گریدهای تیتانیوم خالص (Unalloyed grades) یا تیتانیم غیر آلیاژی گروهی از آلیاژهای پایه تیتانیوم هستند که مقاومت به خوردگی مطلوبی در محیط های احیا و اکسیدکننده دارند .

این مواد با نام تیتانیوم خالص تجاری (Commercially pure titanium) شناخته می‌شوند . همچنین به آنها تیتانیوم غیر آلیاژی نیز می‌گویند .

انواع گریدهای تیتانیوم غیر آلیاژی

گریدهای تیتانیوم خالص به شرح زیر است .

• گرید ASTM grade1 .
• ASTM grade2 .
• ASTM grade3 .
• ASTM grade4 .
• ASTM grade7 و ASTM grade11 .

قابلیت ماشینکاری گریدهای تیتانیوم خالص تجاری

قابلیت ماشینکاری این مواد 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 .

شکل دهی گریدهای تیتانیوم خالص

شکل دهی این مواد به هم به شکل گرم و هم سرد قابل انجام است . این فرآیند با روش های هیدروپرس ، Drop hammer ، کشش و Power brake انجام می‌شود .

قابلیت جوشکاری تیتانیم خالص

تیتانیوم خالص تجاری قابلیت جوشکاری خوبی دارد .

فرآیند آنیل گریدهای تیتانیوم خالص تجاری

• حرارت تا دمای ۷۰۴ درجه سانتی گراد
• ۲ ساعت نگهداری در این دما
• سرد شدن در هوا . 

فرآیند تنش زدایی تیتانیوم خالص شامل حرارت دهی تا دماهای ۴۸۲ تا ۵۳۸ درجه سانتی گراد به مدت ۴۵ دقیقه است .

کار گرم و کار سرد گریدهای تیتانیوم خالص تجاری

در حالت کلی کارگرم باعث افزایش انعطاف پذیری ماده می‌شود .

خصوصیات آلیاژ کار سرد شده تیتانیوم خالص مشابه فولاد زنگ نزن آستینیتی تمپر شده است .

برای آشنایی با انواع فولادهای زنگ نزن و خواص هر کدام اینجا کلیک کنید .

خواص گریدهای تیتانیوم غیر آلیاژی

• گریدهای تیتانیوم خالص مقاومت به خوردگی مطلوبی دارند .
• قابلیت شکل پذیری این مواد بالا است .
• تیتانیوم خالص استحکام پایینی دارد .
• فاز آلفا ساختار متالوگرافی تیتانیوم خالص را تشکیل می‌دهد .
• ساختار کریستالی تیتانیوم خالص (فاز آلفا) ، هگزاگونال (Hexagonal close-packed (HCP)) است .
• انتقال فاز آلفا به بتا (BCC) در دمای ۸۸۳ درجه سانتی گراد رخ می‌دهد .
• در آب دریا و در دماهای بالاتر از نقطه جوش گریدهای تیتانیوم خالص دچار خوردگی شکافی می‌شوند .

در ادامه به مهمترین خواص گریدهای تیتانیوم غیر آلیاژی پرداخته شده است .

خواص فیزیکی

چگالی تیتانیوم خالص تجاری برابر با ۴.۵۱ g/cm^۳ است .

نقطه ذوب این مواد بین ۱۶۶۰ تا ۱۶۸۰ درجه سانتی گراد قرار دارد .

ترکیب شیمیایی گریدهای تیتانیوم خالص

محتوای تیتانیوم این آلیاژها حدود ۹۸.۵ تا ۹۹.۵ درصد است . در جدول ۱ ترکیب شیمیایی این مواد ارائه شده است .

جدول ۱ : ترکیب شیمیایی گریدهای تیتانیوم غیر آلیاژی .

• 

استحکام گریدهای تیتانیوم غیر آلیاژی

این مواد شامل عناصر بین نشین (Interstitial elements) مانند کربن ، نیتروژن ، آهن ، هیدروژن و اکسیژن هستند . شعاع اتم های این عناصر کمتر از ۱ آنگستروم است ؛ بهمین دلیل به راحتی در بین اتم های فاز زمینه قرار گرفته و باعث افزایش استحکام گریدهای تیتانیوم خالص می‌شوند . جدول ۲ استحکام کششی و استحکام تسلیم این مواد را نمایش می‌دهد .

