معرفی آلیاژ تیتانیوم

آلیاژ تیتانیوم، ترکیبی از عنصر تیتانیوم با عناصر دیگر مانند آلومینیوم، وانادیم و مولیبدن است که برای بهبود خواص مکانیکی و شیمیایی آن تولید می‌شوند. این آلیاژها، با تحمل دماهای بالا، مقاومت در برابر خوردگی و نسبت استحکام به وزن فوق‌العاده، در صنایع حساس و پیشرفته‌ای مانند هوافضا، نفت و گاز، پزشکی و صنایع دریایی نقش موثری ایفا می‌کنند. ساخت بدنه هواپیماهای جت، ایمپلنت‌های پزشکی، تنها برخی از کاربردهای آلیاژهای تیتانیوم در صنعت است.

آلیاژ تیتانیوم چیست؟

همان‌طور که پیش‌تر اشاره شد آلیاژ تیتانیوم، ترکیبات فلزی از تیتانیوم (عنصر اصلی) و عناصری دیگر مانند آلومینیوم، وانادیم، مولیبدن و قلع است. این عناصر آلیاژی با تیتانیوم ترکیب می‌شوند تا خواص مکانیکی و شیمیایی آن را بهبود بخشند. برای مثال، افزودن آلومینیوم و وانادیم به تیتانیوم، استحکام و سختی آن را افزایش می‌دهد. این آلیاژها به‌خاطر نسبت استحکام به وزن بالا، مقاومت در برابر خوردگی و توانایی تحمل دماهای بالا شناخته می‌شوند.

نحوه ساخت آلیاژهای تیتانیوم

فرایند آلیاژسازی تیتانیوم می‌تواند از روش‌های مختلفی مانند تشکیل محلول جامد یا عملیات حرارتی انجام شود. در روش محلول جامد، عناصر آلیاژی در ساختار تیتانیوم حل می‌شوند و خواص آن را تغییر می‌دهند. عملیات حرارتی نیز با کنترل سرعت سرد کردن آلیاژ، ساختار و در نتیجه خواص مکانیکی آن را تعدیل می‌کند. انتخاب روش مناسب آلیاژسازی بستگی به کاربرد آلیاژ دارد.

خواص و ویژگی‌های تیتانیوم

آلیاژ تیتانیوم خواص خیلی خوبی دارد که در هر صنعت چالشی را برطرف می‌کند. این خصوصیات عبارتند از:
مقاومت به خوردگی

این آلیاژها با مقاومت به خوردگی فوق‌العاده، در برابر محیط‌های خورنده مقاوم هستند.
نسبت استحکام به وزن

دانسیته پایین آلیاژ تیتانیوم، نسبت استحکام به وزن خوبی را ایجاد می‌کند. این خصوصیت در صنایع هوافضا که کاهش وزن اهمیت زیادی دارد، بسیار مطلوب است. به عنوان مثال، در ساخت بدنه هواپیما، استفاده از این آلیاژها منجر به کاهش وزن و در نتیجه صرفه‌جویی در مصرف سوخت می‌شود.
مقاومت به خزش و شوک حرارتی

مقاومت به خزش و شوک حرارتی از دیگر خواص مهم آلیاژ تیتانیوم است. این آلیاژها می‌توانند در دماهای بالا و تحت تنش مداوم، شکل و ابعاد خود را حفظ کنند. همچنین در مقابل تغییرات ناگهانی دما مقاومت خوبی از خود نشان می‌دهند.
سازگاری با بدن

این آلیاژها گزینه‌ای مناسب برای ایمپلنت‌های پزشکی هستند. به دلیل اینکه با محیط بدن سازگاری دارند و آلرژی‌زا نیستند.

