آلیاژهای پایه تیتانیوم ( تیتانیم ) (Titanium and titanium-based alloys) مواد گران قیمتی هستند که حتی در دماهای بالا خواص مکانیکی عالی دارند و مقاومت به خوردگی آنها فوق العاده است .
انواع آلیاژهای پایه تیتانیوم ( تیتانیم ) (Titanium & titanium base alloys)
۱. گریدهای تیتانیم خالص ، غیر آلیاژی (Unalloyed grades) .
۲. آلیاژهای α (α and near-α alloys) یا آلیاژهای تیتانیوم آلفا .
مثال : آلیاژ Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo ، Ti-5Al-5Sn-2Zr-2Mo و غیره .
۳. آلیاژهای α-β (α–β alloys) یا آلیاژهای پایه تیتانیوم آلفا بتا .
مثال : آلیاژ Ti-6Al-4V-ELI ، Ti-6Al-7Nb و غیره .
۴. آلیاژهای β (β alloys) یا آلیاژهای تیتانیوم بتا .
مثال : آلیاژ Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al ، Beta C ، Ti-10V-2Fe-3Al و غیره .
خواص مکانیکی آلیاژهای پایه تیتانیوم
این مواد خواص مکانیکی و مقاومت مکانیکی فوق العاده ای دارند . چقرمگی و استحکام کششی آلیاژهای تیتانیوم بسیار بی نظیر است . جالب تر از آن این است آلیاژهای پایه تیتانیوم این خواص را همچنان در دماهای بالا نیز حفظ میکنند .
مدول الاستیک تیتانیوم و آلیاژهای آن پایین است .
خواص حرارتی آلیاژهای پایه تیتانیوم
این مواد در دماهای بالا مقاوم هستند و همچنان خواص مکانیکی خود را در این دماها حفظ میکنند . همچنین تیتانیوم و آلیاژهای آن هدایت حرارتی پایینی دارند .
مقاومت به خوردگی تیتانیوم و آلیاژهای پایه تیتانیوم
یکی دیگر از مزایا و خواص مهم این مواد ، مقاومت به خوردگی عالی آنها است . این مواد در برابر محیط های خورنده از جمله آب دریا ، صنایع شیمیایی و غیره بسیار مقاوم هستند . جالب تر اینکه این مواد در برابر محیط خورنده بدن نیز مقاومت بالایی از خود نشان میدهند .
مقاومت به خوردگی این مواد بقدری خاص است که میتواند در صنایع شیمیایی جایگزین بسیار مناسبی برای فولادهای زنگ نزن باشد .
زیست سازگاری تیتانیوم و آلیاژهای پایه تیتانیوم
این مواد علاوه بر مقاومت به خوردگی بالایی که در بدن دارند ، با بافت بدن انسان بخصوص استخوان ها بسیار سازگار هستند . خواص زیست سازگاری آلیاژهای تیتانیوم بهمراه خاصیت غیر سمی بودن آن ، منجر به کاهش عفونت ها و حذف باکتری ها در بدن میشود .
چگالی تیتانیوم و آلیاژهای آن
این آلیاژها چگالی پایین و وزن کمی دارند . از طرفی گفته شد که استحکام این آلیاژها فوق العاده است .
نسبت استحکام به وزن بالای آلیاژهای پایه تیتانیوم یکی از مهمترین خواصی است که آنها را برای استفاده در صنایع پزشکی ، نظامی ، خودرو ، هوافضا و غیره به مواد بی نظیری تبدیل کرده است .
خواص مغناطیسی تیتانیوم و شکل ظاهری آن
این مواد خاصیت مغناطیسی ندارند .
تیتانیوم و آلیاژهای آن سطح بسیار سخت هستند و ظاهری زیبا و درخشان دارند .
جوشکاری تیتانیوم و آلیاژهای آن
بدلیل واکنش پذیری آلیاژهای پایه تیتانیوم با عناصر اکسیژن ، نیتروژن و هیدروژن فرآیند جوشکاری آنها بایستی با گاز محافظت شود .
