تيتانيوم

فصل اول:
تيتانيوم در سال ۱۹۳۸ توسط W.J. kroll در آمريكا كشف شد. تيتانيوم فلزيست به رنگ سفيد نقره‌اي و بسيار سبك است و پس از پوليش نمودن، رنگ فولادي پيدا مي‌نمايد. تيتانيوم و آلياژهاي آن به علت داشتن خواص خوب و مقاومت در مقابل خوردگي و فرسايش موارد استفاده زيادي در صنايع نظامي و هوافضا و نيروگاههاي هسته‌اي و كشتي‌سازي و صنايع دريائي و پتروشيمي كاربرد دارد. از جمله در ساخت بدنه و اجزاي هواپيماها، وسايل حمل و نقل، لوازم جراحي، ظروف مورد استفاده در آزمايشگاه‌هاي شيمي و ديگر وسايل مقاوم به خوردگي كاربرد دارد. مهمترين ويژگي تيتانيوم، نسبت استحكام به وزن آن است كه

نسبت به ساير فلزات سبك بسيار عاليست. تيتانيوم استحكامي معادل فولادهاي زنگ نزن دارد در حالي كه وزن آن، ۳/۱ اين فولادها است. خاصيت مهم ديگر تيتانيوم مقاومت به خوردگي و سايش بالاي آن به ويژه در محيط‌هاي دريايي است. هيچ يك از نمك‌هاي فلزي، كلرورها، هيدروكسيدها، اسيدهاي نيتريك و كرميك، و نيز اسيدهاي آلي مانند اسيد استيك و آب‌هاي شور، قادر به خوردگي تيتانيوم نيستند. به علت مقاومت در مقابل آب دريا امروزه جايگزين آلياژهاي نيكل و مس از نوع ۷۰% نيكل و ۳۰% مس شده است.

محصولات توليدي فلز مزبور و آلياژهاي آن بصورت لوله (Pipe) و ورق (Plate) مي‌باشد كه پليت يا ورق جهت ساخت و توليد مخازن مواد شيميايي و لوله در داخل دريا جهت انتقال مواد شيميائي مورد استفاده قرا مي‌گيرد. جهت اتصال لوله‌ها به هم ديگر و همچنين ساخت مخازن نياز به جوشكاري مي‌باشد.
تيتانيوم از احيا تتراكلريد تيتانيوم در درجه حرارت ۸۰۰ تا ۹۰۰ درجه سانتي‌گراد بوسيله منيزيم يا سديم در محيط آرگون بدست مي‌آيد. تيتانيوم احيا شده، بصورت فلز خالص تيتانيوم، مجدداً در خلا ذوب شده و سپس مورد استفاده قرار مي‌گيرد. فلز تيتانيوم خالص جز مواد آلتروپ مي‌باشد.

تيتانيوم خالص داراي استحكام كمي بوده كه استحكام آن برابر ۲۱۶ نيوتن بر ميلي‌مترمربع و درصد ازدياد نسبي طول آن برابر ۵۰ مي‌باشد. تيتانيوم تجارتي بعلت داشتن عناصر آلياژي استحكامي برابر ۷۰۰ نيوتن بر ميلي‌متر مربع را دارا مي‌باشد و نقطه ذوب آن ۱۷۲۵ درجه سانتي‌گراد و مقاومت به خوردگي آن نيز عالي است. وقتي تيتانيوم خالص از مذاب تبديل به جامد مي‌گردد از ۱۷۲۵ درجه سانتي‌گراد داراي ساختار كريستالي از نوع مكعب مركزدار B.C.C مي‌باشد كه آنرا تيتانيوم يا فاز مي‌نامند و از ۸۸۲ درجه سانتي‌گراد تا درجه حرارت محيط كه سرد مي‌شود داراي ساختار كريستالي از نوع H.C.P بوده كه بنام فاز يا تيتانيوم مي‌باشد. در هنگام گرم شدن از درجه حرارت محيط تا C O 882 تيتانيوم داراي فاز و از C O 882 تا C O 1725 فاز بوده، به اين جهت اين فلز را آلتروپ

مي‌نامند.تيتانيوم فلزيست غيرمغناطيسي با قابليت كشش بسيار عالي و ساختار B.C.C. ديگر خواص فيزيكي- مكانيكي و متالورژيكي تيتانيوم به قرار زير است.