انواع آلیاژهای تیتانیوم

انواع آن شامل موارد زیر است:.
تیتانیوم خالص (CP)

تیتانیوم خالص تجاری (CP) در گریدهای مختلفی از جمله گرید 1 تا 4 و گریدهای 7، 11، 16، 17، 26 و 27 دسته‌بندی می‌شود. این گریدها دارای درصد کمی آهن و عناصری مانند هیدروژن، نیتروژن، کربن و اکسیژن هستند. تیتانیوم خالص به‌دلیل شکل‌پذیری بالا، مقاومت به خوردگی و مقاومت به خزش خوب، در کاربردهایی که نیاز به جوشکاری و شکل‌دهی زیاد است، مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این حال، این نوع تیتانیوم قابلیت عملیات حرارتی ندارد.

آلیاژهای آلفا

این آلیاژها با افزودن عناصری مانند آلومینیوم و اکسیژن که باعث پایداری فاز آلفا می‌شوند، تولید می‌شوند. نمونه‌هایی از این آلیاژها شامل Ti-5Al-2.5Sn ELI و Ti-8Al-1Mo-1V هستند. آلیاژهای آلفا نسبت به تیتانیوم خالص استحکام بیشتری دارند، اما مقاومت به خوردگی آنها کمی کمتر است. مانند تیتانیوم خالص، این آلیاژها نیز قابلیت عملیات حرارتی ندارند اما قابل جوشکاری هستند.

آلیاژهای نزدیک به آلفا

این آلیاژها دارای درصد کمی فاز بتا هستند و انعطاف‌پذیری خوبی دارند. آلیاژهایی مانند Titanium Grade 9 و Ti-5Al-1Sn-1Zr-1V-0.8Mo در این دسته قرار می‌گیرند. این آلیاژها استحکام خزشی بهتری نسبت به آلیاژهای آلفا دارند و در دماهای تا 400 درجه سانتی‌گراد استحکام نسبتاً بالایی از خود نشان می‌دهند. تافنس بالا، مقاومت خوب در برابر آب شور و قابلیت جوشکاری از دیگر مزایای این آلیاژها است.

آلیاژهای آلفا-بتا

این آلیاژها که شامل هر دو فاز آلفا و بتا هستند، بهترین خواص مکانیکی را در بین آلیاژهای تیتانیوم ارائه می‌دهند. Titanium Grade 5 و Ti-6Al-7Nb از جمله این آلیاژها هستند. استحکام این آلیاژها را می‌توان با عملیات حرارتی افزایش داد. با این حال، به‌دلیل ساختار دوفازی، قابلیت جوشکاری آنها ضعیف‌تر از آلیاژهای تک فاز است.

آلیاژهای بتا

این آلیاژها شبه پایدار هستند و با افزودن عناصری مانند مولیبدن، سیلیکون و وانادیم که فاز بتا را پایدار می‌کنند، تولید می‌شوند. Ti-10V-2Fe-3Al و Grade 19 نمونه‌هایی از این آلیاژها هستند. آلیاژهای بتا قابلیت عملیات حرارتی خوبی دارند و در شرایط آنیل شده، داکتیلیته بالایی از خود نشان می‌دهند. همچنین، شکل‌پذیری و قابلیت جوشکاری آنها نسبت به آلیاژهای آلفا و آلفا-بتا بهتر است. چقرمگی شکست بالا و نرخ رشد ترک خستگی مناسب از دیگر ویژگی‌های این آلیاژها است.

کاربردهای تیتانیوم

آلیاژهای تیتانیوم، به‌خاطر خواص منحصربه‌فردشان، در طیف وسیعی از صنایع کاربرد دارند. برخی از آنها عبارتند از:

هوافضا

برای صنعت هوافضا، که وزن کم و استحکام بالا اهمیت بالایی دارد، آلیاژ تیتانیوم یک ماده مهم شناخته می‌شود. از این آلیاژها در ساخت قطعات مختلف هواپیما مانند قطعات موتور، ارابه فرود، فن کمپرسور و پره‌های توربین استفاده می‌شود. مقاومت در برابر خستگی و خزش در دماهای بالا، این آلیاژها را برای استفاده در شرایط سخت پرواز مناسب می‌سازد.