بنابراین روش های جوشکاری آلیاژهای تیتانیوم عبارتند از :
- جوشکاری قوس تنگستن با گاز محافظ (Tungsten Inert Gas = TIG) .
- جوشکاری قوسی با گاز محافظ (Gas Metal Arc Welding = GMAW or Metal Inert Gas = MIG) .
- جوشکاری قوس الکتریکی پلاسما (Plasma Arc Welding = PAW) .
عملیات حرارتی تیتانیوم و آلیاژهای آن
چرا تیتانیوم و آلیاژهای پایه تیتانیوم به عملیات حرارتی نیاز دارند ؟ بطور کلی میتوان گفت که هدف اصلی از انجام فرآیند عملیات حرارتی در انواع فلزات و آلیاژها بهبود خواص مورد نظر در آنها است . آلیاژهای تیتانیوم نیز از این قاعده مستثنی نیستند .
برای دستیابی به استحکام مورد نظر در این آلیاژها و بهبود خواص مکانیکی آنها ضروری است تا این مواد تحت عملیات حرارتی قرار گیرند .
بدنبال اعمال فرآیند عملیات حرارتی آلیاژهای پایه تیتانیوم ، سه ویژگی مهم آنها که در ادامه مطرح شده است ، بهبود مییابد .
۱- استحکام خزشی در دماهای بالا (High temperature creep strength) .
۲- استحکام خستگی (Fatigue strength) .
۳- چقرمگی شکست (Fracture toughness) .
روش های تولید آلیاژهای پایه تیتانیوم
پرکاربردترین و پیشرفته ترین روش های تولید آلیاژهای پایه تیتانیوم عبارتند از :
- متالورژی پودر (Powder metallurgy) .
- فرم دهی سوپر پلاستیک (Superplastic forming) .
- آهنگری یا فورج دقیق (Precision forging) .
- ریخته گری دقیق (Precision casting) .
کاربردهای آلیاژهای پایه تیتانیوم
تیتانیوم و آلیاژهای پایه تیتانیوم بدلیل خواص شگفت انگیزی که دارند کاربردهای وسیعی در اکثر صنایع دارند . در ادامه به مهمترین کاربردهای آلیاژهای تیتانیوم در صنایع مختلف پرداخته شده است .
کاربردهای تیتانیوم در صنعت / کاربردهای تیتانیوم در متالورژی
بدلیل خواص منحصر به فرد این آلیاژها از آنها در صنایع مختلف استفاده میشود .
در ادامه به برخی از کاربردهای آلیاژ تیتانیوم در حوزه های مختلف اشاره شده است .
- ساخت توربین های گازی .
- استفاده از آلیاژهای پایه تیتانیوم در ساخت انواع هواپیماها .
- نیروگاه های هسته ای .
- کارخانجات مواد غذایی .
- ساخت انواع مبدل ها .
- ساخت تجهیزات دریایی .
- ساخت تجهیزات ورزشی .
- استفاده از آلیاژهای پایه تیتانیوم درساخت تجهیزات پزشکی .
- صنایع نظامی .
- ساخت قطعات مقاوم در برابر تنش بالا .
- جواهرات .
- و غیره .
کاربرد تیتانیوم در صنعت هوافضا
در ایالات متحده بیش از نیمی از آلیاژهای پایه تیتانیوم در بخش هوافضا بکار گرفته میشوند . استفاده از این مواد ارزشمند در صنعت هوافضا روز به روز در حال افزایش است . شکل ۱ نمونه ای از کاربرد تیتانیوم را در صنعت هوافضا نشان میدهد
شکل ۱ : کاربرد آلیاژهای تیتانیوم در صنعت هوافضا .
کاربرد تیتانیوم در خودروسازی
استفاده از تیتانیوم و آلیاژهای آن در صنایع خودروسازی سه هدف اصلی را دنبال میکند .
