ترکیب شیمیایی آلیاژ تیتانیوم Ti 6Al 2Sn 4Zr 6Mo
| |
Nitrogen
N
0/04 |
Hydrogen
H
0/125 |
Iron
Fe
0/15 |
Vanadium
V
3/60-4/40 |
Molybdenum
Mo
5/50-6/50 |
Aluminium
Al
5/50-6/50 |
Titanium
Ti
Balance |
خواص مکانیکی آلیاژ تیتانیوم Ti 6Al 2Sn 4Zr 6Mo
| سختی (RC) |
مدول الاستیک (GPa) |
درصد تغییر طول در 50 میلی‌متر (2 اینچ) |
استحکام تسلیم (MPa) |
استحکام کششی (MPa) |
| 39 |
114 |
13 |
1120 |
1210 |
خواص خوردگی آلیاژ تیتانیوم Ti 6Al 2Sn 4Zr 6Mo
| تیزاب سلطانی |
هیدروژن سولفید
(H2S) |
اسید فرمیک
(HCOOH) |
اسید استیک
(CH3COOH) |
کلر
(-Cl) |
آب دریا
(3/5%NaCl) |
اسید نیتریک
(HNO3) |
اسید فسفریک
(H3PO4) |
اسید هیدروفلوئوریک
(HF) |
اسید هیدروکلریک
(HCl) |
اسید سولفوریک
(H2SO4) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
استانداردهای آلیاژ تیتانیوم Ti 6Al 2Sn 4Zr 6Mo
| نام‌های دیگر |
ASTM |
AMS |
UNS |
EN Chemical Designation |
EN Numeric Designation
(DIN) |
AISI |
Ti-6-2-4-6
Ti-6246 |
|
|
R56260 |
|
3.7164 |
|
| حداکثر دمای کاری ºC) Ti 6Al 2Sn 4Zr 6Mo) |
چگالی g/cm3) Ti 6Al 2Sn 4Zr 6Mo) |
ضريب هدايت حرارتی W/m.K) Ti 6Al 2Sn 4Zr 6Mo) |
| 450 |
4/65 |
|
ویژگی‌های کلیدی آلیاژ تیتانیوم Ti 6Al 2Sn 4Zr 6Mo
- استحکام مکانیکی بالا
- استحکام عالی در دماهای بالا تا 450 درجه سانتی‌گراد
- مقاومت خزشی مناسب
- مقاومت به خوردگی مطلوب
- قابلیت انجام عملیات حرارتی با هدف دستیابی به سطوح استحکام بالاتر نسبت به آلیاژ تیتانیوم گرید 5
- خواص خستگی سیکل کم مناسب
- قابلیت فورج و حساسیت به ترک مشابه با آلیاژ تیتانیوم گرید 5
- نسبت استحکام به وزن بالا
- ضریب انبساط حرارتی کم
- مدول الاستیک کم
- چگالی کم
- مقاومت به خوردگی فوق‌العاده در محیط‌های میدان نفتی
یک آلیاژ غنی از آلفا-بتا
ساخت و شکل‌دهی به مراتب سخت‌تر از آلیاژ مشابه آن یعنی آلیاژ Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo
دارای استحکام، پایداری و مقاومت به خزش تا دمای 550 درجه سانتی‌گراد
دارای قابلیت عملیات حرارتی در بخش‌هایی با اندازه‌های بالا تا 1 اینچ و تقریباً تا دمای 400 درجه سانتی‌گراد است.
دارای مقاومت به خوردگی و استحکام خوب و جوش‌پذیری و قابلیت ساخت
تیتانیوم 6246، یک آلیاژ تیتانیوم با ریزساختار آلفا-بتا است که استحکام مکانیکی خیلی خوبی دارد و تا دمای حدود 450 درجه سانتی‌گراد، بسیار پایدار است. آلیاژ Ti 6-2-4-6 یک آلیاژ قابل عملیات حرارتی محسوب می‌شود و عموما برای استفاده در دماهای بالا تا حدود 450 درجه سانتی‌گراد، طراحی می‌گردد.
