یکی از زمینههای کاربردی مهم برای آلیاژهای تیتانیوم مثل آلیاژ Ti-6242، ساخت قطعات مختلف موتور توربین گازی است. تقریباً یک سوم از وزن سازه موتور توربینهای مدرن با بهرهگیری از آلیاژهای تیتانیوم ساخته میشود. این آلیاژها در کنار سوپرآلیاژهای پایه نیکل، گزینههای استانداردی برای استفاده در موتور محسوب میگردند.
نخستین موتورهای جت در اوایل سال 1950 توسط پرت و ویتنی (Pratt & Whitney) در آمریکا و شرکت رولز- رویز (Rolls-Royce) در انگلستان معرفی شدند که شامل آلیاژ تیتانیوم بودند. مطابق شکل 7 (Fig 7.) از آن زمان به بعد، میزان استفاده از تیتانیوم به طور یکنواخت در موتور جت افزایش پیدا کرد.
 |
پرههای کمپرسور اولین اجزایی از موتور توربین بودند که با استفاده از تیتانیوم ساخته شدند. دیسکهای کمپرسور تیتانیومی نیز بعدها معرفی گردیدند. آلیاژهای شبه آلفا مثل آلیاژ تیتانیوم 6242، برای استفاده در ساخت کمپرسوهای تحت فشار بالا در دمای زیاد، گزینههای مناسبی محسوب میشوند.
امروزه حداکثر دمای قابل تحمل برای آلیاژهای شبه آلفا، در حدود 540 درجه سانتیگراد است. در این محدوده، خواصی مثل استحکام دمای بالا و مقاومت خزشی در شرایط مطلوبی قرار دارند. در آلیاژهای شبه آلفا مثل Ti-6242، مقاومت به اکسیداسیون در مقایسه با سوپرآلیاژهای پایه نیکل، در حد متوسط است. در سرویسدهیهای طولانی مدت در دماهای بالا، بر روی سطح آلیاژهای تیتانیوم، یک لایه اکسیدی به وجود میآید که آن را پوسته آلفا مینامند. این لایه حالت تردی دارد که دارای فاز آلفا است و باعث غنی شدن ساختار از اکسیژن میشود. پیامد چنین موضوعی، کاهش شدید در انعطافپذیری و استحکام خستگی است.
تفاوت و شباهت آلیاژ تیتانیوم 6242 با تیتانیوم 6246
آلیاژ تیتانیوم 6246 یکی دیگر از آلیاژهای مهم تیتانیوم محسوب میشود که از برخی جهات، مشابه آلیاژ تیتانیوم 6242 است. هر دو آلیاژ به ترتیب به مقادیر 6 درصد، 2 درصد و 4 درصد عناصر آلومینیوم، قلع و زیرکونیوم را در ساختار خود دارند. همچنین هر دو آلیاژ مقاومت و پایداری حرارتی مناسبی از خود در دماهای بالا نشان میدهد و مقاومت به خزش آنها نیز مناسب است. مقاومت به خستگی مطلوب، چگالی کم و نسبت استحکام به وزن بالا از جمله سایر شباهتهای مهم دو آلیاژ تیتانیوم 6242 و 6246 محسوب میشوند. اما این دو آلیاژ، تفاوتهای مهمی نیز دارند که در ادامه به بررسی آنها میپردازیم.
تفاوت در میزان مولیبدن
میزان مولیبدن در آلیاژ تیتانیوم 6242، برابر با 2 درصد و برای آلیاژ 6246 برابر با 6 درصد است. مولیبدن یکی از عناصر مهم آلیاژی محسوب میشود که تأثیر خیلی خوبی در بهبود خواص مکانیکی مثل مقاومت خزشی دارد. همچنین این عنصر در بهبود خوردگی نیز بسیار موثر است. وجود 6 درصد مولیبدن در آلیاژ تیتانیوم 6246، باعث شده تا این آلیاژ مقاومت به خوردگی بسیار خوبی در مقایسه با آلیاژ Ti-6246 داشته باشد. مولیبدن به طور ویژه در افزایش مقاومت در مقابل گاز ترش یا سولفید هیدروژن (H2S) تأثیر قابل توجهی دارد. به همین دلیل میتوان از آلیاژ 6246 در محیطهای گاز ترش مثل چاههای عمیق استفاده کرد. آلیاژ 6246 همچنین در صنایع ساحلی و زیردریایی نیز کاربرد دارد و تمام این مسائل به دلیل وجود مولیبدن زیاد و مقاومت به خوردگی عالی آن است.
