آلیاژهای تیتانیوم بتا (β alloys) ( Beta Titanium ) گروهی از فلزات و آلیاژها هستند که قابلیت شکل پذیری و انعطاف پذیری بالایی دارند و در کاربردهای پزشکی و هوافضا مورد استفاده قرار می‌گیرند .
انواع آلیاژهای تیتانیم بتا (Titanium alloys β phase)
در ذیل به مهمترین آلیاژهای تیتانیوم فاز بتا اشاره شده است .
- آلیاژ تیتانیوم Ti-10V-2Fe-3Al
- آلیاژ تیتانیوم Ti-13V-11Cr-3Al
- آلیاژهای تیتانیم بتا گرید Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al
- تیتانیوم Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr
- تیتانیوم Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn
- تیتانیم Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn
- آلیاژ Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si
- و غیره .
خواص آلیاژهای تیتانیوم بتا
- آلیاژهای نوع بتای تیتانیوم (β type alloys) سختی پذیری بالایی دارند ؛ چرا که دارای فاز بتای بیشتری هستند .
- آلیاژهای بتا قابلیت آهنگری و قابلیت شکل پذیری سرد خوبی دارند .
- بدلیل پراکندگی عالی ذرات آلفا در فاز بتا ، استحکام این آلیاژها نسبت به آلیاژهای تیتانیم دو فازی بیشتر است .
- چگالی آلیاژهای تیتانیم بتا نسبت به آلیاژهای دو فازی تیتانیوم بیشتر است .
- استحکام خزشی آلیاژهای بتا نسبت به تیتانیوم آلفا بتا کمتر است .
- در مقدار مشخصی از استحکام ، چقرمگی شکست آلیاژهای بتای پیرسخت شده نسبت به آلیاژهای دو فازی پیرسخت شده بیشتر است . این در حالی است که سرعت رشد ترک آن نیز می‌تواند بیشتر باشد .
- روش های ساخت این آلیاژها مشابه آلیاژهای تیتانیوم آلفا است .
فرآیند آنیل آلیاژهای تیتانیوم فاز بتا
برای کنترل انعطاف پذیری آلیاژهای تیتانیم بتا معمولا از عملیات آنیل در دمای ۷۳۰ تا ۹۸۰ درجه سانتی گراد و محلول سازی جامد استفاده می‌شود .
پیرسختی آلیاژهای تیتانیوم β
پیرسازی این آلیاژها پس از عملیات محلول جامد و به منظور تبدیل فاز بتا به آلفا انجام می‌شود .
پیرسازی آلیاژهای تیتانیوم فاز بتا در دمای ۴۸۰ تا ۵۹۰ درجه سانتی گراد به مدت ۲ الی ۴۸ ساعت انجام می‌شود . هدف از پیرسازی این آلیاژها دستیابی به خواص مکانیکی مطلوب است .
برای بهبود عملیات پیرسختی آلیاژهای تیتانیوم بتا از فرآیند پیرسختی Duplex نیز استفاده می‌شود . این عملیات در دو سیکل زیر انجام می‌شود .
- آلیاژ در دمای ۳۱۵ تا ۴۵۵ درجه سانتی گراد به مدت ۲ الی ۸ ساعت حرارت داده می‌شود .
- سیکل دوم پیرسازی شامل حرارت دهی در دمای ۴۸۰ تا ۵۹۰ درجه سانتی گراد به مدت ۸ الی ۱۶ ساعت است .
جوشکاری آلیاژهای تیتانیم بتا
آلیاژهای تیتانیوم بتا قابلیت جوشکاری خوبی دارند . انجام فرآیند پیرسازی پس از جوشکاری ، باعث افزایش استحکام آلیاژ می‌شود .
مقایسه خواص سیم های ساخته شده از آلیاژ تیتانیوم بتا و سیم های فولاد زنگ نزن
- سیم های تیتانیم بتا مدول الاستیک کمتری نسبت به فولادهای زنگ نزن دارند .