نقطه ذوب: C O1725 جرم اتمي: گرم ۴۴۸
وزن مخصوص: gr/cm3 5/4 علامت اختصاري:
ساختار كريستالي: BCC,CPH سختي: برنيل ۹۰-۷۰

حضور عناصر آلياژي از قبيل اكسيژن، نيتروژن، آلومينيوم و كربن، به همراه تغيير درجه حرارت، در تيتانيوم تغيير ساختار كريستالي ايجاد مي‌كند. ساختار كريستالي تيتانيوم در دماي اتاق تا حدود C O 882 به صورت (C.P.H) H.C.P است اما از اين درجه حرارت به بالا، ساختار BCC تغيير شكل مي‌دهد. همان‌طوري كه گفته شد، وجود عناصري مثل اكسيژن، نيتروژن، آلومينيوم و كربن، درجه حرارت اين استحالة فازي را افزايش مي‌دهد و همچنين سختي و استحكام آلياژ تيتانيوم را افزايش و انعطاف‌پذيري آن را كاهش مي‌دهد.

 

۱-۱- آلياژهاي تيتانيوم:
برحسب ساختار كريستالي كه هر آلياژ تيتانيوم در دماي محيط پيدا مي‌كند، اين آلياژها را به چهار گروه تقسيم مي‌كند:
۱) آلياژهاي ، ۲) ، ۳) – و ۴) تيتانيوم خالص تجاري با ساختمان كريستالي H.C.P
آلياژهاي تيتانيوم قابليت ماشين‌كاري و چكش كاري خوبي دارد و در برابر حرارت عكس‌العمل نشان داده و در مقابل زنگ‌زدگي مقاوم مي‌باشد. البته اين وضعيت در درجه حرارت معمولي فوق‌العاده بالاست و حقيقتاً آنها در برابر هوازدگي محفوظ هستند و همچنين در محيطهاي دريائي و صنعتي جدول شماره ۱-۱ نشان‌دهندة چندين نوع از آلياژها با مشخصات و بكارگيري خاص آنها مي‌باشد.

جدول (۱-۱): نشان‌دهنده تركيب، مشخصات مكانيكي و نوع كاربرد براي چهارنوع آلياژهاي معمولي تيتانيوم

۱-۱-۱- تيتانيوم خالص تجاري:
تيتانيوم خالص تجاري بسته به غلظت آلياژي به چهار نوع تقسيم مي‌شوند كه اين چهار نوع در جدول زير آمده است:
جدول (۲-۱): تركيب شيميائي و خواص مكانيكي آلياژهاي تيتانيوم خالص تجاري

با توجه به جدول فوق با كوچكترين تغيير در غلظت عناصر، خصوصاً اكسيژن و آهن، خواص مكانيكي به شدت تغيير مي‌يابد.

۲-۱-۱- آلياژهاي آلفا ( ):
آلياژهاي آلفا آلياژهاي تك فازي هستند كه در دماي محيط داراي ساختار H.C.P بوده و ساختمان آنها با ساختمان تيتانيوم خالص يكسان است. اين آلياژها معمولاً داراي مقاديري آلومينيوم هستند. خصوصيات ويژة آلياژهاي آلفاي تيتانيوم، استحكام، سختي و مقاومت به خوردگي آنها به ويژه در فاصلة حرارتي C O 315 تا C O 595 است. آلياژهاي مهم آلفا عبارتند از:

Sn 5/2- Al 5- Ti، Mo 2- Zr 4- Sn 5/2- Al 6- Ti، V 1- Mo 1- Al 8- Ti و Mo 1- Ta 1- Cb 2- Al 6- Ti و Mo 2- Zr 2- Sn 5- Al 5- Ti. شكل (۱-۱) نمودار فازي تيتانيوم- آلومينيوم را نشان مي‌دهد. اين آلياژها، اغلب داراي قابليت جوش‌پذيري خوبي هستند. مقدار آلومينيوم موجود در اين آلياژها حداكثر ۶% بوده و گاهي تا ۵/۲ قلع نيز همراه دارد. آلياژهاي فاز واحد كه داراي آلومينيوم است مي‌توانند از طريق كارهاي سرد، استحكام پيدا كنند و معمولاً در وضعيت آنيل شده قابل جوشكاري‌اند.

 

شكل (۱-۱): نمودار فازي تيتانيوم- آلومينيوم
۳-۱-۱- آلياژهاي بتا ( ):
در اين آلياژها، اغلب درصد بالايي از عناصر پايدار كنندة فاز از قبيل واناديوم، كروم و اندكي آلومينيوم وجود دارد. ساختار اين آلياژها همان طور كه گفته شد به صورت B.C.C بوده، از استحكام و سختي در اثر عمليات حرارتي بعدي برخوردارند. آلياژهاي در هر دو حالت آنيل شده و پيرسخت، قابل جوشكاري‌اند، اما بهتر است پس از پيرسختي و قبل از جوشكاري، آنها را تحت عمليات انحلال قرار داد. در اين حالت، استحكام آنها تا ksi 215 با انعطاف‌پذيري حدود ۵% خواهد شد. مهمترين آلياژهاي عبارتند از:
Sn 55/4- Zr 6- Mo 5/11- Ti، Cr 11- V 13- Al 3- Ti، Mo 4- Zr4- Cr 6- V 8- Al 3- Ti، Sn 3- Al 3- Cr 3- V 15- Ti و Al 3- Fe 2- V 8- Mo 8- Ti.
آلياژهاي تيتانيوم و – را مي‌توان از طريق گرم كردن يا در بعضي موارد از طريق سرد كردن و يا پيرسختي مستحكم تر كرد. پس از سرد كردن از طريق شكل‌گيري ذرات فاز كه در سراسر فاز به طور پراكنده قرار مي‌گيرد استحكام بخشي آن انجام مي‌گيرد.

۴-۱-۱- آلياژهاي آلفا- بتا ( – ):

با افزايش مقادير معين از عناصر پايدار كنندة به تيتانيوم، آلياژهاي آلفا- بتا تشكيل مي‌شود. اين عمل، يك سيستم دوفازي آلفا- بتا با ساختمان‌هاي B.C.C و H.C.P متراكم ايجاد مي‌كند. با انجام عمليات حرارتي انحلال در سيكل‌هاي طولاني، ذرات ريز آلفا از ذرات ناپايدار بتا جدا شده و رسوب مي‌كنند. درنتيجه مي‌توان ساختار تغيير شكل يافته‌اي از سختي و مقاومت بالا (پيرسخت شده) ايجاد نمود. مقدار سختي و استحكام حاصله را مي‌توان با محاسبه و كنترل زمان نگه‌داري، تعيين نمود.

۲-۱- نكات مفهومي و كليدي فصل:
تيتانيوم بصورت عنصر آلياژي درحد پائين به فولادهاي ساختماني در شكل فرو تيتانيوم به مذاب فولادي آن اضافه مي‌گردد كه تيتانيوم آلياژي استحكام فولاد را بالا برده و آنرا در مقابل خوردگي جوي مقاوم مي‌نمايد. چون فلز تيتانيوم كاربيد قوي در فولادها ايجاد مي‌نمايد بدين جهت در فولادهاي زنگ نزن براي قابليت جوشكاري اين نوع فولادها (آستنيت ۱۸-۸) از جنس ۳۰۴ L، ۳۰۸ L و ۳۱۶ L به مقدار % C * Ti 25 (بصوريكه ۰٫۰۵ C) افزوده مي‌شود.

