up
Search      menu
صنعت و مکانیک :: مقاله تيتانيم PDF
QR code - تيتانيم

تيتانيم

شكلدهي داغ آلياژهاي تيتانيم 1

● مقدمه:
آلياژهاي سبك وزن و مقاوم به حرارت پايه TiAl به عنوان نسل بعدي مواد ساختاري بحساب آمده و تحقيقات بسياري روي آنها انجام مي شود. تنها كاربرد تجاري كه اخيرا براي آن پيشنهاد شده است در توربوشارژرهاي اتومبيل هاي سواري است. بدليل آنكه توربين هاي سبك وزن كارايي (قدرت واكنش بهتر) را بهبود مي دهند، اين كاربرد مستقيما از سبكي آلياژ Ti – Al استفاده مي كند. علاوه بر آن، خواص ماده مورد نياز در اين كاربرد تقريبا همانند آلياژ جايگزين شده است. اما اين آلياژ در زمينه هاي ديگر هنوز مورد استفاده پيدانكرده است. دلايل اصلي اين امر قيمت بالا و قابليت اطمينان بوده، مضاف بر اينكه خواص آلياژهاي Ti – Al خيلي بهتر از آلياژهاي كاربردي متداول نيست؛ و هنگامي كه نمي توان از خاصيت سبك وزني اين آلياژ، مانند حالت توربوشارژر، بهره برداري مستقيم كرد، به اين نتيجه مي رسيم كه بايد خواص اين آلياژ را در مقايسه با آلياژ هاي رايج بهبود بخشيد.
استحكام يكي از خواص اصلي آلياژ هاي TiAl است كه بايد اصلاح شود؛ استحكام دماي بالاي آنها، تقريبا مشابه سوپرآلياژها بوده (حتي اگر بر حسب استحكام مخصوص مقايسه شود) و در دماي پايين يا متوسط، حتي استحكامي كمتر از آلياژ هاي پايه تيتانيوم مقاوم به حرارت و سوپرآلياژ آلفا ۲ دارند و بدين ترتيب نيازي به جايگزيني با اين آلياژها احساس نمي شود.
مي دانيم كه كاهش اندازه دانه و فواصل لايه ها در ساختار لايه اي در افزايش استحكام آلياژ TiAl موثر است. خنك كردن با هوا از منطقه دما بالاي آلفا براي كاهش فواصل لايه ها مفيد بوده و تغيير شكل در دماي بالا نيز اندازه دانه را كاهش مي دهد. بعبارت ديگر، فورجينگ (آهنگري) داغ كه فرايند شكلدهي معمول در اكثر فلزات عادي است، بايد موجب افزايش استحكام آلياژ Ti Al شود. نكته جالب توجه آن است كه هيچ نمونه كاربرد عملي براي Ti – Al كاملاً لايه اي شده وجود ندارد. اين موضوع به دليل بالا بودن تنش سيلان اين ماده و قابليت شكل پذيري پايين آن در تغيير شكلهاي سريع است. بنابراين توليد صنعتي قطعات بزرگ و پيچيده از اين آلياژ با استفاده از فورجينگ داغ به دليل محدوديت تجهيزات و احتمال ايجاد ترك در ماده و ... دشوار است. برا ي يافتن كاربرد عملي آلياژ Ti Al شكل داده شده با فورج داغ، كاهش تنش سيلان و بهبود شكل پذيري لازم و ضروري بنظر مي رسد.
بهترين راه براي رسيدن به موارد فوق، وارد كردن فاز بتا است. اگر در حين فورج داغ، تك فاز آلفا به فاز دوتايي آلفا + بتا تبديل شود، شكلپذيري دماي بالاي آلياژ به ميزان قابل توجهي افزايش مي يابد. همچنين، با تبديل شدن فاز آلفا به يك فاز لايه اي در حين سرد شدن، نسبت بهينه بين فازهاي آلفا و بتا در دماي بالا با كنترل تركيب آلياژ منجر به ريزساختاري مي شود كه در آن ساختار لايه اي غالب خواهد بود.
يكي ديگر از زمينه هاي تحقيقاتي، فاز گاماي آلياژهاي TiAl است. آلياژهاي پايه گاما به دليل استحكام بالا و مقاومت به اكسيداسيون در دماي بالاي ۹۰۰ درجه سانتيگراد و همينطور چگالي كم، به عنوان نسل بعدي مواد دما بالا به حساب مي آيند. اما مهمترين مانع بكارگيري مهندسي آنها، انعطافپذيري دمايي ضعيف و محدود است. تاكنون تحقيقات بسياري در اين زمينه صورت گرفته است . چندين آلياژ پايه Ti (۴۷_۴۹)Al توسعه داده شده اند. انعطافپذيري دماي اتاق آنها به ۵ ۳ درصد رسيده و چقرمگي شكست و مقاومت به خزششان به ميزان قابل توجهي بهبود يافته است.
در حين توسعه نسل دوم و سوم آلياژ Ti Al كشف شد كه عنصر نايوبيم، عنصر مهمي در بهبود خواص مكانيكي در دماي بالا بحساب مي آيد. نتايج تجربي بيانگر آن است كه اضافه كردن مقادير زياد از نايوبيم نقطه ذوب را زياد كرده و دماي كاربردي ماده را تا ۹۰۰ درجه سانتيگراد افزايش مي دهد. پس از تحقيقات بسيار بدست آمد كه آلياژهاي TiAl حاوي مقادير زياد Nb استحكام بيشتري داشته و در دماي بالا تا ۱۰۰۰ درجه سانتيگراد در برابر اكسيداسيون مقاوم است. آزمايشات نشان مي دهد كه فورج ايزوترمال يكي از مهمترين مراحل اصلاح انعطافپذيري محدود آلياژهاي فوق است.
آلياژهاي آلوميناد تيتانيم با فازهاي پايه گاما و آلفا ۲ نيز از شكست ترد در دماي بالا رنج مي برند. بنابراين كيفيت و متالورژي شمشها براي توليد و قابليت اطمينان قطعه بايد مورد توجه قرار گيرد. مواردي كه بايد كنترل شوند عبارتند از: تخلخل انقباضي، جدايش عناصر آلياژي، ريزساختار درشت (اندازه دانه درشت) و بافت. در نتيجه رسيدن به يكنواختي در تركيب شيميايي و ريز كردن دانه براي كاربرد مهندسي لازم و ضروري بنظر مي رسد. در اين زمينه تحقيقات گسترده اي بر روي شمشهاي اين آلياژها صورت گرفته است. اصلي ترين فاكتورهاي مورد توجه در كارگرم اين آلياژها بقرار زير هستند:
