تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم

شکل دهی تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم:
تیتانیوم و آلیاژهای آن را با ماشین های استاندارد و با تلرانس فرم دهی فولاد ضد زنگ می توان شکل و فرم داد، ولی به علت کاه تغییرات جوش به عقب و همچنین کسب افزایش ویژگی داکتیل، که یک مزیت به شمار می رود، بخش اعظم قطعات تیتانیوم را با فرم دهی گرم می سازند و یا بصورت سرد پیش فرم داده و سپس با حرارت، سایز آن را افزایش می دهند.

در شکل دادن ورق های تیتانیوم و آلیاژهای آن باید موارد و خصوصیات زیر را در نظر گرفت:
– حساسیت به بردیگی و فرو رفتگی که باعث ترک خوردن بویژه در شکل دهی سرد می شود.
– سائیدگی و زخم سطحی بخصوص در مورد فولادهای ضد زنگ.
– توانایی انقباظی کم ( کد عیبی در لبه های پخ شده می باشد.)

– تردی و شکنندگی زیاد ناشی از حرارت بیش از حد یا جذب گاز هیدروژن و امثال ان
– توان کار محدود
– خاصیت ارتجاعی بالاتر از آلیاژهای آهنی با همان استحکانم
با این حال، با وجود محدودیت های بالا، باز هم می توان تیتانیوم و آلیاژهای آن را در بخش های پیچیده شکل داد، چون خصوصیات مکانیکی و شکل پذیری تیتانیوم و آلیاژهای آن بسیار گسترده است. برای مثال انواع تجاری آن با خلوص ۲۴۰ تا ۵۵۰ MPA، دارای استحکام کششی متفاوتی بوده و حداقل خمش ان ها در دمای اتاق متفاوت می باشد.و خاصیت داکتیل یا رسانایی و استحکام کششی تیتانیوم خالص (cp) به مقدار اکسیژن آن بستگی دارد.

در جدول ۱، فهرستی از طرحها، ترکیبات و خصوصیات مکانیکی انتخاب شده بعضی ازآلیاژهای تیتانیوم آورده شده است.
مواد تیتانیوم:
چند نوع غیر آلیاژی وجود دارد، که اختلاف آن ها در مقدار عناصری مثل اکسیژن، نیترژن و آهن است موادی که خلوص آنها بیشتر است دارای استحکام، سختی و دمای تغییر شکل پایین تری نسبت به مواد با خلوص کمتر هستند. یکی از عوامل که باعث شده تا تیتانیوم نسبت به سایر عناصر فلزی منحصر به فرد باشد انحلال پذیری بالای عناصر مثل اکسیژن و نیتروژن درآن است. مثلا تیتانیوم در هوا و درجه حرارت بالا اکسید نمی شود. در آن، ناحیة سخت شده سطحی، شکل می گیرد. (حالت ).

چون حضور حالت ، موجب کاهش مقاومت به خستگی و رسانایی می شود. این لایه معمولا توسط ماشین کاری، سایش شیمیایی و غیره قبل از اینکه مورد کاربرد قرار گیرد برداشته می شود پر مصرف ترین آلیاژی آن، V4 – AL- Ti می باشد که حدوداً ۶۰% کل تولیدات تیتانیوم را به خود اختصاص داده است.
مواد غیر آلیاژی تیتانیوم و ما بقی آلیاژها، هر کدام ۲۰% تولیدات را شامل می شوند انتخاب تیتانیوم غیر آلیاژی بستگی به خصوصیات مکانیکی، سرویس دهی، هزینه ها و سایر فاکتورهای خواسته شده داردو مثلاً، از تیتانیوم تجاری خالص به خاطر مقاومتش در برابر خوردگی به خصوص در جاهایی که نیاز به استحکام بالای باشد استفاده می شود استحکام نهایی cp به خاطر تغییر ناخالصی

های آن و مقدار عناصر اکسیژن و نیتروژن در آن بین ۱۷۰ تا ۴۸۰ MPa متغیر است. در این cpها با افزایش مقدار آهن و اکسیژن ، استحکام افزایش می یابد. آلیاژهای آنها که حاوی آلومینیوم قلع و یا زیرکونیوم هستند برای کاربردهای حرارت بالا یا برودتی ترجیح داده می شوند. آلیاژهی غنی آلفا نسبت به آلیاژهای و ، از مقاومت خزشی بالاتری برخوردار هستند. آلیاژهای باعناصر بسیار کم (ELI) دردماهای برودتیی، در دماهای برودتی، همچنان داکتیل و سخت باقی می مانند، مثل sn 5/2 – AL5-Ti.