جدول ۲ : استحکام گریدهای تیتانیوم غیر آلیاژی .

• 

خواص تیتانیوم غیر آلیاژی گرید ۱ (Grade 1 Unalloyed Ti)

• مقاومت عالی در برابر محیط های احیایی آرام و محیط های به شدت اکسیدی .
• قابلیت جوشکاری بالا .
• چقرمگی ضربه خوب .
• گریدهای تیتانیوم خالص Grade 1 Unalloyed Ti در دمای اتاق انعطاف پذیری عالی دارند .
• غیر مغناطیسی .

خواص تیتانیوم غیر آلیاژی گرید ۲ (Grade 2 Unalloyed Ti)

• رایج ترین گرید در دسترس است .
• خاصیت مغناطیسی ندارد .

خواص تیتانیوم غیر آلیاژی گرید ۳ (Grade 3 Unalloyed Ti)

• گریدهای تیتانیوم خالص Grade 3 Unalloyed Ti یک آلیاژ عمومی است .
• غیر مغناطیسی است .
• مقاومت به خوردگی عالی در محیط های اکسید کننده و احیایی دارد .
• نسبت استحکام به وزن عالی دارد .

خواص تیتانیوم غیر آلیاژی گرید ۴ (Grade 4 Unalloyed Ti)

• بالاترین استحکام در بین گریدهای تیتانیوم خالص .
• قابلیت انعطاف پذیری خوب و شکل پذیری متوسطی دارد .
• نسبت استحکام به وزن خوبی دارد .
• خواص مکانیکی خود را در دماهای متوسط حفظ می‌کند .
• در دماهای پایین خواص ضربه ای خوبی از خود نشان می‌دهد .

خواص تیتانیوم غیر آلیاژی گرید ۷ (Ti-Grade 7) و گرید ۱۱ (Ti-Grade 11)

• گریدهای تیتانیوم خالص ۷ و ۱۱ مقاومت به خوردگی عالی دارند .

اشکال مختلف تیتانیوم غیر آلیاژی (Unalloyed titanium)

• شمش .
• میله .
• صفحه .
• ورق .
• گریدهای تیتانیوم خالص به شکل سیم .
• لوله .
• پیچ و مهره .
• و غیره .

شکل ۱ برخی از اشکال تیتانیوم غیر آلیاژی را نشان می‌دهد .

• 

شکل ۱ : برخی از اشکال آلیاژ تیتانیوم خالص تجاری .

رفتار خستگی تیتانیوم خالص

تاثیر اندازه دانه بر رفتار خستگی گریدهای تیتانیوم خالص

شکل ۲ دامنه تنش بر حسب تعداد سیکل خستگی را در تیتانیوم غیر آلیاژی نشان می‌دهد . در این نمودار اثر اندازه ذره بر رفتار خستگی مورد بررسی قرار گرفته است .

• 

شکل ۲ : بررسی اثر اندازه دانه بر استحکام خستگی در منحنی S-N .

بر طبق شکل با کاهش اندازه دانه از ۱۱۰ به ۶ میکرون ، استحکام خستگی تیتانیوم خالص از ۱۵۵ به ۲۰۵ MPa افزایش می‌یابد و این یک امر بدیهی است (اندازه دانه کمتر= استحکام بیشتر) .

تاثیر محتوای اکسیژن بین نشین بر رفتار خستگی گریدهای تیتانیوم خالص

شکل ۳ تاثیر مقدار اکسیژن بر رفتار خستگی تیتانیوم غیر آلیاژی را نمایش می‌دهد .

• 

شکل ۳ : بررسی تاثیر محتوای اکسیژن بر رفتار خستگی تیتانیوم خالص در منحنی S-N .

بر طبق شکل با افزایش محتوای اکسیژن از ۰.۳ به ۱.۱ at.%O_eq ، استحکام خستگی ماده افزایش چشمگیری داشته است . می‌دانیم که اتم اکسیژن بدلیل اندازه کوچکی که دارد یک اتم بین نشین است .

