری است.
به طور کلی آلیاژهای تیتانیم بنابه دلایل زیر، جذابیت خاصی در مهندسی مواد دارند:
– ۴۰ تا ۴۵ درصد سبک تر از فولاد هستند. ترکیب سبکی و استحکام، ویژگی بارز تیتانیم است که آن را از سایر فلزات سازه ای متمایز می کند. این فلز دارای نسبت استحکام به وزن بالایی است، به طوری که این نسبت ۳۰% بیش تر از آن در فولاد است.
– مقاومت به خوردگی دومین ویژگی تیتانیم و آلیاژهای آن است. در محیط های خورنده لایه بسیار نازکی از اکسید تیتانیم تشکیل می شود که فلز را از خوردگی بیشتر حفظ می کند. به همین دلیل در محیط های مرطوب، محیط های دریایی و حتی در مجاورت با برخی از مواد شیمیایی مثل کلر مقاوم است.
– تیتانیم در انتهای جدول اکسیداسیون احیاء واقع شده است، لذا فلزی بی اثر شناخته می شود.
– نقطه ذوب تیتانیم حتی از آهن نیز بیشتر است.
– هدایت حرارتی کم، ضریب انبساط پایین و مقاومت الکتریکی زیاد از دیگر خواص تیتانیم و آلیاژهای آن است.
مصارف جدید تیتانیم
امروزه مصرف تیتانیم در بخش الکترونیک افزایش یافته است. این فلز به عنوان یک ماده هادی در مدارهای یکپارچه استفاده می شود و نیز به عنوان فلز عایق در نیمه هادی ها کاربرد وسیعی دارد که به صورت لایه نازکی سیم های مینیاتوری را از تماس خطرناک با عایق های اطراف محافظت می کند. به دلیل رشد تقاضا برای نیمه هادیها، کارخانه های تولید تیتانیم غنی شده در جهان رو به رشد است.
خواص پر ارزش تیتانیم و آلیاژهای آن مانند چگالی پایین، استحکام و مقاومت به زنگ زدگی موجب شده است که نه تنها تقاضا برای آن عمدتاً در بخش صنایع هوا-فضا، بلکه در صنعت خودروسازی نیز افزایش پیدا کند. اگر چه تقاضا برای آن در صنایع هوا-فضا بسیار پر نوسان است، اما انتظار میرود که این روند فزایند باشد.
صنایع هوا-فضا بازار بسیار مطلوبی برای تیتانیم است. لوله های حرارتی تیتانیم در سال های گذشته به سازمان تحقیقات فضایی فروخته شده است که در رادیاتورهای سفینه ها کاربرد داشته و در ماموریت های فضایی دور مانند سفر به ماه و مشتری استفاده می شود. ناسا در حال حاضر مشغول ساخت سیستم های ژنراتورهای برق بر اساس سیکل برایتون است که می تواند ده ها کیلووات برق تولید کند. در سیستم های تولید کننده برق از این لوله های حرارتی استفاده می شود.
هم چنین برای کاهش وزن هواپیمای ایرباس A380، تمام قسمت های هواپیما مجدداً طراحی شده تا پاسخگوی نیازهای مسافران باشد. اضافه کردن یا مصرف تیتانیم در صنایع هواپیماسازی استحکام این سازه را افزایش داده و از وزن آن می کاهد.
استفاده از انواع مختلف آلیاژهای تیتانیم در قسمت های مختلف موتور هواپیما
با توجه به افزایش گستره ی کاربرد تیتانیم در سال های اخیر، تقاضای تجاری و صنعتی برای مصرف این فلز بسیار چشمگیر بوده است. لذا به شما همراهان گرامی سایت عصر مواد پیشنهاد می شود جهت کسب اطلاعات بیشتر در مورد ویژگی ها و خصوصیات این فلز پرکاربرد، بخش تیتانیوم از جلد دوم هندبوک ASM نوشته ی James D. Destefani را مطالعه بفرمایید.
علاقمندان و کاربران محترم وب سایت عصر مواد می توانند بخش تیتانیوم از جلد دوم هندبوک ASM را از لینک زیر دریافت نمایند:
Titanium and Titanium Alloys
فرمت: PDF
تعداد صفحه: ۱۸۰
زبان: انگلیسی
حجم: ۵٫۴ مگابایت
لینک دانلود از عصر مواد:
مطالب مرتبط:
پیشرفت های اخیر آلیاژهای پایه تیتانیم برای کاربردهای زیست پزشکی
 |
 |
 |
 |
برای نوشتن دیدگاه باید وارد بشوید.