تیتانیوم گرید 6 (Ti CP-Gr6)
آلیاژ تیتانیوم گرید 6 که با عنوان Ti5Al2.5Sn نیز شناخته میشود، یکی از مهمترین گریدهای آلیاژ تیتانیوم است که استحکام بالایی دارد و عموماً برای ساخت ایرفریم و موتور جت مورد استفاده قرار میگیرد. آلیاژ تیتانیوم گرید 6 از جوشپذیری بسیار مناسبی برخوردار است. این آلیاژ همچنین پایداری مطلوبی دارد و در مقابل اکسیداسیون در دماهای بالا (600 تا 1000 درجه فارنهایت) پایداری خیلی خوبی از خود نشان میدهد. این آلیاژ به اشکال و فرمهای مختلفی از جمله ورقه، میله، شمش، صفحه، سیم، ریختهگری و قطعات اکسترود شده در دسترس میباشد.
آلیاژ تیتانیوم گرید 6 در دسته آلیاژهای آلفا تیتانیوم قرار میگیرد. این آلیاژ قابل پیرسختی نیست و در مقابل خطراتی مثل خزش نیز مقاومت مطلوبی از خود نشان میدهد.
عنصر آلومینیوم در پایدارسازی فاز آلفا دارای نقش بسیار مهمی میباشد و به همین دلیل آلیاژ تیتانیوم گرید 6، نوعی آلیاژ آلفا است. قلع به عنوان یک عنصر آلیاژی، تأثیری در پایدارسازی فازهای آلفا و بتا ندارد.
ترکیب شیمیایی Ti Grade 6 (تیتانیوم گرید 6)
Hydrogen
H
0/02 |
Nitrogen
N
0/05 |
Carbon
C
0/10 |
Oxygen
O
0/20 |
Iron
Fe
0/50 |
Tin
Sn
2/00-3/00 |
Aluminium
Al
4/50-5/75 |
Titanium
Ti
Balance |
خواص مکانیکی Ti Grade 6 (تیتانیوم گرید 6)
| سختی (HV) |
مدول الاستیک (GPa) |
درصد تغییر طول در 50 میلیمتر (2 اینچ) |
استحکام تسلیم (MPa) |
استحکام کششی (MPa) |
| 330-350 |
110 |
16 |
900 |
970 |
خواص فیزیکی Ti Grade 6 (تیتانیوم گرید 6)
| چگالی تیتانیوم Ti-Gr6 (g/cm3) |
مقاومت الکتریکی (cm/Ωµ) |
نقطه ذوب (ºC) |
(J/mol.°C) ظرفیت گرمایی ویژه |
| 4/48 |
|
|
|
خواص خوردگی Ti Grade 6 (تیتانیوم گرید 6)
| 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) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
خواص حرارتی و اکسیداسیون Ti Grade 6 (تیتانیوم گرید 6)
| حداکثر دمای کاری تیتانیوم ºC ،Gr6 |
ضريب هدايت حرارتی تیتانیوم Gr6، W/m.K |
ضریب انبساط حرارتی، °C / |
پیوسته
-- |
ناپیوسته
600 |
7/8 |
|
استانداردهای Ti Grade 6 (تیتانیوم گرید 6)
|
نامهای دیگر
|
ASTM
|
AMS
|
UNS
|
EN Chemical Designation
|
EN Numeric Designation
(DIN)
|
AISI
|
|
Ti 5Al 2/5Sn
|
|
|
R54520
|
|
3.7115
|
|
ویژگیهای کلیدی Ti Grade 6 (تیتانیوم گرید 6)
- استحكام بالاتر نسبت به تيتانيوم خالص تجاری
- دارای مقاومت به خوردگی كمتر نسبت به تيتانيوم غير آلياژی
- قابل جوشكاری
- دارای قابلیت عمليات حرارتی
- دارای قابلیت جوشکاری و پایداری و مقاومت به اکسیداسیون در دماهای بالا
- فورج این آلیاژ به دلیل محدوده باریک فورجپذیری آن و افت شدید استحکام تسلیم بسیار مشکل است.
مقاومت به خوردگی آلیاژ تیتانیوم گرید 6
به طور کلی آلیاژهای تیتانیوم مثل آلیاژ تیتانیوم گرید 6، مقاومت بسیار خوبی در مقابل طیف وسیعی از محیطها و شرایط شیمیایی دارند و دلیل اصلی این موضوع، وجود یک لایه اکسید محافظ و نامرئی است که ضخامت اندکی هم دارد. این لایه اکسیدی عموماً به صورت TiO2 است و چسبندگی زیادی نیز دارد. از دیدگاه شیمیایی، لایه اکسیدی محافظ اگر به دلایلی همچون صدمات مکانیکی آسیب ببنید، در صورت وجود مقدار اندکی اکسیژن و یا رطوبت میتواند در کوتاهترین زمان ممکن خود را ترمیم سازد.
