۲۴ خرداد ۱۴۰۰

پیشگامان توسعه
مواد سام,مواد سام,مواد سام

تنگستن و آلیاژهای پایه تنگستن

تنگستن و آلیاژهای پایه تنگستن (Tungsten and base tungsten alloys) گروهی از آلیاژهای غیرآهنی هستند که در دماهای بالا عملکرد فوق العاده ای دارند .

انواع آلیاژهای تنگستن

تنگستن یا وُلفرام (Wolfram) به چهار فرم زیر استفاده می‌شود .

  • کاربید تنگستن (Tungsten carbide) .
  • افزودنی آلیاژی (Alloying additions) .
  • تنگستن خالص (Pure tungsten) .
  • مواد شیمیایی مبتنی بر تنگستن (Tungsten-based chemicals) .

حدود ۶۵ درصد از موارد مصرف تنگستن به کاربید تنگستن اختصاص دارد . کاربید تنگستن با کبالت (بعنوان یک چسب) ترکیب شده و کاربیدهای سیمانی را تولید می‌کنند . کاربیدهای سیمانی در کاربردهای برشی و سایش استفاده های فراوانی دارند .

شکل ۱ میکروشیارهای ایجاد شده در آلیاژهای تنگستن را در شرایط برش معمولی و برش ارتعاشی بیضوی (Elliptical vibration cutting) نشان می‌دهد .

شکل ۱ : میکروشیارهای ایجاد شده در آلیازهای تنگستن در شرایط a) برش معمولی و b) برش ارتعاشی بیضوی .

خواص تنگستن کارباید

  • سختی بالا .
  • رسانایی حرارتی و الکتریکی خوب .
  • پایداری بالا .
  • این ساختارها در برابر مواد شیمیایی مقاوم هستند .

کاربرد تنگستن کارباید

  • کاربردهای مقاوم به سایش .
  • منابع انرژی تابشی در دماهای بالا .

تنگستن فلزی و آلیاژهای تنگستن حدود ۱۶ درصد از مصارف آن را تشکیل می‌دهند . سیم های تنگستن در کاربردهای روشنایی ، دستگاه های الکترونیکی و ترموکوپل ها استفاده می‌شوند .

خواص تنگستن و آلیاژهای تنگستن

  • موادی با دانسیته بالا : (g/cm۳) ۱۹.۳ .
  • نقطه ذوب بالا : ۳۴۲۲ درجه سانتی گراد .
  • مقاومت کششی بالا .
  • مقاومت به خزش خوب .
  • واکنش پذیری بالا در هوا .
  • شکل پذیری ضعیف در دمای پایین .
  • تنگستن بعنوان یک عنصر آلیاژی در آلیاژهای فلزی افزوده شده و خواص آنها را بهبود می‌بخشد .

کاربرد تنگستن و آلیاژهای پایه تنگستن

  • نافذهای انرژی جنبشی (Kinetic energy penetrators) .
  • وزنه های متعادل کننده (Counterweights) .
  • چرخ طیار (Flywheels) .
  • دستگاه کنترل کننده سرعت توربین (Governors) .
  • محافظ های تابشی و تارگت های X-Ray .
  • کاربردهای ساختاری در دمای بالا .
  • از تنگستن هنگامی در دماهای پایین استفاده می‌شود که به مدول الاستیک و دانسیته بالا و یا خصوصیات حفاظتی آن نیاز باشد .
  • لامپ های رشته ای .

مواد شیمیایی مبنتی بر تنگستن حدود ۳ درصد از مصارف تنگستن را به خود اختصاص می‌دهند . این مواد در رنگهای آلی ، فسفرهای رنگی ، کاتالیزورها ، لوله های پرتو کاتدی و صفحات اشعه ایکس کاربردهای فراوانی دارند .

تنگستن و آلیاژهای پایه تنگستن می‌توانند پرس و زینتر شوند و به میله تبدیل شوند و سپس به اشکال سیم ، ورق و میله شکل دهی شوند . بسیاری از محصولات تنگستن شکل پیچیده ای دارند ؛ بنابراین حتما به ماشینکاری ، قالب ریزی و غیره نیاز دارند و نمی‌توانند از بطور مستقیم از محصولات آسیاکاری شده استاندارد ساخته شوند .

محصولات آسیاکاری شده تنگستن (Tungsten mill products)

آلیاژسازی تنگستن نسبت به سایر فلزات نسوز کمتر مورد توجه قرار گرفته است . بیشتر کاربردهای تنگستن در هوافضا بصورت غیرآلیاژی بوده است ؛ چرا که تولید و ساخت آن آسان تر و هزینه کمتری دارد . علاوه بر این ، مشخص شده است که در دماهای بالاتر از ۲۲۰۰ درجه سانتی گراد اثرات استحکام بخشی عناصر آلیاژی دیگر بطور نامتناسب کاهش می‌یابد .

انواع محصولات آسیاکاری شده تنگستن

محصولات آسیاکاری شده تنگستن بر حسب رفتار تبلور مجدد به سه گروه اصلی تقسیم می‌شوند .

گروه اول

گروه اول شامل تنگستن غیرآلیاژی ذوب شده با پرتوی الکترونی (Electron Beam or EB-melted) ، بصورت موضعی اصلاح شده Zone-refined)) و ذوب شده با قوس (Arc-melted) ؛ سایر گریدهای بسیار خالص تنگستن غیرآلیاژی ؛ یا تنگستن آلیاژ شده با رنیوم (Rhenium) یا مولیبدن است .

محصولات متالورژی پودر کارپذیر می‌توانند توسط پرتوی الکترونی بصورت موضعی اصلاح شوند و تک کریستالهایی ایجاد کنند که خالص تر از محصولات خالص تجاری باشد . این تک بلورها در کاربردهایی که به مقاومت الکتریکی بسیار بالا نیاز است ، استفاده می‌شوند .