۱. وزن خودروها به میزان چشمگیری کاهش مییابد .
۲. آلیاژهای پایه تیتانیوم میزان سوخت مورد نیاز خودرو را کاهش میدهد ؛ چرا که میزان مصرف سوخت با مقدار وزن خودرو ارتباط مستقیمی دارد .
۳. کاهش انتشار گازهای گلخانه ای و کمک به جلوگیری از آلوده شدن هوا یکی دیگر از مزایای استفاده از آلیاژهای تیتانیوم در صنعت خودرو است . میتوان گفت کاهش مصرف سوخت مورد نیاز خودرو ، در پی کاهش وزن خودرو ، به کاهش آلودگی هوا منجر میشود .
شکل ۲ کاربرد آلیاژهای تیتانیوم را در صنعت خودرو نشان میدهد . نسبت استحکام به وزن عالی آلیاژهای پایه تیتانیوم ، دلیلی منطقی برای بکار گیری آنها در این صنعت است .
کاربرد آلیاژهای تیتانیوم در صنعت خودرو
شکل ۲ : کاربرد آلیاژهای تیتانیوم در صنعت خودرو .
کاربرد تیتانیوم در پزشکی
جذاب ترین کاربرد تیتانیوم و آلیاژهای آن ، استفاده از آنها در صنعت پزشکی است . خواصی که تیتانیوم و آلیاژهای آن را برای بخش پزشکی مناسب کرده است شامل موارد زیر است .
۱. عدم سمیت و سازگاری آن با بدن ، مفاصل و استخوان .
۲. مقاومت به خوردگی عالی در برابر محیط خورنده بدن .
۳. عدم خاصیت مغناطیسی آلیاژهای پایه تیتانیوم .
۴. خواص مکانیکی عالی از جمله استحکام و چقرمگی بالا .
۵. وزن کم .
۶. مدول الاستیک پایین .
انواع پروتزهای مورد استفاده در پزشکی و تجهیزات ارتوپدیک با کمک آلیاژهای تیتانیوم ساخته میشوند .
شکل ۳ برخی از کاربرد آلیاژهای تیتانیوم در پزشکی را نمایش میدهد .
کاربرد آلیاژهای تیتانیوم در پزشکی
شکل ۳ : کاربرد آلیاژهای تیتانیوم در پزشکی .
آلیاژهای پایه تیتانیوم پرکاربرد در پزشکی عبارتند از آلیاژ Ti-6Al-4V ، آلیاژ Ti-6Al-4V-ELI و آلیاژ Ti-6Al-7Nb .
کاربرد تیتانیوم در صنایع شیمیایی
واضح است که خواص مقاومت به خوردگی عالی آلیاژهای تیتانیوم منجر به بکارگیری آنها در ساخت تجهیزات مورد نیاز صنایع شیمیایی شده است . استفاده از این مواد در صنایع شیمیایی میتوانند عملکرد بهتری نسبت به فولادهای زنگ نزن از خود نشان دهند .
از تجهیزات تولید شده از آلیاژهای پایه تیتانیوم در سنتز و تهیه مواد آلی ، رنگ ها ، اوره ، الیاف مصنوعی و بسیاری از مواد شیمیایی دیگر استفاده میشود . شکل ۴ برخی از کاربردهای آلیاژ تیتانیم را در تجهیزات و مخازن شیمیایی نشان میدهد .
کاربرد آلیاژهای تیتانیوم در صنایع شیمیایی
شکل ۴ : کاربرد آلیاژهای تیتانیوم در صنایع شیمیایی .
کاربرد تیتانیوم در ساخت تجهیزات دریایی
تیتانیم و آلیاژهای آن در برابر آب دریا مقاومت خوبی از خود نشان میدهند . این امر منجر به استفاده آنها در حوزه مهندسی دریا شده است .
از آلیاژهای پایه تیتانیوم میتوان در ساخت تجهیزات مورد نیاز در دریاها و اقیانوس ها مانند کشتی ها ، ابزارهای تصفیه آب دریا ، ابزارهای مورد نیاز در رشد و ارتقای انرژی حرارتی دریاها و غیره بهره گرفت .