برخلاف آلیاژهای و ،آلیاژهای توسط عملیات حرارتی مستحکم نمی شوند. معمولاً آلیاژهای را آدنیل یاتبلور مجدد می کنند. تا تنش های پسماند ناشی از کار سرد از بین برود آلیاژهای که مقدار کمی دارند، تحت عنوان آلیاژهاینزدیک طبقه بندی می شوند. و با توجه به اینکه مقدار کمی فاز دارند مثل آلیاژهای عمل می کنند. آلیاژهای حاوی یک یا چند تثبیت کننده هستند که این آلیاژها بعد از اینکه عملیات حرارتی شوند بیشتر فاز خواهند داشت که این موضوع به مقدار تثبیت کننده موجود در آلیاژ بر می گردد. آلیاژهای حاوی تثبیت کنندة بوده و مقدار فاز آنها کم تر از آلیاژهای می باشد. قابلیت سختی آنها به علت وجود فاز در هوای سرد یا آب به هنگام کوئنچ کردن قطعات ضخیم، بالا باقی

می ماند ورق های آلیاژ را بیشتر از بیقه آلیاژها می توان به صورت سرد شکل داد. مثالی از آن، آلیاژ AL3،cr3-Sn3-V15-Ti است که در دمای اتاق شکل دهی می شود پس از انحلال آلیاژهای دردمای تا که فاز تا حدودی به فاز تبدیل می گردد، پیر سازی می شوند فاز حاصل در میان ذرات باقی مانده پراکنده می باشد و از نظر سختی مانند آلیاژهای پیر شده می باشد در شرایط محلول آلیاژهای رسانایی و سختی خوبی دارند و نسبتاً استحکام آنها اندک بوده و لذا شکل پذیری خوبی دارند. در این آلیاژها با افزایش دما، فاز رسوب کرده و قبل از پیرسازی یا تثبیت، قابل استفاده در دماهای بالا نیستند.

شکل پذیری کلی:
ورق تیتانیوم و آلیاژهای آن توسط شکل دهی سرد، کار سخت یا کرنش سخت می شوند. که این موضوع در حالت باعث افزایش استحکام کششی و استحکام نهایی می شود و کمی هم از خاصیت داکتیل می کاهد که برای غلبه بر این مورد باید بزرگ سازی توسط حرارت را بعد از شکل دهی سرد انجام داد شکل دهی گرم بر روی خصوصیات نهایی تاثیری نمی گذارد شکل دهی در رنج دمای اجازه می دهد تا استرس آنی در مواد تغییر شکل یافته آژاد شود و خاصیت ارتجاعی به حداقل برسد اثر net در عملیات شکل دهی، بستگی به کل تغییر شکل و دمای تغییر شکل داد. چون فلز تیتانیوم دردمای بالا، تمایل به خزش دارد، خفظ بار در دمای شکل دهی خزشی باعث می شود، بدون نیاز به جبران ارتجاع به عقب شکل نهایی مطلوب بدست آید. به خاطر کشش همسو و یاغیر همسو، استحکام نهایی یا کاهش می یابد که به آن اثر Bauschinger می گویند و تیتانیوم و آلیاژهای آن هنگام شکل دهی دچار آن می شوندو حرف نظر از دمای اولیه آلیاژ یا استحکام آن تغییر شکل پلاستیک از ۱ تا ۵% در دمای ا تاق موجب کاهش استحکام نهایی و بروز Bauschinger می شود. آلیاژهای تیتانیوم تحت عملیات انحلالی، دما پایین در حد دمای پیرسازی، اثر Bauschinger رااز دست می دهند. در ضمن حرارت یاتغییر شکل پلاستیک در دمای بالاتر از دمای پیری، موجب کاهش خصوصیات مکانیکی در آلیاژ V4-AL6-Ti و پیر شدن بیش از حد و زود هنگام آن می شود.

آماده سازی ورق برای شکل دهی:
قبل از شکل دهی ورق تیتانیوم باید سطح آن از نظر صافی، و همچنین یکنواختی و ضخامت آن کنترل شود و نواحی بحرانی ورق را نباید خم کاری، برشکاری یا به هر شکلی، کشیده تر نمود، زیرا نسبت به ترک و شکاف کاملاً حساس است. لبه های قطعه کار باید کاملاً صاف باشد تا از تجمع استرس و شکنندگی آن جلوگیری شود. قبل از شکل دهی اکسیدهای سطحی را حذف کرد و همچنین گریس، روغن، جوهر، لک و سایر ترکیبات پایدار شیمیایی هالوژن ها را قبل از عملیات حرارتی باید کاملاً از بین برد.

قبل از عملیات حرارتی باید سطح تیتانیوم را تمیز کرد چون نمک های موجود در سطح قطعه ممکن است باعث ترکی خوردکی در حین عملیات حرارتی شوند. (جدول ۲-)
برای پاک کردن سطح تیتانیوم از حلالهای مثل ایزوپروپیل، الکل واستن استفاده می شود. بدلایلی که در بالا گفته شد نباید از ترکیبات هالوژن دار استفاده کرد مثل تری کلرواتیلن مگر آنکه پس از آن قطعه را در داخل اسیدشناور کرد تیتانیومی که توسط ابزارهای سربی یا فلزاتی که نقطه ذوب پایین دارند شکل دهی شده اند را باید در اسید نیتریک تمیز کرد. برای از بین بردن اثر ابزارها از روی تیتانیوم از حمام آبی اسید حاوی ۳۰% اسید نیتریک و کمتر از ۳% اسید هیدروفلوئوریک استفاده می کنند.