۱) آن ايزوتروپي پلاستيك زياد ماده به دليل نبود سيستم لغزش مستقل كه اين مسئله در حالت تغيير شكل منعكس مي شود.
۲) تحرك اندك نابجاييها
۳) تحرك مرز دانه اي و نفوذ كم كه بازيابي و تبلور مجدد را به تاخير مي اندازد.
۴) پيوستگي مجدد ديناميكي و استحاله فازي توام كه مي تواند در توسعه بافت موثر باشد.
۵) انعطاف پذيري محدود و حساسيت به رخ شكست كه حالت شكست را تحت كارگرم تعيين مي كند.
اين عوامل در عمليات كارگرم نقش مهمي ايفا مي كنند اما هنوز اطلاعات پيرامون مكانيزم هاي مربوط به آنها اندك و محدود است.
نياز به استحكام بالا همراه با مقاومت به اكسايش خوب منجر به توسعه خانواده جديدي از آلياژهاي TiAl گاما با تركيب خطي پايه زير شد:
Ti – ۴۵ Al – (۵ – ۱۰) Nb + X
كه X در آن مقادير عناصر آلياژي فلزي يا غير فلزي ديگر مي باشد. توجهات ويژه اي به اين آلياژها معطوف شده است زيرا قابليت گسترش دامنه كاربرد آلياژهاي TiAlقديمي را دارد. ويژگي مشخصه آلياژ جديد ميزان اندك آلومينيم و افزايش ميزان نايوبيم است . در سيستم Ti Al افزودن Nb عموماً دماي بتا و آلفا (استهاله يافته) را كاهش داده و به فاز آلفا مي رسد. اين بهسازي در پايداري فاز منجر به پالايش عمده ساختار مي شود كه بدون شك مهمترين عامل استحكام تسليم بالاي ماده است. البته ذكر اين نكته نيز ضروري است كه هرگونه تغيير در نسبت آلومينيم باعث تغيير خواص مكانيكي مي شود.
اطلاعات اندكي در رابطه با رفتار تغيير شكل فاز آلفا – ۲ در آلياژهاي ( گاما و آلفا – ۲) وجود دارد. توده هاي پلي كريستالي آلفا – ۲ در دماهاي پايين و محدود، چقرمگي و انعطافپذيري كمي دارند. در دماهاي بالاي ۸۰۰ درجه سانتيگراد در فاز آلفا ۲ از آلياژهاي دو فازي، وجود نابجاييهايي با مولفه c شناسايي شده و تصور مي شود كه آن ايزوتروپي پلاستيك آلفا – ۲ را كاهش مي دهد.
اطلاعات پيرامون ويژگيهاي تغيير شكل آلفا غني از آلومينيم اندك است، مخصوصا هنگامي كه اين فاز در تعادل با گاما باشد. هيچ اطلاعات ديگري نيز در مورد تغيير شكل فاز بتا و فاز همتاي منظم شده آن B۲ هنگام همراهي با فازهاي گاما و آلفا – ۲ وجود ندارد.
بنظر مي رسد تبلور مجدد و كروي شدن ريزساختار با افزايش زياد Nb به تاخير بيافتد كه حداقل به سه عامل مربوط مي شود. Nb به ميزان زيادي فضاهاي اتمي تيتانيم را در فازهاي گاما و آلفا ۲ اشغال مي كند. بنابراين آلياژهاي حاوي نايوبيم در اينجا معادل آلياژهاي Ti ۴۵Al در نظر گرفته مي شوند. در چنين آلياژهاي غني از تيتانيم، عموما تبلور مجدد ديناميكي بنابر دلايلي كه همگي مشخص نيستند، به كندي انجام مي شود. بعلاوه، در آلياژهاي حاوي نايوبيم بالا، تبلور مجدد بخاطر ضريب نفوذ كمتر به تاخير مي افتد. يكي از ويژگيهاي خاص آلياژهاي حاوي Nb اين است كه اغلب حاوي كسر حجمي قابل توجهي از فاز بتا مي باشند كه ساختار فرعي نفوذكننده در ماده تشكيل مي دهد. انتظار مي رود كه اين فاز تحت شرايط كار داغ استحكام تسليم نسبتا كمي داشته و عهده دار بخش اعظم تغيير شكل باشد. در نتيجه، ميزان انرژي كرنشي سهم فازهاي گاما و آلفا – ۲ نسبتا اندك بوده و بنابراين نيروي محرك تبلور مجدد در اين اجزاء كاهش مي يابد. به نظر مي رسد اعوجاج فاز بتا بسيار بيشتر از دو فاز ديگر گاما و آلفا – ۲ باشد. در كرنشهاي بالا، باندهاي برش در طول فاز بتا كه شامل دانه هاي بسيار ريز و هم محور مي باشد، گسترش مي يابند. بنابراين تغيير شكل مي تواند توسط لغزش مرزدانه ها اتفاق بيافتد. اين نوع تقسيم كرنش بين فاز بتا و ديگر فازها، يقينا منجر به تنش هاي دروني زياد مي شود. اغلب باندهاي برش كل قطعه كار را مي پيمايند، در قطعات بزرگ اين موضوع منجر به ايجاد تنشهاي كششي خارجي و شكست نابهنگام مي شود.
بر اين اساس در يكي از تحقيقات انجام شده، آلياژ Ti ۴۲Al ۱۰V انتخاب شد. اين آلياژ با آلياژهاي Ti Al معمولي كاملا متفاوت بوده و در دماي بالا منطقه دو فازي (آلفا + بتا) بزرگي داشته و در دماهاي متوسط و پايين داراي منطقه دو فازي (گاما و بتا ۲) است.
ظاهر خارجي آلياژ بعد از تست اكسترود داغ نشان مي دهد كه اگرچه سطح غلاف روي قطعه كنده كنده شده است اما درون ماده سالم و بي عيب بوده و نشاندهنده قابليت شكلپذيري بهتر اين آلياژ نسبت به غلاف از جنس فولاد كم آلياژ است.