شکل ۵ نمونه ای از کاربرد آلیاژهای تیتانیوم را در بخش مهندسی دریا نشان میدهد .
کاربرد آلیاژهای تیتانیوم در مهندسی دریا
شکل ۵ : کاربرد آلیاژهای تیتانیوم در مهندسی دریا .
کاربرد تیتانیوم در زندگی روزمره
از مهمترین کاربرد آلیاژهای تیتانیوم در زندگی روزمره میتوان به کاربرد تیتانیوم در ورزش و کاربرد تیتانیوم در دوچرخه اشاره کرد .
بدلیل نسبت استحکام به وزن بالای آلیاژهای پایه تیتانیوم از آنها در ساخت قطعات و تجهیزات ورزشی ( انواع راکت های بدمینتون و تنیس و غیره ) استفاده میشود .
یکی از کشورهایی که بعنوان بزرگترین تولید کننده دوچرخه های تیتانیومی شناخته میشود ، ایالات متحده است .
علاوه بر دوچرخه ها در ساخت انواع اتومبیل مسابقه رانی از آلیاژهای تیتانیوم استفاده میشود .
یکی دیگر از کاربردهای برجسته آلیاژهای تیتانیوم در زندگی روزمره استفاده از آنها در ساخت قاب یا فریم های عینک است .
فریم های ساخته شده با آلیاژهای پایه تیتانیوم با پوست سازگارند و وزن کمی دارند . استفاده از فرآیند آنودایزینگ در ساخت فریم های تیتانیومی ، ظاهری درخشان تر و جذاب تر به آن میبخشد .
شکل ۶ برخی از کاربردهای آلیاژهای تیتانیوم در زندگی روزمره را به نمایش گذاشته است .
کاربرد آلیاژهای تیتانیوم در زندگی روزمره
شکل ۶ : کاربرد آلیاژهای تیتانیوم در زندگی روزمره .
کاربرد تیتانیوم در صنایع نظامی
بدلیل عملکرد مطلوب آلیاژهای تیتانیوم در دماهای بالا و مقاومت به خوردگی عالی از آنها در ساخت تجهیزات نظامی استفاده میشود . نسبت استحکام به وزن عالی این آلیاژها و همچنین خواص مکانیکی عالی ( خستگی و چقرمگی شکست مطلوب ) از دیگر دلایل استفاده از آلیاژهای پایه تیتانیوم در صنایع نظامی است .
کاربرد تیتانیوم در الکترونیک
بدلیل خواص مطلوب آلیاژهای تیتانیوم از جمله نسبت استحکام به وزن بالا ، زیست سازگاری و مقاومت به خوردگی ، از آنها در ساخت تجهیزات الکترونیکی استفاده میشود . از کاربرد آلیاژهای تیتانیوم در بخش الکترونیک میتوان به استفاده از آنها در ساخت تلفن های همراه ، دوربین های عکاسی ، رایانه ها و سایر محصولات مرتبط اشاره کرد .
شکل ۷ برخی از کاربردهای آلیاژهای پایه تیتانیوم را در بخش الکترونیک نشان میدهد .
کاربرد آلیاژهای تیتانیم در الکترونیک
شکل ۷ : کاربرد آلیاژهای تیتانیوم در الکترونیک .
کاربرد تیتانیوم در دندانپزشکی
یکی دیگر از کاربردهای بسیار جالب و جذاب آلیاژهای تیتانیوم استفاده از آنها در ساخت ایمپلنت ها و پروتزهای دندانی است .
این مواد بدلیل خواص زیست سازگاری ، مکانیکی و خوردگی عالی ، در بخش دندانپزشکی توجه زیادی را به خود جلب کرده است .
شکل ۸ برخی از کاربرد آلیاژهای پایه تیتانیوم را در حوزه دندانپزشکی نشان میدهد .