وجود لایه اکسیدی محافظ بر روی سطح آلیاژهای تیتانیوم، میتواند موجب بهبود مقاومت در شرایط احیایی ملایم تا اکسیداسیون شدید شود. این لایه همچنین در افزایش مقاومت در محیطهای بسیار اسیدی تا نسبتاً قلیایی حتی در دماهای بالا، تأثیر مثبتی دارد.
آلیاژهای تیتانیوم مقاومت فوقالعادهای در برابر فرسایش، خوردگی فرسایشی، پدیده کاویتاسیون و تلاطم سیالها دارند.
از طرفی مقاومت مفید آلیاژهای تیتانیوم در محیطهای اسیدی بسیار قوی و بسیار احیایی مانند محلولهای با غلظت متوسط یا زیاد حاوی هیدروبرمیک اسید (HBr)، هیدروکلریک اسید (HCl)، سولفوریک اسید (H2SO4)، فسفریک اسید (H3PO4) و همچنین محلول هیدروفلوئوریک اسید (HF) در تمامی غلظتها، محدود است.
به طور کلی آلیاژهای تیتانیوم عموماً در طیف وسیعی از محیطهای شیمیایی و دماها و از این بابت نسبت به برخی فولادهای زنگنزن، آلومینیوم، مس و آلیاژهای پایه نیکل عملکرد بهتری دارد.
مقاومت به اکسیداسیون آلیاژ تیتانیوم گرید 6
یکی از ویژگیهای بسیار مهم آلیاژ تیتانیوم گرید 6، عملکرد مناسب آن در دماهای بالا و مقاومت در برابر اکسیداسوین در بازه دمایی 600 تا 1000 درجه فارنهایت (315 تا 538 درجه سانتیگراد) است. اکسیداسیون یکی از مهمترین مکانیزمهای خوردگی داغ محسوب میشود و از جمله خطرات مهم صنعتی است. خوردگی داغ در دماهای بالا رخ میدهد و در اثر آن لایه Passive یا غیرفعال و محافظ موجود بر روی فلز و آلیاژ از بین میرود. دلیل این موضوع، تشکیل ترکیبات مختلف هالیدی، کربناتی، اکسیدی، نیتریدی، سولفاتی و... و ذوب آنها است. در چنین شرایطی احتمال زیادی برای تخریب فلز و آلیاژ وجود دارد.
خواص مکانیکی آلیاژ تیتانیوم گرید 6
آلیاژ تیتانیوم گرید 6 یا Ti-5Al-2.5Sn خواص مکانیکی مطلوبی دارد و استحکامهای کششی و تسلیم آن، به ترتیب برابر با MPa 972 و MPa 897 هستند. این آلیاژ همچنین در مقابل خزش نیز دارای مقاومت مطلوبی میباشد و عملکرد مناسبی در دماهای بالا دارد.
به طور کلی آلیاژهای تیتانیوم دارای مدول الاستیک کمی هستند و مدول آنها، تقریباً نصف فولادها و آلیاژهای پایه نیکل است. در عین حال این آلیاژها، عموماً استحکام بالایی دارند و این یک مزیت برای آنها محسوب میشود.
یکی از مهمترین ویژگیهای تیتانیوم و آلیاژهایش نظیر Ti grade 6، نسبت استحکام به وزن بالای آنها است. به این نسبت، استحکام ویژه نیز میگویند. دانسیته یا چگالی تیتانیوم در حدود 56 درصد از فولادها کمتر است و در مقایسه با آلیاژهای پایه نیکل و آلیاژهای مس نیز تقریباً نصف آنها میباشد. با این تفاسیر، تیتانیوم و آلیاژهای در زمان آسیاب در مقایسه با فلزات دیگر، هزینه بهتری دارند.
در خصوص آلیاژ Ti grade 6 توجه داشته باشید که فورج این آلیاژ، بسیار دشوار است و محدوده فورجپذیری آن بسیار محدود میباشد.
بررسی ریزساختار آلیاژ تیتانیوم گرید 6
آلیاژهای تیتانیوم در یک دستهبندی کلی به سه گروه آلیاژ آلفا، آلیاژ آلفا-بتا و آلیاژ بتا تقسیم میشوند. آلیاژ تیتانیوم گرید 6 در گروه آلیاژهای آلفا قرار میگیرد. عناصر آلیاژی موجود آلیاژهای تیتانیوم میتوانند بر ریزساختار آنها تأثیر مهمی بگذارند. بر این اساس عناصر آلیاژی در Titanium alloys به سه گروه پایدارکننده آلفا، پایدار کننده بتا و خنثی تقسیم میشوند. در جدول 2 (Table 2) تقسیمبندی عناصر آلیاژی و نحوه تأثیر هریک از آنها بر فازهای آلفا و بتا به نمایش درآمده است.
