آلیاژهای تیتانیوم آلفا بتا (Alpha-Beta Titanium Alloys) (α–β alloys) (آلیاژهای α–β ) گروهی از آلیاژهای پایه تیتانیوم هستند که استحکام و قابلیت شکل پذیری بالاتری نسبت به تیتانیوم آلفا دارند .
انواع آلیاژهای تیتانیوم α–β
در ادامه برخی از آلیاژهای تیتانیم آلفا بتا معرفی شده‌اند .
- آلیاژ Ti-6Al-4V
- آلیاژ Ti-6Al-4V-ELI
- آلیاژهای تیتانیم آلفا- بتا گرید Ti-6Al-6V-Sn
- آلیاژهای دوفازی تیتانیوم Ti-8Mn
- تیتانیوم Ti-7Al-4Mo
- آلیاژ تیتانیوم دوفازی Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo (Ti-6246)
- آلیاژ Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr
- آلیاژ Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr
- آلیاژهای تیتانیوم α–β گرید Ti-3Al-2.5V
- آلیاژ Ti-4Al-4Mo-2Sn-0.5Si
- آلیاژهای تیتانیوم دوفازی Ti-5Al-2.5Fe
- آلیاژ Ti-6Al-7Nb
- آلیاژ Ti–۶Al–۶V–۲Zr–۰.۷ (Fe, Cu) (Ti–۶۶۲)
- آلیاژهای تیتانیوم دوفازی Ti–۴Al–۴Sn–۴Mo–۰.۵Si (IMI 551)
- آلیاژهای تیتانیوم آلفا-بتا گرید Ti–۴.۵Al–۵Mo–۱.۵Cr (Corona-5)
عملیات حرارتی آلیاژهای تیتانیوم آلفا بتا
فرآیند STA آلیاژهای تیتانیم آلفا بتا
STA در واقع انجام عملیات حرارتی محلول جامد و سپس اعمال فرآیند پیرسختی (Solution treated and aged (STA)) است . انجام این فرآیند در آلیاژهای تیتانیم آلفا بتا منجر به ایجاد استحکام بسیار بالاتر نسبت به فرآیند آنیل معتدل می‌شود .
مراحل فرآیند STA برای آلیاژهای تیتانیوم α–β گرید Ti−۶Al−۴V به شرح زیر است .
- عملیات حرارتی محلول جامد در محدوده فاز آلفا+بتا
- کوئنچ در آب
- پیرسازی
ریزساختار و خواص آلیاژهای تیتانیوم آلفا بتا با عملیات حرارتی تغییر می‌کند .
اگر آلیاژهای تیتانیوم آلفا بتا تا محدوده فاز بتا گرم و سپس به سرعت کوئنچ شوند ، در اثر یک استحاله فازی غیرنفوذی (Diffusionless phase transformation) فاز مارتنزیت ′α تشکیل می‌شود . شروع استحاله مارتنزیتی در آلیاژهای تیتانیوم α–β در دمای Ms و پایان آن در دمای Mf رخ می‌دهد ( شکل ۱ ) .
شکل ۱ : دیاگرام عملیات حرارتی آلیاژهای تیتانیوم .
تغییرات استحکام بر حسب نوع عملیات حرارتی نیز در این شکل نشان داده شده است . با افزایش محتوای عنصر آلیاژی ، بدلیل افزایش کسر حجمی فاز بتا ، استحکام آلیاژ آنیل شده به تدریج افزایش می‌یابد .
فرآیند کوئنچ باعث تشکیل فاز ′α می‌شود و استحکام را به میزان نسبتا کمی افزایش می‌دهد ( بسیار کمتر استحکام فولادهای مارتنزیتی ) .
برای آشنایی با انواع فولادها اینجا کلیک کنید .
بالاترین استحکام آلیاژهای تیتانیوم آلفا بتا مربوط به آلیاژی است که دمای Mf آن برابر با دمای اتاق است ؛ در این صورت است که کل ریزساختار به مارتنزیت ( فاز ′α ) تبدیل می‌شود ( بدون هیچ فاز بتای ناپایدار ) .
اگر آلیاژهای کوئنچ شده تحت فرآیند پیرسختی قرار بگیرند فاز ناپایدار بتا مجددا تشکیل شده و افزایش متوسطی در استحکام مشاهده می‌شود .