کاربرد آلیاژهای تیتانیم در دندانپزشکی
شکل ۸ : کاربرد آلیاژهای تیتانیوم در دندانپزشکی .
کاربرد تیتانیوم در نانو
یکی از پرطرفدارترین مباحث این روزها استفاده از فناوری نانو در اکثر علوم است . در مباحث نانو ، تیتانیوم نیز جزء یکی از پرکاربردترین مواد محسوب میشود .
میدانیم که نانو ذره در واقع همان ذراتی است که در مقیاس نانو ( ۱ تا ۱۰۰ نانومتر ) تولید میشود . اعتقاد بر این است که موادی که در مقیاس نانو تولید میشوند خواص متفاوتی نسبت به بالک (Bulk) ماده دارند . علت این امر افزایش نسبت سطح به حجم مواد در مقیاس نانو بیان شده است .
تیتانیوم و آلیاژهای پایه تیتانیوم در نانو تکنولوژی به شکل نانو ذرات تیتانیوم دی اکسید یا همان TiO۲ استفاده میشود .
کاربرد نانو ذرات تیتانیوم دی اکسید
بدلیل خواص منحصر به فرد نانو ذرات تیتانیوم و فرآیند تولید کم هزینه ، این مواد کاربردهای فراوانی در حوزه های مختلف دارند .
- از نانو ذرات تیتانیوم در ساخت مفاصل مصنوعی بدن مانند مفاصل لگن و یا مفاصل زانو استفاده میشود . در بالا ذکر شد که آلیاژهای پایه تیتانیوم بدلیل سازگاری بالایی که با بدن دارند خطر عفونت را کاهش میدهند .
- مهمترین خاصیت نانو ذرات تیتانیوم خاصیت فتوکاتالیستی آن است . در اثر تابش نور ماوراءبنفش یا همان UV خواص منحصر به فرد این نانو ذره آشکار میگردد . کاربرد این خاصیت در مباحث ترشوندگی ، اپتیکی ، پزشکی و غیره به وفور مشاهده میشود .
- یکی دیگر از کاربردهای نانو ذرات تیتانیوم و آلیاژهای پایه تیتانیوم استفاده از آنها در کرم های ضد آفتاب و محصولات آرایشی است . این نانو ذرات بدلیل خاصیت فتوکاتالیستی ، اشعه مضر UV را جذب کرده و از پوست محافظت میکنند . همچنین از آنها بعنوان رنگدانه های محصولات آرایشی نیز استفاده میشود .
- · از نانو ذرات تیتانیوم در اکثر خوراکی های شیرین مانند آدامس و محصولات بهداشت شخصی مانند انواع خمیر دندان ها و غیره استفاده میشود .
- و بسیاری از کاربردهای جذاب دیگر که با مطالعه مقالات علمی مرتبط به آنها پی خواهید برد .
آلیاژهای پایه تیتانیوم (Titanium and titanium-based alloys) گروهی از آلیاژهای غیرآهنی هستند که خواص و کاربردهای زیادی دارند . مهمترین خواص این آلیاژها خواص مکانیکی ، مقاومت به خوردگی ، نسبت بالای استحکام به وزن ، مقاومت حرارتی و زیست سازگاری آنها است .
کاربرد این مواد در حوزه های پزشکی و دندانپزشکی ، صنایع هوایی ، دریایی ، نظامی ، الکترونیک ، ورزشی و نانو بسیار چشمگیر است .
منابع
۱. https://en.wikipedia.org/wiki/Titanium_alloy
۳. https://www.totalmateria.com/page.aspx?ID=CheckArticle&site=ktn&NM=20
۴. https://www.refractorymetal.org/uses-of-titanium/
۵. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128158203000198
۶. https://www.northsteel.com/2019/01/22/military-uses-of-titanium/
۷. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3634937/
۸. https://www.news-medical.net/life-sciences/Biological-Applications-of-Titanium-Nanoparticles.aspx