تيتانيوم با فلزاتي مانند كرم و موليبدن و واناديوم و قلع آلياژ شده و عناصري مانند كرم و آهن و موليبدن كه خود داراي ساختار كريستالي از نوع B.C.C هستند فاز يا تيتانيوم را تثبيت يا پايدار نموده و باعث سخت‌شدن آن مي‌گردند كه سختي تيتانيوم در اين حالت بيشتر از سختي تيتانيوم از نوع مي‌باشد. فاز داراي قابليت آهنگري جوبي مي‌باشد و همچنين فاز + براحتي در محدوده فاز بتا قابليت گرم كاري دارد. آلياژ تيتانيوم از نوع Ti 680 (يعني ۱۱% قلع، ۲۵/۲%

آلومينيوم، ۴% موليبدن و ۲/۰ سيليسيم) كه استحكام كششي آن ۱۳۰۰ نيوتن بر ميلي‌متر مربع بوده كه مناسب جهت عمليات حرارتي بوده و بسهولت آهنگري مي‌گردد و اين نوع آلياژ در ساخت بدنه هواپيما كنكورد مورد استفاده قرار مي‌گيرد. آلياژ ديگري از تيتانيوم بنام Ex 700 بوده كه ۶% آلومينيوم، ۵% زيركونيوم، ۳% موليبدن و ۱% مس داشته كه استحكام كششي آن برابر ۱۵۴۰ نيوتن بر ميلي‌متر مربع يعني استحكام بالايي را دارا مي‌باشد كه باز در ساخت تجهيزات فضايي مورد استفاده قرار مي‌گيرد. همچنين آلياژهاي تيتانيوم در ساخت تجهيزات توربين‌هاي گازي كه در درجه حرارتهاي بالا مقاوم به خزش خوبي دارد كاربرد فراواني را دارا مي‌باشد.

از انواع ديگر آلياژهاي تيتانيوم ۴- Ti- 6 Al است كه ۶% آلومينيوم، ۴% واناديوم و ۹۰% تيتانيوم مي‌باشد و يا از نوع Ti- 8 Mn يعني ۸% منگنز و ۹۲% تيتانيوم و يا Ti- 8 Mo- 8 V- 3 Al- 2 Fe كه ۸% موليبدن، ۸% واناديوم، ۳% آلومينيوم و ۲% آهن مي‌باشد.
تمام اين آلياژهاي بيان شده تيتانيوم در مقابل خوردگي بسيار مقاوم مي‌باشند، وقتي جهت جوشكاري فلز مبنا اين نوع آلياژها باشند، الكترودهاي انتخاب شده براي جوشكاري از نوع اين آلياژها مي‌باشند.

Alley
Commercially pure Ti (all grades)
or near-
titanium alloys

A or near- titanium alloys
Ti-13V-11Cr-3Al Ti-6Al-4V Ti-5Al-2.5Sn
Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn Ti-6Al-7Nb (IMI 367) Ti-8Al-1Mo-1V
Ti-3Al-8V-6Cr-4ZR-4Mo Ti-6Al-6V-2Sn (Cu+Fe) Ti-2.5Cu (IMI 230)
Ti-10V-2Fe-3Al Ti-3Al-2.5V Ti-6Al-iSn-4Zr-2Mo

Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo Ti-6Al-5Zr-0.5Mo-0.2Si (IMI 685)
Ti-4Al-4Mo-2Sn-0.5Si (IMI 550) Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-1Nb-0.3Mo-0.3Si(IMI834)
Ti-4Al-4Mo-4Sn-0.5Si (IMI 551) Ti-6Al-2Cb-1Ta-0.8Mo
Ti- 5Al-2Sn-4Mo-2Zr-4Cr (Ti-17)

Ti-7Al-4Mo

فصل دوم:

بررسي مباني و اصول جوشكاري تيتانيوم و آلياژهاي آن:
قابليت جوشكاري آلياژهاي آلفا- بتا تيتانيوم نسبتاً خوب بوده ولي در منطقه HAZ انعطاف‌پذيري كاهش مي‌يابد. به همين دليل بايد از جوشكاري نفوذي آلياژهاي گفته شده تا جاي ممكن خودداري كرده و آنها را جوش سطحي و نقطه جوش داد.
اغلب آلياژهاي تيتانيوم را مي‌توان با فرآيندهاي جوشكاري GTAW, GMAW, PAW, LBW, EBW, FRW, RW به يكديگر اتصال داد. تيتانيوم و آلياژهاي آن در درجه حرارت‌هاي حدود C O 540 مجدداً فعال مي‌شود. همان‌طور كه قبلاً گفته شد، تيتانيوم خالص و آلياژهاي آلفا تيتانيوم كاملاً جوش‌پذيرند، هرچند آلياژهاي تيتانيوم و آلفا- بتا نيز تا حدودي جوش‌پذير هستند. آلياژهاي آلفا- بتاي تيتانيوم مثل Ti- 6 Al- 4 V را مي‌توان در حالت آنيل شده يا تحت عمليات محلول قرار داد، و در بعضي موارد در حالت پيرسخت شده نيز جوشكاري نمود. اما پس از جوشكاري، حتماً بايد تحت يك عمليات تنش‌زدائي قرار داده شود. تيتانيوم خالص و آليا

ژهاي آلفاي تيتانيوم را فقط به وسيلة كار سرد مكانيكي مي‌توان مستحكم‌تر نمود، در حالي كه براي افزايش استحكام آلياژهاي بتا و آلفا- بتاي تيتانيوم، بايد از عمليات حرارتي استفاده كرد. آلياژهاي بتاي تيتانيوم، فقط در حالات آنيل و يا آنيل محلول شده قابل جوشكاري هستند. پس از جوشكاري، آلياژهاي بتاي تيتانيوم استحكام خود را تا حدودي از دست مي‌دهند، اما انعطاف‌پذيري قبلي خود را حفظ مي‌نمايند. به همين دليل در مواردي كه انتظار مي‌رود آلياژ بتاي تيتانيوم پس از جوشكاري استحكام بالايي داشته باشد، ابتدا بايد آن را در حالت آنيل جوشكاري نموده و در حين جوشكاري تحت عمليات چكش‌كاري قرار داد و پس از آن، با انجام كار سرد مكانيكي، عمليات حرارتي انحلال و پيرسخت نمودن را به حداكثر استحكام مورد نظر و انعطاف‌پذيري كافي رساند.

آلياژهاي پراستحكام مثل Ti- 7Al- 4Mo, TI- 6Al- 6V- 2Sn بنظر مي‌رسد داراي محدوديتهاي جوش‌پذيري هستند. بدليل گرايش آنها جهت ايجاد ريزتركهاي جوش در شرايط مقاومت بالا و تركهاي ريز در فلز جوش يا منطقه HAZ مي‌باشد. آلياژهاي نزديكي مانند:

Ti- 8 Mn, Ti- Al- 8 V-5Fe براي جوشكاري مناسب نيست زيرا در شرايط متوسط ايجاد ريزتركهاي جوش مي‌كند.
مقاومت در برابر ترك‌خوردگي جوشها براي آلياژهاي استحكام بالا و تافنس كم شايد از طريق پيش گرم كردن بين دماي F O 350-300 و نگهداشتن در آن دما در حين جوشكاري باشد و بلافاصله پس از جوشكاري تنش‌زدائي مي‌كنند. آلياژهاي تيتانيوم بر طبق قابليت جوش‌پذيريشان براي توليد جوشهاي نرم و سفت طبقه‌بندي مي‌شود. يك چنين طبقه‌بندي در جدول ۱-۲ نشان داده شده است.
جدول (۱-۲): قابليت جوش‌پذيري آلياژهاي تيتانيوم

 