قابلیت فورج و حساسیت به ترک در آلیاژ تیتانیوم 6242، مشابه با آلیاژ Ti-6Al-4V یا همان تیتانیوم گرید 5 است اما این آلیاژ را می‌توان تحت عملیات حرارتی قرار داد تا به استحکام‌های بالاتر در مقاطع بزرگتر از تیتانیوم گرید 5، دست یابد.
خواص آلیاژ تیتانیوم 6242، تحت تأثیر تاریخچه ترمومکانیکی آن است. در آلیاژهای فورج شده آلفا-بتا، ویژگی‌هایی همچون استحکام بالا، انعطاف‌پذیری مناسب و مقاومت خستگی سیکل کم مطلوب وجود دارد. البته لازم به ذکر است که آلیاژهای بتا فورج شده، بهترین شرایط را برای خستگی سیکل کم و مقابله با رشد ترک خستگی را دارند.
آلیاژ Ti-6246 چگالی کمی دارد و مدول یانگ آن تقریباً نصف فولاد است؛ اما مانند سایر گریدهای خالص و آلیاژی تیتانیوم، نسبت استحکام به وزن بالایی دارد.
مقاومت به خوردگی آلیاژ تیتانیوم 6246، به واسطه برخورداری از حدود 6 درصد مولیبدن، در مقابل محیط‌های احیایی مثل گاز ترش یا سولفید هیدروژن (H2S) بسیار مناسب است و به همین دلیل می‌توان از آن در چاه‌های گاز ترش استفاده کرد. این آلیاژ هچنین در برابر آب دریا نیز مقاومت خیلی خوبی دارد و در کاربردهای ساحلی و زیر آب نیز مورد استفاده قرار بگیرد.
کاربردهای Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo
با توجه به خواص خیلی خوب آلیاژ تیتانیوم 6246 در دماهای بالا، از این آلیاژ در کاربردهایی مثل ساخت دیسک و پروانه‌ها در توربین‌های گازی استفاده می‌شود. آلیاژ Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo برای ساخت سیستم‌های لوله‌کشی در چاه‌های عمیق گاز ترش نیز کاربرد دارد زیرا مقاومت آن در مقابل سولفید هیدروژن یا گاز ترش، بسیار عالی است.
از آنجایی که آلیاژ Ti-6246 رفتار خوبی در آب دریا دارد، می‌توان از آن در شرایط ساحلی و زیر آب که مقاومت به خوردگی و وزن مهم هستند، استفاده کرد.
بررسی مقاومت خزشی آلیاژ تیتانیوم 6246
یکی از ویژگی‌های مهم آلیاژ Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo، استحکام مناسب در دمای بالا و مقاومت خزشی خوب است. خزش از جمله خطرات رایج برای فلزات و آلیاژها در دماهای بالا محسوب می‌شود که تأثیر منفی زیادی بر قطعات دارد و حتی می‌تواند موجب ترک و شکست در آن‌ها شود. این پدیده با زمان تغییر می‌کند و در دماهای بیشتر از حدود 4/0 نقطه ذوب فلزات رخ می‌دهد.
عوامل مختلفی می‌توانند در جلوگیری از خزش موثر باشند که یکی از مهم‌ترین آن‌ها، نوع ریزساختار است. ساختارهای ریزدانه در افزایش استحکام و انعطاف‌پذیری موثر هستند اما تأثیر معکوسی در مقاومت خزشی دارند. به عبارتی وجود مرزدانه بیشتر منجر به کاهش مقاومت خزشی می‌شود زیرا مرزدانه محلی برای ترک خزشی محسوب می‌گردد. از جمله عوامل مهم دیگری که می‌توانند بر مقاومت خزشی اثر بگذارند، ترکیب شیمیایی است. در ترکیب شیمیایی آلیاژ تیتانیوم 6246، بین 6/3 تا 4/4 درصد زیرکونیوم وجود دارد. زیرکونیوم یکی از عناصری است که می‌تواند به بهبود مقاومت خزشی کمک کند. آلیاژ Ti 6-2-4-6 تا دمای 450 درجه سانتی‌گراد، استحکام مناسبی از خود نشان می‌دهد.