صنایع شیمیایی

در این صنایع، از آلیاژ تیتانیوم برای ساخت ایمپلر پمپ‌های اسید، آب شور و مواد شیمیایی، مخازن نگهداری مواد شیمیایی و مبدل‌های حرارتی استفاده می‌شود. این آلیاژها می‌توانند در برابر مواد شیمیایی خورنده مقاومت کنند و طول عمر تجهیزات را افزایش دهند.

پزشکی

سازگاری زیستی عالی آلیاژ تیتانیوم باعث شده است که در پزشکی، به‌خصوص در ساخت ایمپلنت‌ها، کاربرد فراوانی داشته باشد. ایمپلنت‌های دندان، ستون فقرات، استخوان، مفاصل و سایر ایمپلنت‌های ارتوپدی از جمله کاربردهای این آلیاژها در پزشکی هستند. این آلیاژها با بافت بدن سازگار هستند و باعث ایجاد واکنش‌های آلرژیک نمی‌شوند.

صنایع دریایی

در صنایع دریایی، مقاومت در برابر خوردگی آب شور اهمیت زیادی دارد. به همین دلیل، آلیاژهای تیتانیوم در ساخت قطعات کشتی‌ها مانند پروانه موتور و سایر قطعات در معرض آب دریا مورد استفاده قرار می‌گیرند.
نفت و گاز

در صنایع نفت و گاز نیز از آلیاژ تیتانیوم برای ساخت قطعات مختلف مانند شیرهای صنعتی و قطعات مقاوم در برابر خوردگی استفاده می‌شود.
سایر صنایع

علاوه‌بر کاربردهای فوق، از آلیاژ تیتانیوم در ساخت قطعات مختلفی مانند پیچ و مهره، قطعات الکترونیکی در گوشی‌های همراه، لپ‌تاپ‌ها و ساعت‌ها و همچنین در صنعت ورزش برای ساخت دوچرخه‌ها استفاده می‌شود.

پرمصرف‌ترین گریدهای تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم

در آلیاژهای تیتانیوم، برخی گریدها از محبوبیت بیشتری برخوردارند. آشنایی با این گریدهای پرمصرف، برای انتخاب مناسب‌ترین آلیاژ در هر کاربرد پراهمیت است. بخش عمده‌ای از بازار تیتانیوم، متعلق به آلیاژهای آلفا و آلفا-بتا است. در واقع، این دو گروه روی هم رفته حدود 90 درصد از کل تیتانیوم تولید شده در جهان را تشکیل می‌دهند.

در میان تیتانیوم‌های خالص تجاری (گروه آلفا)، گریدهای 1 و 2 بیشترین مصرف را دارند. این گریدها به‌دلیل شکل‌پذیری بالا و مقاومت به خوردگی خوب، در کاربردهای متنوعی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
گرید 5 یا Ti-6Al-4V

اما محبوب‌ترین آلیاژ تیتانیوم، گرید 5 یا Ti-6Al-4V است. این آلیاژ که به اسب بارکش تیتانیوم معروف است، حدود نیمی از کل تیتانیوم فلزی تولید شده در جهان را به خود اختصاص می‌دهد. ترکیب استحکام بالا، مقاومت به خوردگی خوب و قابلیت جوشکاری مناسب، از ویژگی‌های این آلیاژ است.
گرید 23 یا Ti-6Al-4V ELI

در زمینه پزشکی، تیتانیوم گرید 23 یا Ti-6Al-4V ELI به عنوان تیتانیوم پزشکی شناخته می‌شود. این گرید به دلیل سازگاری زیستی عالی، در ساخت ایمپلنت‌های ارتوپدی و دندانی کاربرد فراوانی دارد. حرف ELI در نام این گرید، مخفف Extra Low Interstitial است و به مفهوم کاهش درصد عناصر بین‌نشینی مانند اکسیژن و نیتروژن اشاره دارد. این کاهش درصد عناصر، باعث بهبود خواص مکانیکی و سازگاری زیستی آلیاژ می‌شود.
گرید 9 یا Ti-3Al-2.5V و گرید 6 یا Ti-5Al-2.5Sn

از دیگر گریدهای پرمصرف در گروه آلفا-بتا می‌توان به گرید 9 یا Ti-3Al-2.5V و گرید 6 یا Ti-5Al-2.5Sn اشاره کرد. این آلیاژها نیز به‌دلیل ترکیب مناسبی از خواص مکانیکی و شیمیایی، در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند.