۱-۰ = آلياژهاي غير مستعمل، نه براي توليدات تجاري
۲-AS = بسيار خوب
B = خوب تا نسبتاً خوب
C = محدود براي كاربرد خاص يا جوش دادن همراه عمليات خاص
D = عدم پيشنهاد و توصيه براي جوشكاري
نكته: تيتانيوم در حرارت بيش از ۴۸۰ درجه سانتيگراد، ميل تركيبي شديدي با عناصري مانند: اكسيژن، هيدروژن، نيتروژن و كربن دارد. با توجه به حساسيت‌هاي اين فلز (اكسيداسيون در درجه حرارت بيش از ۴۸۰ درجه سانتي‌گراد) جوشكاري اين فلز بسيار حائز اهميت مي‌باشد و بايد به طور كامل در محيط كاملاً خنثي و يا خلاء انجام پذيرد.

۱-۲- اكسيژن:
اكسيژن يك عنصر مؤثر محلول جامد بين نشين جهت استحكام بخشي است، اما افزايش در استحكام با تقليل در كيفيت و وضعيت جوشها همراه است. افزايش سريع استحكام و سختي با اكسيژن خوشبختانه از طريق نظارت و كنترل بر آلودگيهاي اكسيژن در جوشكاري، قابل حل است. اگر سختي جوش در يك سطح حداكثر بالا رود اينجا به نظر مي‌رسد كه سطح اكسيژن غيرقابل قبولي را نشان مي‌دهد. شكل ۱-۲ نشان‌دهندة ارتباط بين وضع سختي و درصدي از هوا در گاز محافظ تركيبي مي‌باشد كه نشان مي‌دهد كه اين فلز چقدر به ميزان اكسيژن حساس است.

شكل (۱-۲) افزايش سختي در فلز جوش به واسطه وجود اكسيژن در هوا

۲-۲- هيدروژن:
بايد به منبع هيدروژن توجه خاصي داده شود رطوبت بيشترين و معمولي‌ترين منبع است و حتي گاز مورد استفاده براي محافظت بايد از رطوبت كمي برخوردار باشد و تعيين شود كه نقطه شبنم آن بايد زير ۶۰- درجه باشد (گاز محافظ بايد كاملاً خشك باشد تا در صورت اضافه شدن مقداري رطوبت ناشي از تجهيزات مجاور منطقة جوشكاري، مشكلي ايجاد نشود). شكل ۲-۲ اثر نقطه شبنم گاز محافظ آرگون و خواص مكانيكي جوش در اثر تماس با هيدروژن را نشان مي‌دهد. اگر براي خنك كردن تورچ از آب استفاده شود ممكن است لازم باشد از آب داغ براي گردش در سيستم استفاده شود تا از منقبض شدن محفظة سيستم

جلوگيري شود. تمامي روغنها- گريسها و تمامي هيدروكربنها بايد قبل از جوشكاري از محل جوشكاري پاك شده باشد. از مواد بدون هالوژن اغلب استفاده مي‌شود براي پاك كردن روغن و گريس، جايي كه كلريدها و هالوژنها نمي‌توانند باعث ايجاد S.C.C شود بايد فلز گرم شود. براي برداشتن يك لايه اكسيد از صفحه به وسيله اسيد انجام مي‌شود.

شكل (۲-۲): اثر نقطه شبنم گاز محافظ و تماس هيدروژن با فلز جوش در يك نوع آلياژ تيتانيوم

۳-۲- تخلخل در جوشكاري:
وجود تخلخل در جوش تيتانيوم يكي از مشكلات است به نظر مي‌رسد دقيقاً بيشتر از همه و اگر بيشتر هم نباشد گازهاي حبابي شكل در موقع جامد شدن جوش ايجاد تخلخل مي‌كند. ثابت شده روش‌هاي جوشكاري و تكنيكهاي آن مي‌تواند تأثيري بر روي تخلخل ايجاد كند و به نظر مي‌رسد تنها يك مورد در بوجود آوردن جوشهاي عادي از تخلخل مي‌تواند باشد.