اگر این نسبت بین اسپرنیتریک و اسید هیدروفلوئوریک (نسبت ۱۰ به ۱) mm75%-25%، از سطح فلز را از بین می برد وقبل از قراردادن قطعه در اسید باید ان را تمیز کرد یا با آب شست. پوسته های سنگین و سیاه اکسیدی که در دماهای بالا، مثلاً به بالا، بر روی تیتانیوم تشکیل می شوند. باید بوسیلة مواد شیمیایی و روش های خشک یا مرطوب مکانیکی از بین بروند. از برس های زبر نیز استفاده می شود چون ایجاد فشار در سطح می شوند. اکسیدهای نازکی که در دماهای کمتر از تشکیل می شوند باید برای حرارت، عملیات و کیفیت نهایی شکل دهی مناسب باشند. شکل دادن سردتوسط ابزارهای روی یا آلومینیوم اپوکسی انجام می شود و ابزارهای شکل دهی گرم، از جنس سرامیک، چدن، فولاد ضد زنگ و آلیاژهای پایه نیکل می باشند.

یکی از مشکل هایی که به هنگام شکل دادن گرم وجود دارد، پوسته شدن و ساییدگی است که باید بر آن غلبه کرد و به همین دلیل از روانساز استفاده می شود. (مثل دی سولفید، مولیبدن، مخلوط دی سولفید مولیبدن و گرافیت و از نیترید بور هم استفاده می شود.) نیترید بور در دمای بالا، روانسار بهتری است. در شکل دهی های شدید از ضخامت روی هم در روانساز استفاده می شود.

روانسازهای مورد استفاده برای شکل دهی سرد مثل روانسازهای آلومینیوم می باشد
آماده سازی ورقه های خالی:
بیشتر ورقه های خالی تیتانیوم به ضخامت mm4/6 یا کمتر در یک پر یا پنج بدست می آیند. قالب ها باید سخت و تیز باشند تا از ترک خوردگی فلزات جلوگیری می شود برای دوام عمر ابزارهای قالب از فولاد استفاده می کنند. سوراخ های به قطر mm35/6 در ورق آنیل شده V4-AL6-Ti با ضخامت mm56/3-02/1 و با سختی سطحی کمتر از پانچ می شود ورق های تا ضخامت mm56/3 معمولاً بدون مشکل برش داده می شوند و با دقت بیشتر می توان ورق هایی تا ضخامت mm75/4 را نیز برش داد. یک تیغة تیز فولاد کم کربن با ظرفیت برش mm8/4، برای بریدن ورق های تیتانیوم به ضخامت mm3/2 مناسب می باشد لبه های برش یافته بخصوص در قطعات ضخیم تر فازی، ممکن است mm5-25/0 انحراف پیدا کنند.

در صورت وجود عیوبی مثل ترک باید از روش های دیگری مثل استفاده از آب فشار قوی یا لیزر برای برش استفاده کرده شکافتن ورق های آلیاژ تیتانیوم با کمک ابزارهای مرسوم و غیر متحرک که برای برش های صاف بکار می رود، انجام می شود زوائد روی لبه های بریده شده یا شکسته شده را باید با ماشین کاری، پاشیدن ماسه، و پولیش از بین برد. در قسمت های برش خورده حداقل باید mm35/0 برداشته می شود لبه های پایانی و پرداخت کاری شده فلز باید موازی با لبه سطح قالب خالی باشد ولبه های تیز باید از بین بروند. قبل از شکل دهی باید لبه های انقباضی را پولیش کرد.
شکل دهی سرد:
شکل دهی سرد در بعضی از آلیاژهای تیتانیوم تجاری مثل AL3-cr3-sn3-V15-Ti و انجام می شود.
و Mo4- Zr4-Cr6-V8-AL3-Ti انجام می شود. استرس شکل دهی سرد در سایر آلیاژها بیشتر است و برای آزاد سازی این استرسها نیاز به توان بیشتری است. آلیاژهای تیتانیوم و تیتانیوم را در قالبهایی که تا گرم شده

اند. پهن می کنند. در شکل دهی سرد، شکل پذیری در سرعت کم بهتر انجام می شود.
برای شکل دهی دقیق سرد می توان از بزرگ سازی و انبساط گرم استفاده نمود. بنابراین به کاهش استرس نیاز هست تا از خوردگی ناشی از استرس و یا ترک خوردگی جلوگیری بعمل آید. این بزرگ سازی حرارتی با آزاد سازی استرس ترکیب می شود و قطعه کار در گیره های قالب نگه داشته می شود. استرس زدایی تیتانیوم Cp و آلیاژهای آن در جدول ۳ آمده است.