روش تشخیص متریال تیتانیوم از استیل و فولاد

تشخیص تیتانیوم از استیل و فولاد، گاهی می‌تواند مسئله‌ای چالشی باشد. اما روش‌هایی وجود دارد که به شما در تشخیص این فلز کمک می‌کند. حتی بدون دستگاه‌های پیشرفته نیز می‌توان با استفاده از چند روش ساده، تیتانیوم را از استیل و فولاد تشخیص داد.

وزن

یکی از آسان‌ترین روش‌ها برای تشخیص تیتانیوم، توجه به وزن آن است. تیتانیوم نسبت به استیل و فولاد چگالی کمتری دارد و در نتیجه سبک‌تر است. با نگه داشتن دو قطعه با ابعاد مشابه از تیتانیوم و استیل، به‌راحتی می‌توان تفاوت وزن آنها را حس کرد. تیتانیوم تقریباً نصف وزن استیل و فولاد را دارد. برای مثال، شرکت apple، در آیفون‌های سری جدید خود یعنی سری 15، از متریال تیتانیوم برای ساخت تلفن‌های همراه خود استفاده کرده است. همین موضوع، باعث شده است وزن این محصولات نسبت به محصولات قبلی کاهش پیدا کند.

هدایت حرارتی

تیتانیوم هدایت حرارتی کمتری نسبت به استیل دارد. به همین دلیل، در محیط‌های خنک، تیتانیوم گرم‌تر از استیل به‌نظر می‌رسد. همچنین اگر دو میله از جنس تیتانیوم و استیل را روی حرارت قرار دهیم، سر دیگر میله تیتانیوم دیرتر گرم می‌شود. این تفاوت در هدایت حرارتی می‌تواند به عنوان یک روش تشخیص مورد استفاده قرار گیرد.

مغناطیس

تیتانیوم برخلاف استیل و فولاد، خاصیت مغناطیسی ندارد. بنابراین، با استفاده از یک آهنربا می‌توان به‌راحتی تیتانیوم را تشخیص داد. اگر آهنربا به قطعه جذب نشود، احتمالاً از جنس تیتانیوم است.

آزمایش جرقه

برای افراد با تجربه، آزمایش جرقه نیز می‌تواند روش مناسبی باشد. تیتانیوم در هنگام سایش بر روی سنگ، جرقه‌های ریزتر و سفیدتری نسبت به فولاد ایجاد می‌کند. جرقه‌های فولاد معمولاً زرد و بلندتر هستند. با این حال، این روش نیاز به مهارت و تجربه دارد.

در پایان، می‌توان گفت آلیاژ تیتانیوم، نقش مهمی در پیشرفت صنایع مختلف ایفا می‌کنند. این آلیاژها در صنایع حساس مانند هوافضا، پزشکی و حتی در مصارف روزمره، کاربردهای متفاوتی دارند. استحکام بالا، وزن کم، مقاومت به خوردگی مناسب و سازگاری زیستی عالی، تنها بخشی از مزایای این آلیاژهای پیشرفته است. علاوه‌بر نکاتی که گفتیم،

سوالات متداول

آلیاژهای تیتانیوم گران هستند؟
بله، آلیاژهای تیتانیوم نسبت به فولاد و آلومینیوم گران‌تر هستند، اما خواص منحصربه‌فرد آنها این هزینه را در بسیاری از کاربردها توجیه می‌کند.

آیا تیتانیوم زنگ می‌زند؟
خیر، تیتانیوم و آلیاژهای آن به دلیل تشکیل یک لایه اکسید محافظ بر روی سطح، مقاومت به خوردگی بسیار بالایی دارند و زنگ نمی‌زنند.

تیتانیوم برای بدن مضر است؟
خیر، تیتانیوم یک فلز سازگار با بدن است و به همین دلیل در ایمپلنت‌های پزشکی به طور گسترده استفاده می‌شود.