بررسی ریزساختار آلیاژ تیتانیوم 6246
پیش از آشنایی با ریزساختار آلیاژ تیتانیوم 6246، لازم است تا برخی مطالب مقدماتی در خصوص کلیات ریزساختار فلز تیتانیوم بیان گردد.
معرفی ریزساختار تیتانیوم
در دماهای پایین، فلز تیتانیوم خالص دارای فاز آلفا (α) است که به صورت هگزاگونال یا hcp می‌باشد. در دماهای بالا و بعد از 882 درجه سانتی‌گراد، یک استحاله یا دگرگونی مهم در ساختار تیتانیوم خالص رخ می‌دهد و فاز آلفا، به فاز بتا (β) تبدیل می‌شود که شبکه آن از نوع مکعبی و bcc است. سلول واحد اتمی ساختارهای آلفا و بتا را می‌توان در شکل 1 (Fig.1) مشاهده نمود.
دمای استحاله بتا یا بتا ترانسوس (Beta transus) همان‌طور که ذکر شد در حدود 882 درجه سانتی‌گراد (1620 درجه فارنهایت) است اما افزودن عناصر ناخالصی و آلیاژی می‌تواند آن را تغییر دهد. در تیتانیوم‌های خالص تجاری این تغییر چندان زیاد نیست اما در آلیاژهای تیتانیوم، مقدار قابل توجهی می‌باشد.
آلیاژهای تیتانیوم در سه گروه کلی قرار دارند
- آلیاژهای آلفا
- آلیاژهای آلفا-بتا
- آلیاژهای بتا
این تقسیم‌بندی براساس فاز پایدار موجود در این آلیاژها صورت می‌پذیرد. عناصری آلیاژی افزوده شده به تیتانیوم نیز در یک دسته‌بندی کلی، شامل سه گروه هستند:
عناصر پایدارکننده آلفا: این عناصر باعث افزایش دمای استحاله تبدیل آلفا به بتا می‌شوند مانند آلومینیوم، اکسیژن، نیتروژن و کربن
عناصر پایدارکننده بتا: این عناصر موجب کاهش دمای استحاله تبدیل آلفا به بتا می‌شوند مانند مولیبدن، وانادیوم، آهن، کروم، منگنز، هیدروژن و نیکل
عناصر خنثی: این عناصر نقش چندانی در تغییر دمای دگرگونی آلفا به بتا ندارند مانند قلع و زیرکونیوم
عناصر مذکور می‌توانند به صورت بین‌نشین و یا جانشین در ساختار آلیاژ قرار بگیرند. قوی‌ترین عنصر پایدارکننده فاز آلفا، عنصر آلومینیوم است؛ در حالی که مولیبدن قوی‌ترین عنصر پایدارکننده فاز بتا محسوب می‌شود.
ویژگی‌های ریزساختار آلیاژ تیتانیوم 6246
همان‌طور که پیش‌تر ذکر شد، آلیاژ Ti-6Al-2Sn-4 دارای ریزساختار آلفا-بتا است. دراین آلیاژها علاوه بر عنصر پایدارکننده آلفا، مقدار کنترل شده‌ای از عنصر پایدارکننده بتا نیز وجود دارد. به طور مثال در تیتانیوم 6246، عناصر آلومینیوم و مولیبدن که به ترتیب پایدارکننده آلفا و بتا هستند، در ترکیب شیمیایی آلیاژ دیده می‌شوند.
ویژگی اصلی آلیاژهای دوفاز آلفا-بتا، قابلیت پیرسازی آن‌ها است که موجب افزایش استحکام می‌شود. چنین ویژگی در آلیاژهای آلفا مثل آلیاژ تیتانیوم گرید 7 دیده نمی‌شود چون آن‌ها به صورت تک‌فاز هستند.