مشهورترین آلیاژ تیتانیوم دوفازی
آلیاژ Ti–۶Al–۴V از شناخته شده ترین و محبوب ترین آلیاژهای تیتانیوم آلفا-بتا است که بیشتر از ۵۰ درصد از فروش جهانی تیتانیوم را به خود اختصاص داده است .
ریزساختار آلیاژهای دوفازی تیتانیوم (Alpha beta titanium alloy microstructure)
ریزساختار آلیاژ Ti-6Al-4V : در این آلیاژ دوفازی تیتانیوم ، آلومینیوم بعنوان پایدار کننده فاز آلفا و وانادیم بعنوان پایدار کننده فاز بتا معرفی شده است . ریزساختار آلیاژ ریختگی Ti-6Al-4V از فاز بتای ثانویه شامل آلفای سوزنی شکل و همچنین فاز آلفا در مزردانه های بتای اولیه تشکیل شده است . در حالی که ریزساختار آنیل شده ی آلیاژ کارپذیر Ti-6Al-4V ( پرکاربردترین آلیاژهای تیتانیوم آلفا-بتا ) از دانه های آلفا و بتای مرز دانه ای تشکیل شده است .
شکل ۲ ریزساختار آلیاژ دوفازی تیتانیومLaser consolidation of Ti-6A1-4V یا LC Ti-6A1-4V را نشان می‌دهد .
شکل ۲ : ریزساختار LC Ti-6A1-4V a) تصویر نوری با بزرگنمایی ۱۰۰ برابر b) تصویر نوری با بزرگنمایی ۱۰۰۰ برابر و c) تصویر SEM با بزرگنمایی ۱۵۰۰ برابر .
در شکل a دانه های هم محور و شکل b فازهای سوزنی درون آنها مشاهده می‌شود . شکل c نشان می‌دهد که تشخیص مرزدانه دشوار است و هیچ فاز ثانویه ای در امتداد آن مشاهده نمی‌شود .
خواص آلیاژهای تیتانیوم آلفا + بتا (Alpha + beta titanium alloys)
خواص آلیاژهای تیتانیوم دوفازی (Alpha beta titanium alloy properties) به شرح زیر است .
- آلیاژهای تیتانیوم آلفا-بتا سطوح استحکام متوسط تا استحکام بالا را شامل می‌شوند . آنها استحکام بالاتری نسبت به آلیاژهای تیتانیوم α دارند .
- قابلیت شکل پذیری خوبی دارند . شکل پذیری بهتری نسبت به آلیاژهای آلفا دارند .
- مقاومت به خزش و قابلیت جوشکاری پایین تری نسبت به آلیاژهای تیتانیوم آلفا و تیتانیوم نزدیک به آلفا دارند . دلیل این امر حضور فاز بتا در این آلیاژها است . فاز بتا قابلیت نفوذ بالا و سیستم های لغزش زیادی دارد .
- وجود فاز بتا در آلیاژهای تیتانیوم آلفا-بتا سختی پذیری خوبی به آنها می‌بخشد .
- این آلیاژها قابل عملیات حرارتی هستند .
- تردی هیدروژنی (Hydrogen embrittlement) این آلیاژ در دمای اتاق باعث کاهش شدید خواص مکانیکی و رفتار شکست آلیاژ می‌شود .
ترکیب شیمیایی آلیاژهای تیتانیوم آلفا بتا
آلیاژهای تیتانیوم آلفا بتا بطور معمول حاوی ۵ تا ۱۰ درصد آلومینیوم معادل و ۲ تا ۸ درصد مولیبدن معادل هستند .
در جدول ۱ ترکیب شیمیایی آلیاژهای تیتانیوم آلفا بتا ارائه شده است .
جدول ۱ : ترکیب شیمیایی آلیاژهای تیتانیوم آلفا بتا .
a = خواص مکانیکی بر اساس شرایط آنیل تعیین می‌شود؛ ممکن است تحت عملیات حرارتی محلول جامد قرار گیرد و سپس پیرسازی شود تا استحکام افزایش یابد.
b = خواص مکانیکی بر اساس شرایط عملیات حرارتی محلول جامد و پیرسازی تعیین می‌شود؛ آلیاژ معمولا در شرایط آنیل استفاده نمی‌شود.
c = آلیاژ نیمه تجاری؛ خواص مکانیکی و محدودیت‌های ترکیب منوط به مذاکره با تامین کنندگان است.
d = بطور عمده به شکل لوله است؛ ممکن است برای افزایش استحکام بصورت سرد کشیده شود.
e= O۲ + ۲N۲ =۰.۲۷%
استحکام آلیاژهای تیتانیوم α-β
جدول ۲ استحکام کششی و استحکام تسلیم این آلیاژها را نمایش می‌دهد .