افزایش محتوای اکسیژن به معنی افزایش اتم های اکسیژن موجود در ماده است . یعنی با افزایش محتوای اکسیژن در ماده ، اتم های بیشتری وجود دارند تا در محل های بین نشینی قرار بگیرند .

در بالا ذکر شد که قرارگیری اتم های بین نشین در محل های بین نشین گریدهای تیتانیوم خالص ، منجر به افزایش استحکام آنها می‌شود . بنابراین می‌توان گفت افزایش محتوای اکسیژن تا حد زیادی قادر است استحکام خستگی آلیاژ را بهبود بخشد .

تاثیر کارسختی بر رفتار خستگی تیتانیوم خالص

شکل ۴ تاثیر فرآیند کارسختی بر رفتار خستگی تیتانیوم غیر آلیاژی را نشان می‌دهد .

• 

شکل ۴ :  تاثیر کارسختی بر رفتار خستگی تیتانیوم خالص در منحنی S-N .

می‌دانیم که در حین فرآیند کار سرد تنشی بزرگتر از تنش تسلیم به ماده وارد می‌شود . این تنش منجر به لغزش نابجایی ها (Dislocations) و ایجاد نابجایی های جدید در ماده می‌شود . افزایش نابجایی در گریدهای تیتانیوم خالص ، استحکام خستگی آن را افزایش می‌دهد ؛ که این پدیده همان کرنش سختی یا کارسختی نامیده می‌شود .

کرنش سختی باعث ایجاد تنش باقی مانده در ماده می‌شود . به منظور تنش زدایی ، آلیاژ پس از کار سرد تحت فرآیند آنیل قرار می‌گیرد . فرآیند آنیل بدون ایجاد تغییر در دانسیته نابجایی ها ، تنش های باقی مانده را حذف می‌کند . چیزی که باید بدانیم این است که اگر آلیاژ بیش از حد حرارت ببیند فرآیند تبلور مجدد (Recrystallization) رخ می‌دهد . در این صورت دانسیته نابجایی ها در ریزساختار کاهش یافته و در نتیجه استحکام کاهش می‌یابد .

کاربردهای گریدهای تیتانیوم خالص تجاری

تیتانیوم غیر آلیاژی کاربردهای وسیعی در صنایع دریایی ، صنایع غذایی و دارویی ، صنایع شیمیایی ، آندها و کاتدهای سلول ، ساخت قطعات هواپیما ، ساخت تجهیزات کنترل آلودگی هوا و ساخت هیدروکربن ها دارد .

صنایع کاغذسازی ، سیستم های خنک کننده ، تصفیه آب ، صنایع پزشکی (ایمپلنت ، ابزار جراحی) ، تجهیزات تفریحی و ورزشی ، محصولات روزمره مانند ساعت و فریم های عینک و غیره نیز از دیگر کاربردهای جذاب این مواد است . گریدهای ۷ و ۱۱ تیتانیوم در صنایع شیمیایی مخصوصا محیط های کلریدی کاربردهای زیادی دارند .

گریدهای تیتانیوم خالص گروهی از فلزات و آلیاژهای غیر آهنی هستند که انواع مختلفی دارند . هر کدام از گریدهای این ماده خواص متفاوتی دارند ؛ اما ویژگی مشترک همه ی آنها مقاومت به خوردگی خوب است . گریدهای تیتانیوم غیر آلیاژی در صنایع مختلف از جمله صنایع شیمیایی ، صنایع دریایی و هوایی ، پزشکی ، ورزشی و غیره کاربردهای زیادی دارند .

منابع

۱. https://www.totalmateria.com/page.aspx?ID=CheckArticle&site=ktn&NM=342

۲. http://www.metalspiping.com/what-is-unalloyed-titanium.html

۳. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=9413

۴. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=9414

۵. http://www.metalcor.de/en/datenblatt/128/

۶. http://www.metalcor.de/en/datenblatt/126/

۷. http://www.metalspiping.com/fatigue-properties-of-unalloyed-titanium.html

۸. Handbook of Materials Selection, Edited by MYER KUTZ