- سیم های فاز بتای تیتانیوم برگشت فنری (Springback) بالاتری نسبت به فولادهای زنگ نزن دارند . ویژگی برگشت فنری به معنی حداکثر انحراف الاستیک ماده است .
- آلیاژهای تیتانیوم بتا استحکام تسلیم پایین‌تری دارند .
- انعطاف پذیری این آلیاژها خوب است .
- آلیاژهای بتا قابلیت جوشکاری خوبی دارند .
- در برخی موارد مقاومت به خوردگی آلیاژهای β بهتر از فولادهای زنگ نزن است .
شکل ۱ خواص خمشی آلیاژهای تیتانیوم فاز بتا را در مقایسه با فولاد زنگ نزن و آلیاژهای نیکل تیتانیوم نشان می‌دهد .
شکل ۱ : مقایسه لحظه ی خم شدن بر حسب انحراف زاویه ای در Stainless steel (SS) ، Beta- titanium (TM) و Nickel-titanium (NT) .
انرژی ذخیره شده در هر سیم ( آلیاژهای تیتانیوم بتا ، فولاد زنگ نزن و نایتینول ) برابر با مساحت سایه دار زیر هر منحنی است . نرخ فنر (Spring rate) در هر منحنی برابر با شیب آن منحنی است . اندازه سیم‌ها ۰.۴۸×۰.۶۴ میلی متر است . شکل ۲ خواص پیچشی آلیاژهای تیتانیم بتا را در مقایسه با فولاد زنگ نزن و آلیاژهای نیکل تیتانیوم نشان می‌دهد . انرژی ذخیره شده در هر سیم برابر با مساحت سایه دار زیر هر منحنی است . نرخ فنر (Spring rate) در هر منحنی برابر با شیب آن منحنی است . اندازه سیم‌ها ۰.۴۸×۰.۶۴ میلی متر است .
شکل ۲ : انرژی ذخیره شده در یک لحظه پیچشی ثابت برای Stainless steel (SS) ، Beta- titanium (TM) و Nickel-titanium (NT) .
استحکام تسلیم ، مدول الاستیک و برگشت فنری آلیاژهای تیتانیوم بتا میانگینی از خواص فولادهای زنگ نزن و نایتینول (Nitinol) است .
آلیاژهای تیتانیم بتا قابلیت شکل پذیری و جوشکاری بهتری نسبت به نایتینول دارند . علاوه بر این ، دامنه کار (working range) سیم‌های تیتانیم بتا نسبت به سیم های فولاد زنگ نزن بزرگتر است .
ترکیب شیمیایی تیتانیوم β
آلیاژهای نوع بتا نسبت به آلیاژهای تیتانیوم آلفا بتا دارای مقادیر بیشتری از عناصر پایدارکننده فاز بتا و مقادیر کمتری از عناصر پایدارکننده فاز آلفا هستند .
در جدول ۱ ترکیب شیمیایی آلیاژهای تیتانیوم بتا (β-alloys) ارائه شده است .
جدول ۱ : ترکیب شیمیایی آلیاژهای تیتانیم 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.
استحکام آلیاژهای تیتانیوم فاز بتا
عملیات کار سرد و پیرسازی مستقیم ، استحکام تسلیم این آلیاژها را به بیش از ۱۲۰۰ MPa یا ۱۸۰ ksi افزایش می‌دهد .
جدول ۲ استحکام کششی و استحکام تسلیم این آلیاژها را نمایش می‌دهد .
جدول ۲ : استحکام آلیاژهای تیتانیوم 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.
f= انجام عملیات حرارتی محلول جامد و پیرسازی مجدد در دیگر دماهای پیرسازی (۴۸۰ درجه سانتی گراد یا ۹۰۰ درجه فارنهایت).
کاربردهای آلیاژهای تیتانیوم β (Applications of beta titanium alloys)
کاربرد آلیاژهای تیتانیوم بتا در هوافضا
این آلیاژها بطور کلی در باند فرود ، فنرها ، صفحات ، چارچوب ، اتصالات و سیستم کنترل محیطی هواپیما استفاده می‌شوند .