Matthew A. Hunter در سال ۱۹۱۰ بوسيله حرارت دادن TiCl۴ با سديم در بمب فولادي در دماي ۸۰۰-۷۰۰ درجه سانتي‌گراد براي اولين بار تيتانيم فلزي خالص ( ۹ ۹۹% ...

ظاهر خارجي آلياژ بعد از فورج داغ در قالب بسته با ماده اضافي نشان مي دهد كه موقعيت ترك در ماده اضافي و در مكان جوش با غلاف است. ريزساختار آن نيز نشان م ...

در اين مقاله، سعي شده است تعريفي کلي از فرايند جوشکاري انفجاري، همراه با برخي عوامل موثر در اين روش، ارائه شود. البته از آنجا که حل تحليلي فرايند جوشک ...

کاهش ذخائر سوختي فسيلي، رقابت هاي اقتصادي و مسائل زيست محيطي، ما را به سمت ساخت موتورهايي با کارايي بالاتر مي برد. روش هاي مختلفي براي رسيدن به اين هد ...

دستيابي بهتوسعه نيازمند توليد علم، توجه ويژه به تربيت نيروي انساني ماهر و همخوان شدن آن با صنعت بومي است. ارتباط دانشگاه و صنعت بايد به عنوان لايه بير ...

دانلود نسخه PDF - تيتانيم