در آلیاژهای آلفا-بتا، چرخه پیرسازی موجب رسوب ذرات آلفا ریز از بتا ناپایدار می‌گردد که تأثیر مثبتی بر بهبود استحکام آلیاژ دارد.
آلیاژهای تیتانیوم آلفا-بتا معمولاً شامل 4 تا 16 درصد عناصر پایدارکننده بتا هستند. مشهورترین آلیاژ آلفا-بتا، آلیاژ تیتانیوم گرید 5 یا Ti-6Al-4V است که پرکاربردترین آن‌ها نیز محسوب می‌شود. آلیاژ تیتانیوم 6246 نیز یکی از آلیاژهای تیتانیوم پرکاربرد است که به دلیل مقاومت مطلوب خزشی، عموماً در شرایط سخت دماهای بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد.
تحقیقات نشان داده که آلیاژهای آلفا-بتا تجاری در دمای اتاق، حاوی 10 تا 20 درصد فاز بتا هستند.
ریزساختار آلیاژ Ti-6246 که شامل آلفای هم‌محور در زمینه بتا
خواص خستگی آلیاژ تیتانیوم 6246
محققان رفتار خستگی آلیاژ آلفا-بتا تیتانیوم 6246 را تحت خستگی سیکل زیاد با استفاده از تکنیک خستگی اولتراسونیک و سطوح تنشی 40 تا 60 درصد استحکام تسلیم آلیاژ مورد بررسی قرار داده‌اند. بررسی‌ها نشان داد که عمر خستگی آلیاژ Ti-6Al-2Sn-4Zn-6Mo در سطوح تنشی اعمالی بین 1 میلیون تا 1 میلیارد سیکل است که مقدار بسیار زیادی محسوب می‌شود. از لحاظ ریزساختاری نیز، ترک خستگی هم در سطح و هم در قسمت‌های زیرسطح آغاز می‌گردد. مطالعات نشان داده که سطح شکست نزدیک به آغاز ترک خستگی، ماهیت کریستالوگرافی دارد.
منحنی S-N نمونه‌های آلیاژ Ti-6246 قابل مشاهده می‌باشد. مطابق این شکل، شکست خستگی در بازه 1 میلیون تا 1 میلیارد سیکل رخ می‌دهد.
تصاویر آغاز ترک رایج خستگی در سطح و زیرسطح نمونه‌های آلیاژ تیتانیوم-6246
ساخت و تولید آلیاژ تیتانیوم Ti 6Al 2Sn 4Zr 6Mo
عملیات حرارتی آلیاژ تیتانیوم 6246
همان‌طور که پیش‌تر ذکر شد، آلیاژ Ti-6Al-2Sn-4Zn-6Mo یک آلیاژ قابلیت عملیات حرارتی است و با انجام عملیاتی مثل پیرسازی، می‌توان استحکام و خواص مکانیکی آن را بهبود داد. در جدول 2، عملیات‌های حرارتی مورد استفاده برای آلیاژ Ti 6246 و نحوه انجام آن‌ها شرح داده شده است.
عملیات حرارتی‌های آلیاژ تیتانیوم 6246
| عملیات حرارتی |
نحوه اجرا |
| آنیل دوتایی (Duplex anneal) |
حرارت‌دهی در بازه دمایی 816 الی 913 درجه سانتی‌گراد به مدت 1 تا 2 ساعت + سرد کردن در هوا و یا با سرعت بالاتر + حرارت‌دهی تا 593 درجه سانتی‌گراد و نگهداری به مدت 4 تا 8 ساعت + سرد کردن آهسته |
| عملیات انحلالی |
عملیات حرارتی در بازه دمایی 843 الی 913 درجه سانتی‌گراد (1550 تا 1675 درجه فارنهایت) + سرد کردن در هوا (AC) یا کوئنچ در روغن (OQ) و یا کوئنچ در آب (WQ) |
| پیرسازی |
عملیات حرارتی در بازه دمایی 579 الی 607 درجه سانتی‌گراد و نگهداری به مدت 8 ساعت + سرد کردن در هوا |
رهاسازی تنش
|
عملیات حرارتی در بازه دمایی 482 الی 649 درجه سانتی‌گراد (900 تا 1200 درجه فارنهایت) و نگهداری به مدت 1 تا 4 ساعت |
شکل‌دهی آلیاژ تیتانیوم 6246
انجام شکل‌دهی سرد و گرم بر روی آلیاژ Ti-6Al-2Sn-4Zn-6Mo امکان‌پذیر است و مشخصات آن، معادل یک چهارم و یک هشتم سختی فولاد زنگ نزن می‌باشد.