آلیاژ Ti−۱۳V−۱۱Cr−۳Al اولین آلیاژ تیتانیوم بتای بکار رفته در صنعت هوافضا است .
این آلیاژ می‌تواند تحت عملیات حرارتی محلول جامد قرار بگیرد ، کوئنچ شود ، تحت شکل پذیری سرد قرار بگیرد و در دمای ۴۸۰ درجه سانتی گراد پیرسازی شود تا استحکام کششی آن به ۱۳۰۰ MPa برسد .
قابلیت جوشکاری آلیاژهای تیتانیوم بتا گرید Ti−۱۳V−۱۱Cr−۳Al محدود است ؛ زیرا در منطقه متاثر از حرارت (HAZ) فاز ω تشکیل می‌شود . علاوه بر این ، این آلیاژ در دماهای بالاتر از ۲۰۰ درجه سانتی گراد (بمدت طولانی) ناپایدار است ؛ زیرا احتمال تشکیل رسوبات TiCr2 وجود دارد .
این آلیاژ برای اولین بار بعنوان چارچوب هواپیمای American SR-71 Blackbird استفاده شد . در این هواپیما گرمایش آئرودینامیکی (Aerodynamic heating) منجر به عدم استفاده از آلیاژهای پایه آلومینیوم می‌شد . با گذشت زمان از این آلیاژ در ساخت فنرهای مورد استفاده در سیستم های راه اندازی هواپیما استفاده شد .
برخی از آلیاژهای تیتانیم بتا که در صنعت هوافضا کاربرد دارند عبارتند از : آلیاژ Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn ، Ti-6V-6Mo-5.7Fe-2.7Al ، Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr (β-C) ، Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr ، Ti-10V-2Fe-3Al و Ti-35V-15Cr (Alloy C) .
آلیاژ Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn : Rivbolts , Boeing 747 .
آلیاژ Beta 21s : Boeing 777 ، موتورPratt & Whitney PW4168 .
کاربرد آلیاژهای تیتانیوم-بتا در پزشکی
آلیاژهای تیتانیوم بتا در پزشکی مخصوصا در بخش ارتوپدی بسیار پرکاربرد هستند . رایج ترین آلیاژهای مورد استفاده برای این منظور شامل Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr و Ti-35Nb-7Zr-5Ta هستند .
کاربرد آلیاژهای تیتانیوم β در دندانپزشکی (Beta titanium alloys in dentistry)
مهمترین کاربرد این آلیاژها در بخش دندانپزشکی ، ساخت سیم های ارتودنسی است ( شکل ۳ ) .
کاربرد آلیاژهای تیتانیوم بتا در دندانپزشکی
شکل ۳ : کاربرد آلیاژهای تیتانیوم بتا در دندانپزشکی .
فریم های تیتانیوم بتا (Beta titanium frames)
از آلیاژهای تیتانیم بتا در ساخت فریم های عینک نیز استفاده می‌شود . انعطاف پذیری تیتانیم بتا نسبت به گریدهای تیتانیوم خالص بیشتر است ؛ بهمین دلیل در این بخش محبوبیت بیشتری دارد .
آلیاژهای تیتانیم بتا (Beta titanium alloys) گروهی از آلیاژهای پایه تیتانیوم هستند که قابلیت شکل پذیری ، استحکام ، قابلیت جوشکاری و مقاومت به خوردگی بسیار خوبی دارند . این آلیاژها بدلیل خواص بسیار مطلوب در کاربردهای پزشکی ، دندانپزشکی و هوافضا جایگاه ویژه ای دارند .
منابع
۱. Handbook of Materials Selection, Edited by MYER KUTZ
۲. https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/beta-titanium-alloys
۳. Craig’s RESTORATIVE DENTAL MATERIALS, THIRTEENTH EDITION
۴. https://www.westlaketso.com/eyeglasses-contacts/prescription-eyeglasses/eyeglass-frame-materials/