تفاوت در ریزساختار بین آلیاژ تیتانیوم 6242 و 6246
ریزساختار آلیاژ تیتانیوم 6246، از نوع آلفا-بتا است و به همین دلیل قابلیت عملیات حرارتی خوبی دارد و با استفاده از عملیاتی مثل پیرسازی، میتوان استحکام آن را بهبود بخشید. از طرفی آلیاژهای آلفا-بتا جوشپذیری محدودی دارند و میزان عناصر پایدارکننده فاز بتا در آنها، بین 4 تا 12 درصد است.
آلیاژ تیتانیوم 6242 از نوع تکفاز بوده به صورت شبهآلفا است. به همین دلیل امکان استحکامبخشی این آلیاژ با عملیات پیرسازی، وجود ندارد اما از طرفی جوشپذیری آن خوب است.
خواص خزشی آلیاژ تیتانیوم 6242
آلیاژ تیتانیوم 6242 خواص خزشی خیلی خوبی دارد و پایداری حرارتی آن تا دمای حدود 550 درجه سانتیگراد، عالی است. خزش یکی از خطرات رایج در صنایعی مثل توربین گازی محسوب میشود و در دماهای بالاتر از حدود نصف دمای ذوب فلزات رخ میدهد. تغییرشکل ناشی از خزش با زمان تغییر میکند و میتواند عامل تخریب قطعات حساس باشد. عوامل مختلفی در بهبود مقاومت خزشی آلیاژها نقش دارند که یکی از مهمترین آنها، ترکیب شیمیایی است. وجود عناصر دیرگداز در ترکیب شیمیایی آلیاژ، مقاومت خزشی را بهبود میدهد. همچنین عنصر زیرکونیوم نیز یک عنصر مفید برای افزایش استحکام و عمر خزشی محسوب میشود.
مقایسهای از نمودار استحکام برحسب پارامتر لارسون-میلر و دما برای آلیاژ Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-Si با آلیاژهای تیتانیوم
مقاومت به خوردگی آلیاژ تیتانیوم 6242
به طور کلی تیتانیوم و آلیاژهای آن مثل Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-Si، مقاومت خیلی خوبی در مقابل خوردگی دارند و دلیل اصلی این موضوع، تشکیل لایه اکسیدی محافظ بر روی آنها میباشد. این لایه از لحاظ شیمیایی، بسیار پایدار است و چسبندگی زیادی دارد و میتواند از سطح فلز و آلیاژ به صورت مداوم در برابر خوردگی محافظت کند.
تیتانیوم به صورت ذاتی فلز واکنشپذیر و فعالی محسوب میشود و تمایل زیادی به واکنش با اکسیژن دارد. چنین ویژگی باعث میشود که زمانی که فلز در معرض هوا یا رطوب قرار بگیرد، به سرعت و به صورت خود به خودی لایه اکسیدی Passive یا غیرفعال و محافظ بر روی سطح آن تشکیل گردد. نکته جالبتر، قابلیت بازسازی سریع لایه اکسیدی میباشد که در صورت آسیب، حتی با وجود مقدار اندکی آب یا رطوبت خود را ترمیم کند. آلیاژ تیتانیوم 6242 نیز به دلیل تشکیل لایه اکسیدی به خوبی میتواند در برابر خوردگی مقاومت کند.