در شکل‌دهی گرم آلیاژ تیتانیوم 6246 هم برگشت فنری (springback) و هم نیروی موردنیاز شکل‌دهی کاهش می‌یابد و شکل‌پذیری کلی مواد بیشتر می‌گردد.
مشخصات شکل‌دهی سرد این آلیاژ مشابه با فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی است. در عملیات‌های شکل‌دهی چندگانه، توصیه می‌شود از عملیات حرارتی رهاسازی تنش میانی برای جبران تمایل آلیاژ به کارسختی استفاده گردد. عملیات حرارتی آنیل بعد از شکل‌دهی نیز می‌تواند در دوباره به دست آمدن مشخصات اجرایی و کاربردی مناسب، موثر باشد.
عملیات فورج آلیاژ تیتانیوم 6246
فرایند فورج برای آلیاژ Ti-6Al-2Sn-4Zn-6Mo در بازه دمایی 871 الی 899 درجه سانتی‌گراد (1600 تا 1650 درجه فارنهایت) آغاز می‌گردد و در بازه دمایی 843 الی 899 درجه سانتی‌گراد (1550 تا 1650 درجه فارنهایت) به اتمام می‌رسد.
ماشینکاری آلیاژ تیتانیوم 6246
تجربه نشان داده که ماشینکاری تیتانیوم و آلیاژهای مختلف آن مثل آلیاژ Ti 6246 همواره با چالش‌های مختلفی همراه است. اپراتورهای با تجربه مشخصات ماشینکاری این مواد را با فولاد زنگ‌نزن 316 مقایسه می‌کنند. به منظور مقابله با چالش‌های ماشینکاری تیتانیوم، باید برخی اصول را رعایت کرد. در ادامه به بیان این اصول می‌پردازیم.
- استفاده از سرعت آهسته برش
- بهره‌گیری از نرخ تغذیه زیاد
- بهره‌گیری از سیال برش فراوان
- استفاده از خنک‌کننده (تیتانیوم هدایت حرارتی کمی دارد و به همین دلیل ممکن است در حین ماشینکاری، حرارت در آن متجمع گردد)
- رعایت مسائل ایمنی به ویژه در خصوص براده‌های تیتانیوم (این براده‌ها قابلیت آتش گرفتن دارند.)
تیتانیوم و آلیاژهای آن، هدایت حرارتی پایینی دارند و از لحاظ شیمیایی نیز، می‌توانند با بسیاری از مواد ابزار واکنش دهند. بنابراین در ماشینکاری آن‌ها، سایش ابزار برش به دلیل دمای بالا برش و چسبندگی قوی در فصل مشترک ابزار-براده و فصل مشترک قطعه کار-ابزار، سرعت بسیار بالایی دارد.
تحقیقات زیادی بر روی ماشینکاری تیتانیوم و آلیاژهای آن انجام شده است و نتایج نشان داده سرعت برش در زمان استفاده از کاربید سمنتیت گرید اصلی، نباید از m/min 45 فراتر رود.
همچنین مشاهدات ثابت کرده که در زمان برش آلیاژهای تیتانیوم با سرعت بالا، به دلیل دمای زیاد تولید شده که عموماً در لبه برش و نزدیک به دماغه متمرکز است، تغییر شکل پلاستیک در لبه برش رخ می‌دهد. به همین دلیل نباید از سرعتهای بالای برش استفاده کرد.