این جدول همچنین موقعیت عناصر آلیاژی را در شبکه کریستالی آلیاژ مشخص میکند. این عناصر میتوانند به صورت بیننشین یا جانشینی باشند.
عناصر پایدارکننده آلفا، عناصری هستند که دمای استحاله بتا یا بتا ترانسوس را افزایش میدهند. میزان این دما برابر با 882 درجه سانتیگراد یا 1620 درجه فارنهایت است. در نقطه مقابل عناصر پایدارکننده بتا، موجب کاهش دمای مذکور میشوند. عناصر پایدارکننده بتا خود شامل دو گروه بتا-ایزومورف و بتا-یوتکتوئید هستند. گروه اول در بهبود پایداری فاز بتا در تمام ترکیبات آلیاژ موثر هستند؛ درحالی که گروه دوم باعث دگرگونی یوتکتوئیدی میشوند که در شکل 2 (Figure 2) میتوان این موضوع را مشاهده کرد.
 |
عنصر آلومینیوم مهمترین عنصر پایدارکننده فاز آلفا محسوب میشود. از طرفی مولیبدن نیز مهمترین عنصر پایدارکننده فاز بتا است. در آلیاژ تیتانیوم گرید 6، به میزان 4 تا 6 درصد آلومینیوم وجود دارد و همین موضوع تأثیر بسزایی در پایداری فاز آلفا برای آلیاژ گرید 6 داشته است. مطابق جدول 2، میتوان دریافت که عنصر قلع، یک عنصر خنثی محسوب میشود و تأثیری بر پایداری فاز آلفا یا بتا ندارد.
در بین پایدارکنندههای آلفا، معیار برای تعیین میزان ظرفیت نسبی عناصر آلیاژی جهت پایدارسازی فاز آلفا، عنصر آلومینیوم است. چنین موضوعی برای پایدارکنندههای بتا در خصوص عنصر مولیبدن صدق میکند.
به غیر از عنصر آلومینیوم، عناصر بیننشینی همچون اکسیژن، نیتروژن و کربن نیز تمایل به پایدارسازی آلفا دارند. عناصر آلیاژی مثل کروم، نئوبیوم، مس، منگنز، آهن، تانتالیوم و وانادیم دارای تأثیری مشابه با مولیبدن هستند و به پایداری فاز بتا کمک میکنند.
ویژگیهای آلیاژهای آلفا
آلیاژهای آلفا نظیر Ti-5Al-2.5Sn جوشپذیری بسیار خوبی از خود نشان میدهند. میزان آلومینیوم در این آلیاژها عموماً زیاد است. این موضوع باعث میشود تا آلیاژهای آلفا استحکام بسیار خوبی داشته باشند و از طرفی رفتار مقاومتی مطلوبی نیز از خود در برابر اکسیداسیون در بازه دمایی 316 الی 593 درجه سانتیگراد (600 تا 1100 درجه فارنهایت) نشان دهند.
به طور کلی آلیاژهای آلفا را نمیتوان با هدف افزایش استحکام، تحت عملیات حرارتی قرار داد زیرا به صورت تکفاز هستند. به همین دلیل انجام عملیات پیرسختی برای آلیاژ Ti grade 6، امکانپذیر نیست.
آلیاژهای آلفا از محلول جامد منفرد یا مجزا آلفا تشکیل شدهاند. این آلیاژها عموماً در صنایع مهندسی پردازشهای شیمیایی که نیاز مبرم به مقاومت به خوردگی و تغییرشکلپذیری وجود دارد، مورد استفاده قرار میگیرند.
توجه داشته باشید که آلیاژهای شبه آلفا (Near-α alloys) با آلیاژهای آلفا تفاوت دارند. این آلیاژها علاوه بر فاز آلفا، دارای میزان اندکی فاز بتا (کمتر از 10 درصد) نیز هستند. در ترکیب شیمیایی Near-α alloys، به مقدار بسیار کمی (1 تا 2 درصد) عناصر پایدارکننده بتا وجود دارد. فاز بتا موجب بهبود استحکام و کارپذیری آلیاژ شبه آلفا شده و باعث ایجاد یک تعادل میان استحکام بالاتر آلیاژهای β + α و مقاومت به خزش آلیاژهای α میگردد. امروزه دمای عملیاتی آلیاژهای شبه آلفا در حدود 500 تا 550 درجه سانتیگراد است. این مواد گزینههای بسیار مناسبی برای ساخت موتورهای هوایی محسوب میشوند.