مشکل اصلی در خوردگی آلیاژهای تیتانیوم، ضعف آنها در خوردگی شیاری است که در محیطها و شرایط راکد رخ میدهد. عوامل مختلفی در مقاومت به خوردگی آلیاژهای تیتانیوم مثل آلیاژ Ti-6242 نقش دارند که یکی از مهمترین آنها، عناصر آلیاژی است. در ادامه به طور دقیقتر به بررسی این موضوع میپردازیم.
اثر عنصر آلیاژی بر مقاومت به خوردگی آلیاژ تیتانیوم 6242
همانطور که پیشتر ذکر شد، فیلماکسیدی تشکیل شده بر روی آلیاژهای تیتانیوم مثل آلیاژ تیتانیوم 6242، تأثیر زیادی بر بهبود مقاومت به خوردگی آلیاژ دارد و ماهیت آن در صورت وجود درصد اندکی از عناصر آلیاژی، بدون تغییر باقی میماند. به همین دلیل افزودن مقادیر اندک (کمتر از 2 تا 3 درصد) از بیشتر عناصر آلیاژی تجاری یا ناخالصیهای آلیاژی کمیاب، تأثیر قابل توجهی بر مقاومت اولیه تیتانیوم در محیطهای عادی نمیگذارد. به عنوان مثال با وجود تفاوت اندک میان عناصر بین نشین موجود در گریدهای غیرآلیاژی تجاری (کربن، اکسیژن و نیتروژن) و همچنین مقدار آهن، مقاومت به خوردگی این گریدها تقریباً یکسان است و نرخ خوردگی آنها معمولاً مقدار اندکی میباشد.
جالب است بدانید که در شرایط فعال که در آن تیتانیوم مقاومت به خوردگی قابل توجهی را از خود نشان میدهد، افزودن برخی از عناصر حتی میتواند موجب افزایش سرعت خوردگی میشود. به عنوان مثال، افزایش مقدار آهن و گوگرد در صورت عبور نرخ خوردگی از 13/0 میلیمتر در سال، باعث افزایش نرخ خوردگی میگردد.
از طرفی دیگر، برخی عناصر آلیاژی میتوانند تأثیر بهسزایی در افزایش مقاومت به خوردگی بگذارند. به طور مثال افزودن مقدار اندکی از عناصر نیکل و پالادیم، مقاومت آلیاژ تیتانیوم را در شرایط احیایی به طور قابل توجهی افزایش میدهد (توجه داشته باشید که تیتانیوم معمولاً در شرایط احیایی رفتار حفاظتی ضعیفی دارد.) همچنین مقدار کم از پالادیوم میتواند مقاومت در برابر خوردگی شیاری را کلریدهای داغ آبی افزایش دهد.
تحقیقات زیادی بر روی تأثیر برخی عناصر آلیاژی مخصوص، بر رفتار خوردگی شیاری آلیاژهای مختلف تجاری تیتانیوم در محیطهای اسیدی آبی احیایی صورت گرفته است. نتایج نشان داده که افزودن وانادیوم و مخصوصاً افزودن مولیبدن (4 درصد و یا بیشتر) مقاومت به خوردگی را بهبود میدهد و از طرفی افزودن آلومینیوم، اثر مضری دارد.
آلیاژ تیتانیوم 6242، حاوی 8/1 تا 2/2 درصد مولیبدن است. این آلیاژ مقاومت به خوردگی خوبی دارد اما مقاومت آن در مقایسه با آلیاژ تیتانیوم 6246 که بین 5/5 تا 5/6 درصد مولیبدن در آن وجود دارد، ضعیفتر است. وجود مولیبدن زیاد در ساختار آلیاژ Ti-6246، باعث بهبود مقاومت به خوردگی به ویژه در محیط گاز ترش یا سولفید هیدروژن میشود.
بررسی ریزساختار آلیاژ تیتانیوم 6242
ریزساختار آلیاژ تیتانیوم 6242 از نوع شبه آلفا است. آلفا و بتا دو فاز اصلی در ریزساختار تیتانیوم محسوب میشوند که هرکدام ویژگیهای خاص خود را دارند. این ویژگیها و مشخصات عبارتند از:
- فاز آلفا: پایداری در دماهای اتاق و تا دمای 882 درجه سانتیگراد (برای تیتانیوم خالص)، ساختار شبکهای هگزاگونال و hcp
- فاز بتا: پایداری از دمای 882 درجه سانتیگراد (برای تیتانیوم خالص) دارای ساختار شبکهای مکعبی bcc.