جوشکاری آلیاژ تیتانیوم 6246
در خصوص جوشکاری آلیاژ Ti-6Al-2Sn-4Zn-6Mo باید به این موضوع اشاره کرد که آلیاژ مذکور، جوش‌پذیری محدودی دارد. آلیاژ Ti-6246 یک نوع آلیاژ آلفا+بتا است که ترکیبی از استحکام، تافنس (چقرمگی)، قابلیت سختی‌پذیری، مقاومت خزشی و مقاومت به رشد ترک بالا را دارد. این آلیاژ در ساخت دیسک‌های کمپرسور و موتورهای فن در بازه دمایی 400 تا 540 درجه سانتی‌گراد برای تحمل بار طولانی مدت و کوتاه مدت مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این وجود تحقیقات زیادی بر روی جوشکاری آلیاژ تیتانیوم 6246 صورت نگرفته است و همچنین پژوهش‌ها بر جوشکاری پرتو الکترونی آن نیز محدود می‌باشد.
در بین روش‌های مختلف جوشکاری، تکنیک جوشکاری پرتو الکترونی (EBW) موثرترین تکنیک برای جلوگیری از انحلال عناصر مضر مثل اکسیژن، نیتروژن، کربن و هیدروژن در گازهای اتمسفر است. همچنین در این تکنیک، وجود چگالی انرژی بالا و حرارت ورودی کم، منجر به افزایش نسبت عمق به عرض، ایجاد یک ناحیه متأثر از حرارت (HAZ) کوچک، تنش باقیمانده کم و اعوجاج اندک در ماده می‌شود. تمامی این ویژگی‌ها باعث شده که تکنیک EBW یک روش امیدوارکننده برای اتصال و جوشکاری آلیاژهای تیتانیوم باشد.
در سال 2020 تحقیقی بر روی ریزساختار و خواص مکانیکی آلیاژ Ti-6246 جوشکاری شده به روش EBW، انجام گردید. نتایج به دست آمده از این تحقیق، بدین شرح هستند:
- منطقه جوش EBW در آلیاژ تیتانیوم 6246، شامل ناحیه متأثر از حرارت (HAZ)، ناحیه ذوب (FZ) و فلز پایه (BM) بوده و فازهای آلفا و بتا با استفاده از آنالیز XRD صرفا در ناحیه FZ مشاهده شده است.
- عملیات حرارتی تنش‌زدایی بعد از جوشکاری نیز منجر به رسوب صفحات ثانویه و کوچک آلفا در زمینه بتا در ناحیه HAZ و FZ شده و دانسیته و ضخامت صفحات آلفا در زمان تغییر دمای عملیات تنش‌زدایی از 545 تا 645 درجه سانتی‌گراد، افزایش پیدا کرده است.
- سختی آلیاژ Ti-6Al-2Sn-4Zn-6Mo با کاهش فاصله تا مرکز جوش، افزایش یافته و در شرایط جوشکاری و در ناحیه FZ به حداکثر مقدار خود یعنی HV405 رسیده است.
- عملیات تنش‌زدایی بعد از جوشکاری در دمای 595 درجه سانتی‌گراد، منجر به افزایش بیشتر سختی در ناحیه HAZ و FZ گردیده است اما از طرفی زمانی که دمای عملیات تنش‌زدایی تا 645 درجه سانتی‌گراد افزایش پیدا کرد، کاهش در میزان سختی دیده شده است.
- بر روی نمونه‌های جوش آلیاژ تیتانیوم 6246، آزمون کشش انجام گرفت و نمونه‌های جوش در طول آزمایش، دچار تغییرشکل غیریکنواخت شدند. مانع اصلی تغییر شکل برای فلز پایه، فصل مشترک‌های صفحات آلفا/بتا بودند؛ درحالی که در ناحیه FZ، مانع اصلی تغییرشکل، مرزدانه‌های بتا و فصل مشترک‌های آلفا ثانویه/بتا تشخیص داده شدند.