جدول ۲ : استحکام آلیاژهای تیتانیوم α–β .
a = خواص مکانیکی بر اساس شرایط آنیل تعیین می‌شود؛ ممکن است تحت عملیات حرارتی محلول جامد قرار گیرد و سپس پیرسازی شود تا استحکام افزایش یابد.
b = خواص مکانیکی بر اساس شرایط عملیات حرارتی محلول جامد و پیرسازی تعیین می‌شود؛ آلیاژ معمولا در شرایط آنیل استفاده نمی‌شود.
c = آلیاژ نیمه تجاری؛ خواص مکانیکی و محدودیت‌های ترکیب منوط به مذاکره با تامین کنندگان است.
d = بطور عمده به شکل لوله است؛ ممکن است برای افزایش استحکام بصورت سرد کشیده شود.
e = O۲ + ۲N۲ =۰.۲۷%
قابلیت جوشکاری آلیاژهای دوفازی تیتانیوم
همانطور که بیان شد این آلیاژ از دو فاز آلفا و بتا تشکیل شده است ؛ بهمین دلیل قابلیت جوشکاری کمی دارند .
کاربردهای آلیاژهای آلفا-بتا (Alpha-beta alloys)
آلیاژهای تیتانیوم آلفا-بتا در پره های فن موتورهای جت و چفت و بست ها (Fastener) قابل استفاده هستند .
تیتانیوم Ti–۴.۵Al–۵Mo–۱.۵Cr (Corona-5) در سازه های مهندسی با مقاطع ضخیم کاربرد دارد .
از ورق های ریزدانه Ti–۶Al–۴V برای ساخت قطعات مورد استفاده در صنعت موتورهای هوایی استفاده می‌شود . این ورق ها قابلیت شکل پذیری فوق پلاستیک (Superplastic forming) دارند .
کاربرد آلیاژهای آلفا-بتا در صنعت هواپیما
از این آلیاژها ( مخصوصا آلیاژ Ti–۶Al–۴V ) برای ساخت هواپیماهای تجاری و نظامی ( مانند Boeing 747 و B1–B bomber ) استفاده می‌شود . خواصی که آلیاژهای تیتانیوم آلفا-بتا گرید Ti–۶Al–۴V را برای کاربرد در صنعت هواپیما مناسب می‌سازد عبارت است از :
- استحکام ویژه
- تحمل آسیب مطلوب
- مقاومت به خوردگی عالی
کاربرد آلیاژهای تیتانیوم آلفا بتا در پزشکی
آلیاژ Ti–۶Al–۴V بدلیل خواص عالی در صنعت پزشکی بسیار مورد توجه قرار گرفته است . خواص مطلوب آلیاژهای تیتانیوم α–β گرید Ti–۶Al–۴V عبارت است از : داشتن ترکیبی بهینه از خواص مکانیکی ، مقاومت به خوردگی مطلوب و زیست سازگاری بالا .
کاربرد آلیاژهای آلفا-بتا در دماهای متوسط
در اثر اعمال فرآیند عملیات حرارتی ، استحکام این آلیاژها در محدوده دمای اتاق تا دماهای متوسط افزایش می‌یابد . آلیاژهای Ti–۶Al–۲Sn–۴Zr–۶Mo و Ti–۵Al–۲Zr–۲Sn–۴Mo–۴Cr (Ti-17) در ساخت اجزای موتور کاربرد دارند .
آلیاژهای تیتانیوم آلفا بتا (α–β alloys) گروهی از فلزات و آلیاژها هستند که استحکام مطلوبی در دمای اتاق و دماهای متوسط دارند . معروف ترین آلیاژ تیتانیوم دو فازی ، آلیاژ Ti–۶Al–۴V است که در صنایع هوایی و پزشکی کاربردهای فراوانی دارد .
منابع
۱. Handbook of Materials Selection, Edited by MYER KUTZ
۲. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9781845691578500034
۳. https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/alpha-beta-titanium-alloys
۴. http://www.matweb.com/search/datasheettext.aspx?matguid=301841cda5454e07ae80f13ec54f7648