۲۴ خرداد ۱۴۰۰

پیشگامان توسعه
مواد سام,مواد سام,مواد سام

آلیاژهای پایه تیتانیوم

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 .

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 .

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 .

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 .

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 .

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 .

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 .

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

۲. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/job-knowledge/welding-of-titanium-and-its-alloys-part-1-109

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