به ترتیب سلول واحد مربوط به ساختار hcp فاز آلفا و فاز بتا با شبکه bcc
دمای استحاله تبدیل آلفا به بتا تحت تأثیر افزودن عناصر آلیاژی، میتواند تغییر کند. برخی از عناصر موجب افزایش این دما میشوند که اصطلاحاً به آنها، عناصر پایدارکننده آلفا میگویند. آلومینیوم مهمترین عنصر پایدارکننده آلفا در آلیاژهای تیتانیوم محسوب میشود که در آلیاژ تیتانیوم 6242، به میزان 5/5 تا 5/6 درصد از آن در ساختار ماده وجود دارد. این عنصر به صورت جانشینی در شبکه قرار میگیرد. عناصر بیننشینی مثل کربن، نیتروژن و اکسیژن نیز میتوانند به پایداری فاز آلفا کمک کنند.
عناصری که باعث کاهش دمای استحاله تبدیل آلفا به بتا میشوند، عناصر پایدارکننده بتا نام دارند که مشهورترین آنها مولیبدن است. عناصری مثل کروم، وانادیوم، مس و آهن نیز دارای تأثیر مشابهی هستند.
برخی عناصر مثل زیرکونیوم و قلع نیز تأثیری بر دمای استحاله آلفا به بتا نمیگذارند و به نوعی از ین بابت خنثی هستند.
با توجه به عناصر آلیاژی و ویژگیهای ریزساختاری، آلیاژهای تیتانیوم شامل سه گروه کلی آلفا، آلفا-بتا و بتا هستند.
ویژگیهای ریزساختاری آلیاژ تیتانیوم 6242
آلیاژ آلفا خود شامل زیرمجموعههای مهمی مثل شبه آلفا است. در این آلیاژها جوشپذیری مطلوب یکی از مهمترین ویژگیها محسوب میشود. وجود مقدار قابل توجهی از آلومینیوم در ساختار آلیاژهای آلفا، باعث بهبود استحکام میشود که چنین موضوعی را در خصوص آلیاژ Ti-6242 میتوان مشاهده نمود. آلومینیوم همچنین در افزایش مقاومت اکسیداسیون در بازه دمایی 316 تا 590 درجه سانتیگراد نیز تأثیر مثبتی دارد.
در ترکیب شیمیایی آلیاژ تیتانیوم 6242 همانطور که پیشتر ذکر شد، بین 8/1 تا 2/2 درصد مولیبدن موجود است. حال به نظر شما چرا ریزساختار این آلیاژ به صورت آلفا-بتا نیست؟
در پاسخ به این سوال باید بگوییم که میزان مولیبدن و عناصر پایدارکننده بتا در این آلیاژ، مقدار اندکی است. البته در منابع و مقالات قدیمی، آلیاژ تیتانیوم 6242 را در گروه آلیاژهای آلفا-بتا قرار میدادند. تحقیقات نشان داده که آلیاژهای آلفا-بتا بین 4 تا 12 درصد از عناصر پایدارکننده بتا را در ساختار خود دارند. همچنین آلیاژها دارای مشخصات عملیات حرارتی و پیرسازی مناسبی هستند؛ درحالی که آلیاژهای آلفا و شبه آلفا مثل آلیاژ Ti-6242، چنین ویژگی را ندارند.
یکی از مشخصات بسیار مهم در آلیاژهای آلفا و شبه آلفا، وزن کم آنها است. در یک مقایسه کلی، آلومینیوم نسبت به مولیبدن چگالی کمتری دارد و طبیعتاً چگالی آلیاژهای آلفا نیز نسبت به موارد دیگر، کمتر است. البته این تفاوت مقدار جزئی میباشد.