آلیاژهای تیتانیوم آلفا

آلیاژهای تیتانیوم آلفا و نزدیک به آلفا (α and near-α alloys) ( آلیاژهای α ) دارای بهترین عملکرد جوش پذیری در بین آلیاژهای پایه تیتانیوم هستند و استحکام خزشی مطلوبی دارند .

قابلیت جوشکاری تیتانیوم آلفا

در بین آلیاژهای پایه تیتانیم قابلیت جوشکاری این آلیاژها بهترین است .

عملیات حرارتی تیتانیم آلفا

این آلیاژها به عملیات حرارتی واکنشی نشان نمی‌دهند ؛ یعنی عملیات حرارتی آنها بی فایده است .

انواع آلیاژهای تیتانیم آلفا

این گروه شامل آلیاژهای آلفا و آلیاژهای نزدیک به آلفا است که به سه گروه زیر تقسیم بندی می‌شوند .

آلیاژهای تک فاز تیتانیوم آلفا (Single-phase α-alloys) : آلیاژهای آلفا (Alpha alloys) دارای عناصر اصلی نادر مانند قلع و یا تثبیت کننده های فاز آلفا (مانند آلومینیوم یا اکسیژن) هستند .
آلیاژهای تیتانیوم نزدیک به آلفا (Near-α alloys) : حاوی ۲ درصد از عناصر تثبیت کننده فاز بتا (β) مانند مولیبدن ، سیلیسیم و وانادیم هستند .
آلیاژهای تیتانیوم آلفای پیرسخت شده (Age-hardening) .

در ادامه چند نمونه از آلیاژهای نزدیک به آلفا مطرح شده‌اند .

آلیاژ تیتانیوم Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo-0.2Si معروف به MIL-T-9047 و AMS 4974 .

آلیاژ تیتانیوم Ti-5Al-6Sn-2Zr-1Mo-0.25Si یا Ti-5621S .
آلیاژ تیتانیوم Ti-6Al-2Sn-1.5Zr-1Mo-0.35Bi-0.15Si (Ti-11) .

خصوصیات انواع آلیاژهای تیتانیوم آلفا

آلیاژهای تک فاز

بیشترین کاربرد این آلیاژها در تیتانیوم خالص تجاری (Commercially Pure (CP) titanium) یا همان گریدهای تیتانیوم خالص است . یک آلیاژ Ti-O (Ti–O alloy) است . استحکام بخشی این آلیاژها از طریق محلول جامد (Solute hardening) و با افزودن مقدار اکسیژن (که بصورت بین نشینی در تیتانیوم حل می‌شود) کنترل می‌شود . مثال : تیتانیوم گرید ۶ یا آلیاژهای تیتانیوم آلفای Ti–۵Al–۲.۵Sn .

آلیاژهای تیتانیوم نزدیک به آلفا

این آلیاژها بیشترین مقاومت به خزش را در دماهای بالاتر از ۴۰۰ درجه سانتی گراد در بین تمامی آلیاژهای پایه تیتانیوم دارند . کاربرد جذاب این آلیاژها در دیسک های کمپرسور توربین گازی است . مثال : تیتانیوم Ti–۶Al–۵Zr–۰.۵Mo–۰.۲۵Si معروف به IMI 685 .

شکل ۱ دیاگرام فازی آلیاژهای تک فاز و نزدیک به آلفا را نشان می‌دهد .

شکل ۱ : دیاگرام فازی آلیاژهای تک فاز آلفا و نزدیک به آلفا .

آلیاژهای تیتانیوم آلفای پیرسخت شده

آلیاژ تیتانیوم Ti–۲.۵Cu توسط فرآیند پیرسختی مستحکم می‌شود . فرآیند پیرسختی منجر به ایجاد رسوبات فاز Ti2Cu می‌شود . شکل ۲ شماتیکی از دیاگرام فازی مربوط به فرآیند پیرسختی آلیاژهای تیتانیوم را نشان می‌دهد . M_s دمای شروع استحاله مارتنزیت است .

شکل ۲ : دیاگرام فازی مربوط به فرآیند پیرسختی آلیاژهای تیتانیوم .

اگر آلیاژ قبل از فرآیند پیرسختی تحت کار سرد قرار بگیرد ، استحکام آن افزایش خواهد یافت . این آلیاژها بعنوان پوشش موتور توربین های گازی استفاده می‌شود .

مشهورترین و پرکاربردترین آلیاژهای تیتانیوم آلفا و نزدیک به آلفا

مشهورترین آلیاژ آلفا ، تیتانیوم Ti-5Al-2.5Sn (titanium ti-5al-2.5sn (Ggrade 6)) است . این آلیاژ به تیتانیوم گرید ۶ (Ti-Grade ۶) نیز معروف است .

در طبقه بندی آلیاژهای آلفا ، ۵ آلیاژ بعنوان آلیاژ نزدیک به آلفا معرفی می‌شوند .

از بین این ۵ مورد ، آلیاژ تیتانیوم Ti-8Al-1Mo-1V بیشترین استفاده و کاربرد را دارد .

در این گرید از آلیاژهای تیتانیوم آلفا سیکل های آنیل مخصوصی اعمال می‌شود که نتایج زیر را بدنبال دارد .

افزایش استحکام خزشی ؛ بدلیل وجود مقدار اندکی فاز بتا .
افزایش چقرمگی شکست .
حفظ استحکام خوب .
قابلیت جوشکاری خوب .
سختی پذیری کم ؛ بدلیل کم بودن فاز بتا .
این گرید از آلیاژهای تیتانیوم آلفا دارای بالاترین مدول کششی نسبت به سایر آلیاژهای پایه تیتانیوم هستند .
کمترین چگالی نسبت به سایر آلیاژهای تیتانیوم (۴.۳۷ g/cm^۳) .