تأثیر ریزساختار بر خواص آلیاژ تیتانیوم گرید 6
خواص مکانیکی آلیاژهای تیتانیوم از جمله گرید 6 به خواص فازهای آلفا و بتا، آرایش یا چیدمان و کسرحجمی آنها بستگی دارد. به عنوان مثال، فاز آلفا داری چگالی کمتری در قیاس با فاز بتا است زیرا به طور کلی عنصری مثل آلومینیوم که در آلیاژهای آلفا، عنصر آلیاژی غالب محسوب میشود، چگالی کمتری نسبت به عنصر غالب آلیاژهای بتا یعنی مولیبدن دارد. بنابراین چگالی آلیاژهای آلفا از بتا، اندکی کمتر است.
ساختارهای ریزدانه موجب افزایش استحکام و انعطافپذیری میشوند و همچنین در به تاخیر افتادن جوانهزنی ترک نیز موثر هستند. از طرفی ساختارهای درشتدانه برای بهبود مقاومت خزشی و مقاومت در برابر رشد ترکهای خستگی گزینه بهتری محسوب میشوند.
در جدول 4 (Table 4) خواص مکانیکی برخی از مهمترین عناصر آلیاژی در آلیاژهای تیتانیوم به نمایش درآمده است. همچنین ترکیب شیمیایی و دمای استحاله بتا نیز قابل مشاهده میباشد.
 |
مطابق جدول 4، دمای استحاله بتا برای Ti grade 6، برابر با 1040 درجه سانتیگراد میباشد که نسبت به 882 درجه سانتیگراد در تیتانیوم خالص، میزان بیشتری است. در حقیقت وجود عنصر آلومینیوم که پایدارکننده فاز آلفا محسوب میشود، باعث افزایش دمای استحاله بتا شده است.
فرآیندهای ساخت و تولید تیتانیوم گرید 6 (Ti CP-Gr6)
عملیات حرارتی و شکلدهی آلیاژ تیتانیوم گرید 6
عملیات حرارتیهای مورد استفاده برای آلیاژ تیتانیوم گرید 6 شامل عملیات آنیل و رهاسازی تنش هستند. نحوه انجام این عملیاتها در جدول 2، آورده شده است. توجه داشته باشید که آلیاژ Ti grade 6 قابلیت عملیات پیرسختی ندارد.
عملیات حرارتیهای مورد استفاده برای آلیاژ Ti grade 6
| عملیات حرارتی |
شرح |
| آنیل |
حرارتدهی در دمای 718 تا 843 درجه سانتیگراد (1325 تا 1550 درجه فارنهایت) و نگهداری به مدت 10 دقیقه تا 4 ساعت + سرد کردن در هوا |
| رهاسازی تنش |
حرارتدهی در دمای 538 الی 650 درجه سانتیگراد (1000 تا 1200 درجه فارنهایت) و نگهداری به مدت 15 دقیقه تا 1 ساعت + سرد کردن در هوا
|
عملیات فورج این آلیاژ نیز در بازه دمایی 1010 تا 1030 درجه سانتیگراد (1850 الی 1900 درجه فارنهایت) آغاز میگردد و در گستره دمایی 954 الی 1010 درجه سانتیگراد (1750 تا 1850 درجه فارنهایت) پایان مییابد.
ماشینکاری آلیاژ تیتانیوم گرید 6
گریدهای مختلف تیتانیوم تجاری خالص و همچنین آلیاژهای آن، ویژگیها و مشخصات ماشینکاری یکسانی ندارند. با این حال مشخصات ماشینکاری آنها، غالباً شبیه به فولادهای زنگنزن است.
وجود رسانایی حرارتی پایین در تیتانیوم (مشابه فولاد زنگنزن) موجب جلوگیری از اتلاف و عبور گرما از قطعه کار میشود؛ به همین دلیل باید در ماشینکاری آن از خنککننده استفاده کرد.
برای ماشینکاری موفق آلیاژهای تیتانیوم، رعایت برخی نکات اهمیت زیادی دارد. این نکات بدین شرح هستند:
- استفاده از ابزار تیز به منظور به حداقل رساندن تجمع گرما و گالینگ (این پدیده در اثر سایش و تماس فلزات رخ میدهد و تأثیر منفی بر خواص دارد.)
- استفاده از تجهیزات صلب بین ابزار و قطعه کار به منظور مقابله با خمش قطعه کار
- بهرهگیری از سیال برش به میزان زیاد با هدف به حداکثر رساندن حذف گرما
- استفاده از سرعت برش کم
- بهرهگیری از نرخ تغذیه بالا
- پرهیز از وقفه در تغذیهگذاری
- حذف منظم چرخشها از ماشیکاری