تبلور مجدد اولیه در گروه اول تنگستن و آلیاژهای پایه تنگستن آسیاکاری شده منجر به ایجاد دانه های هم محور می‌شود . دمای تبلور مجدد و اندازه دانه با افزایش تغییر شکل ، کاهش می‌یابد .

گروه دوم
  • گروه دوم شامل تنگستن تولید شده با روش متالورژی پودر (P/M) گرید تجاری است .

مانند گروه اول دانه های هم محور در ساختار این گروه ظاهر می‌شود ؛ با این تفاوت که دمای تبلور مجدد آنها بیشتر از گروه اول است . علاوه بر این ، در این مواد لزوما با افزایش تغییر شکل ، دمای تبلور مجدد و اندازه دانه کاهش نمی‌یابد .

در سیم تنگستن ذوب شده با EB دمای تبلور مجدد می‌تواند ۹۰۰ درجه سانتی گراد یا کمتر باشد ؛ در حالی که دمای تبلور مجدد تنگستن خالص تجاری (Undoped) 1205 تا ۱۴۰۰ درجه سانتی گراد است .

گروه سوم
  • گروه سوم شامل تنگستن دوپ شده با AKS (AKS-doped tungsten) (یعنی تنگستن دوپ شده با آلومینیوم ، کلسیم و سیلسیم) ؛ تنگستن دوپ شده ی آلیاژ شده با رنیوم ؛ تنگستن دوپ نشده ی (Undoped) آلیاژ شده با بیشتر از ۱ درصد توریا (ThO۲) است .

گروه سوم تنگستن و آلیاژهای پایه تنگستن آسیاکاری شده با دمای تبلور مجدد بالاتر (بیشتر از ۱۸۰۰ درجه سانتی گراد) و ساختارهای تبلور مجدد منحصر به فرد شناخته می‌شوند . بعنوان نمونه : ساختار سیم بشدت کشیده شده یا ورق های نورد شده ی متشکل از دانه های بهم پیوسته بسیار طولانی .

محصولات آسیاکاری شده تنگستن شامل ورق ، میله و سیم همگی با روش متالورژی پودر (PM) تولید می‌شوند . این محصولات در شکل تنگستن خالص تجاری (Undoped) یا تنگستن دوپ شده تجاری (AKS-doped) در دسترس هستند .

آلیاژهای تنگستن تجاری

  • آلیاژ تنگستن – توریا (Tungsten-ThO۲) .
  • آلیاژ تنگستن – مولیبدن (Tungsten-molybdenum) .
  • آلیاژ تنگستن – ربیوم (Tungsten-rhenium) .

آلیاژ W-ThO۲ از ۱ تا ۲ درصد توریم بعنوان فاز ثانویه دیسپرس شده تشکیل شده است . دیسپرس توریم ، نشر الکترون گرمایونی (Thermionic electron emission) را افزایش می‌دهد و منجر به بهبود خواص الکترودهای جوشکاری قوسی گاز تنگستن (Gas tungsten arc welding) می‌شود . علاوه بر این ، بازده لوله های تخلیه الکترون را افزایش و استحکام خزشی سیم ها را در دماهای بالا (دماهای بالاتر از نصف نقطه ذوب مطلق تنگستن) بهبود می‌بخشد .

آلیاژهای فلز سنگین تنگستن (Tungsten Heavy-Metal Alloys (WHAs))

این مواد حاوی ۹۰ تا ۹۸ درصد تنگستن هستند . بیشتر WHA های تجاری ساختاری دوفازی دارند . فاز اول تنگستن خالص است که با فاز دوم (بعنوان چسب) که شامل فلزات واسطه + تنگستن محلول است ، ترکیب می‌شود .

این آلیاژها خواص اصلی خود را از فاز تنگستن می‌گیرند . فاز تنگستن دانسیته و سختی الاستیک بالایی را فراهم می‌کند .

در جدول ۱ خواص WHAها با سرب و اورانیوم مقایسه شده است .

جدول ۱ : مقایسه خواص WHA با سرب و اورانیوم .

شکل ۲ ریزساختار کروی شده ی WHA را نمایش می‌دهد .

شکل ۲ : ریزساختار کروی شده ی WHA .

کاربردهای WHA ها

  • تنظیم توزیع وزن در قایق های بادبانی و اتومبیل های مسابقه ای .
  • اجزای ژیروسکوپ (Gyroscope) .
  • گلوله های بدون سرب عملکرد بالا برای شکار پرندگان آبی .
  • محافظت در برابر اشعه ، مواد رادیو اکتیو ، دیافراگم های برخوردی در ابزارهای سرطان درمانی .
  • متعادل سازی وزنه ها در هواپیماهای تجاری ، هلیکوپتر و موشک های هدایت شونده .

تنگستن و آلیاژهای پایه تنگستن (Tungsten and base tungsten alloys) گروه مهمی از فلزات و آلیاژها هستند که انواع بسیار مختلفی دارند . مهمترین خواص آلیاژهای تنگستن (Tungsten Alloys) شامل مقاومت به سایش عالی ، مقاومت به خزش خوب ، سختی بالا است . این مواد خواص خود را در دماهای بالا حفظ می‌کنند . از کاربردهای این مواد ارزشمند می‌توان به دستگاه های الکترونیکی ، ترموکوپل ، ابزارهای روشنایی ، صفحات اشعه ایکس ، ابزارهای برشی ، کاربردهای سایشی و غیره اشاره کرد .  

منابع

۱. http://www.totalmateria.com/Article110.htm

۲. https://www.totalmateria.com/page.aspx?ID=CheckArticle&site=ktn&NM=276

۳. https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/tungsten-alloys