محتوای بالای آلومینیوم در این آلیاژ باعث ترک ناشی از خوردگی تنشی (Stress corrosion cracking (SCC)) می‌شود ؛ به همین دلیل امروزه محتوای آلومینیوم در بیشتر آلیاژهای مورد استفاده به ۶ درصد وزنی محدود می‌شود .

قابلیت ماشینکاری آلیاژهای تیتانیوم آلفا و نزدیک به آلفا

قابلیت ماشینکاری اکثر این آلیاژها دشوار است ؛ به همین دلیل ماشینکاری این آلیاژها در شرایط زیر انجام می‌شود .

سرعت پایین .
جریان سرمایش بالا .
نرخ تغذیه (Feed rate) بالا .
ماشینکاری این مواد باید با ابزارهای کاربید تنگستن یا ابزارهای تندبر از نوع کبالت انجام شود .

قابلیت شکل پذیری آلیاژهای تیتانیوم آلفا و نزدیک به آلفا

فرآیند شکل دهی برخی از این آلیاژها هم به شکل گرم و هم سرد قابل انجام است . این فرآیند با روشهای هیدروپرس ، Drop hammer ، کشش و Power brake انجام می‌شود .

فرآیند آنیل آلیاژهای تیتانیوم Ti-5Al-2.5Sn و تیتانیوم گرید ۱۲ (Ti-Grade 12) یا Ti-0.3Mo-0.8Ni

حرارت دهی در دمای ۷۱۸ تا ۸۴۳ درجه سانتی گراد .
۲ تا ۴ ساعت نگهداری در دمای مذکور .
سرد شدن در هوا .

تنش زدایی دو گرید از آلیاژهای تیتانیوم آلفا شامل حرارت دهی در ۵۳۸ تا ۶۵۰ برای ۱ ساعت و سپس سرد شدن در هوا است .

پیرسازی آلیاژ تیتانیوم Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo

حرارت دهی در دمای ۵۳۸ تا ۵۹۳ درجه سانتی گراد بمدت ۸ ساعت و سپس سرد شدن در هوا .

عملیات حرارتی آلیاژ تیتانیوم Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si معروف به TIMETAL 834

حرارت دهی تا دمای ۱۰۱۵ درجه سانتی گراد و نگهداری در این دما به مدت ۲ ساعت .
کوئنچ در روغن .
پیرسازی این گرید از آلیاژهای تیتانیوم آلفا شامل حرارت دهی در دمای ۷۰۰ درجه سانتی گراد و نگهداری به مدت ۲ ساعت در این دما و سپس سرد کردن در هوا است .

خواص آلیاژهای تیتانیوم α

بیشترین استحکام و مقاومت در برابر اکسیداسیون در دماهای بالا (۵۸۸ تا ۸۱۱ درجه سانتی گراد) .
کمترین استحکام در دمای اتاق .

ترکیب شیمیایی تیتانیوم آلفا

در جدول ۱ ترکیب شیمیایی آلیاژهای تیتانیوم آلفا و آلیاژهای تیتانیوم نزدیک به آلفا ارائه شده است .

جدول ۱ : ترکیب شیمیایی آلیاژهای تیتانیوم آلفا و نزدیک به آلفا .

استحکام آلیاژهای تیتانیوم α و نزدیک به آلفا

جدول ۲ استحکام کششی و استحکام تسلیم این آلیاژها را نمایش می‌دهد .

جدول ۲ : استحکام آلیاژهای تیتانیوم آلفا و نزدیک به آلفا .

کاربردهای آلیاژهای تیتانیوم α و نزدیک به آلفا

تیتانیوم گرید ۱۲ یا آلیاژ Ti-0.3Mo-0.8Ni در پمپ ، سوپاپ ، مبدل حرارتی ، لوله و اتصالات ، صنایع شیمیایی ، خدمات دهی در دماهای بالا ، صنایع دریایی و هوایی ، محیط های احیایی و اکسیدی متوسط کاربرد دارد .

گرید Ti-5Al-2.5Sn از آلیاژهای تیتانیوم آلفا بعنوان پوشش و حلقه های موتور توربین گازی کاربرد دارد . همچنین در صنایع شیمیایی و هوایی نیز استفاده می‌شود . تیتانیوم Ti-8Al-1Mo-1V در ساخت پره های فن و کمپرسورهای موتورهای هوایی کاربرد دارد .

تیتانیوم Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo در صنایع هوافضا و در ساخت موتورهای جت دما بالا کاربرد دارد . علاوه بر این در صنعت خودرو در ساخت سوپاپ های عملکرد بالا استفاده می‌شود . استفاده از این آلیاژ در توربین های گازی یکی دیگر از کاربردهای آن است . آلیاژ تیتانیوم Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo در مخازن تحت فشار و بدنه زیر دریاپیما کاربرد دارد .

آلیاژهای تیتانیوم آلفا (Alpha Titanium Alloys) و نزدیک به آلفا خواص منحصر به فردی از جمله قابلیت جوشکاری بالا ، استحکام و مقاومت به اکسیداسیون بالا در دماهای بالا و غیره دارند . این آلیاژها بدلیل خواص متفاوت و منحصر به فرد کاربردهای گسترده ای دارند . برخی از این کاربردها شامل استفاده از آنها در صنایع هوایی ، دریایی ، شیمیایی و غیره است .