هيكل وتصنيف سبائك التيتانيوم

معرفة قاعدة التيتانيوم

التيتانيوم هو معدن إنشائي مهم تم تطويره في الخمسينيات. تستخدم سبائك التيتانيوم على نطاق واسع في مختلف المجالات بسبب قوتها المحددة العالية ، ومقاومة التآكل الجيدة ومقاومة الحرارة العالية. لقد أدركت العديد من البلدان في العالم أهمية مواد سبائك التيتانيوم ، ودرستها وطورتها على التوالي ، وحصلت على تطبيق عملي. التيتانيوم هو العنصر الرابع في الجدول الدوري. يشبه الفولاذ وله درجة انصهار تبلغ 1672 درجة مئوية. إنه معدن حراري. يتوفر التيتانيوم في القشرة ، وهو أعلى بكثير من المعادن الشائعة مثل Cu ، Zn ، Sn و Pb. موارد التيتانيوم في الصين وفيرة للغاية. فقط في أكسيد الحديد الأسود الفاناديوم-التيتانيوم الكبير المكتشف في منطقة بانتشيهوا بمقاطعة سيتشوان ، يبلغ احتياطي التيتانيوم المرتبط حوالي 420 مليون طن ، وهو قريب من إجمالي احتياطيات التيتانيوم المثبتة في الخارج. يمكن تقسيم سبائك التيتانيوم إلى سبائك مقاومة للحرارة ، وسبائك عالية القوة ، وسبائك مقاومة للتآكل (سبائك Ti-Mo ، و Ti-Pd ، وما إلى ذلك) ، وسبائك منخفضة الحرارة وسبائك وظيفية خاصة (مواد تخزين الهيدروجين Ti-Fe وذاكرة Ti-Ni سبائك).

عناصر سبائك التيتانيوم

سبائك التيتانيوم هي سبائك تعتمد على التيتانيوم وتضاف مع عناصر أخرى. يحتوي التيتانيوم على نوعين من البلورات غير المتجانسة المتجانسة: ألفا تيتانيوم ذو هيكل سداسي كثيف أقل من 882 درجة مئوية وبيتا تيتانيوم مع هيكل مكعب متمركز حول الجسم فوق 882 درجة مئوية.يمكن تقسيم عناصر صناعة السبائك إلى ثلاث فئات وفقًا لتأثيرها على درجة حرارة التحول الطوري: 1. إن العناصر التي تثبت طور ألفا وتزيد من درجة حرارة تحول الطور هي عناصر مستقرة ألفا ، بما في ذلك الألومنيوم والكربون والأكسجين والنيتروجين. من بينها ، الألمنيوم هو العنصر الرئيسي في سبائك التيتانيوم. له تأثير واضح على تحسين القوة في درجة حرارة الغرفة ودرجة الحرارة العالية ، مما يقلل من الجاذبية النوعية ويزيد من معامل المرونة للسبائك. (2) الطور بيتا المستقر ودرجة حرارة الانتقال المتناقص هي عناصر مستقرة بيتا ، والتي يمكن تقسيمها إلى نوعين: isomorphic و eutectoid. يشمل الأول الموليبدينوم والنيوبيوم والفاناديوم ، بينما يشمل الأخير الكروم والمنغنيز والنحاس والحديد والسيليكون. (3) العناصر المحايدة ، مثل الزركونيوم والقصدير ، لها تأثير ضئيل على درجة حرارة المرحلة الانتقالية.

الأكسجين والنيتروجين والكربون والهيدروجين هي الشوائب الرئيسية في سبائك التيتانيوم. يمتلك الأكسجين والنيتروجين قابلية ذوبان أعلى في مرحلة ألفا ، مما له تأثير تقوية كبير على سبائك التيتانيوم ، ولكنه يقلل من اللدونة. عادة ما يُشترط أن يكون محتوى الأكسجين والنيتروجين في التيتانيوم أقل من 0.15-0.2% و 0.04-0.05% على التوالي. قابلية ذوبان الهيدروجين في طور ألفا صغيرة جدًا. الهيدروجين المفرط المذاب في سبائك التيتانيوم سينتج هيدريد ، مما يجعل سبيكة هشة. عادة يتم التحكم في محتوى الهيدروجين في سبائك التيتانيوم تحت 0.015%. انحلال الهيدروجين في التيتانيوم يمكن عكسه.

تصنيف

التيتانيوم هو ايزومر مع نقطة انصهار 1720 (؟) درجة مئوية وبنية شبكية سداسية كثيفة عند درجات حرارة أقل من 882 (؟) ، والتي تسمى ألفا تيتانيوم ، وهيكل شبكي مكعب متمركز حول الجسم عند درجات حرارة أعلى من 882 (؟) C وهو ما يسمى بيتا تيتانيوم. يمكن الحصول على سبائك التيتانيوم ذات الهياكل الدقيقة المختلفة عن طريق إضافة عناصر السبائك المناسبة لتغيير درجة حرارة التحول الطوري ومحتوى الطور تدريجيًا. تحتوي سبائك التيتانيوم على ثلاثة أنواع من هياكل المصفوفة في درجة حرارة الغرفة. يمكن أيضًا تقسيم سبائك التيتانيوم إلى ثلاث فئات: سبائك ألفا وسبائك (ألفا + بيتا) وسبائك بيتا. ويمثل الصين TA و TC و TB على التوالي.

سبائك التيتانيوم ألفا

وهي عبارة عن سبيكة أحادية الطور تتكون من محلول صلب طور ألفا. وهي عبارة عن طور ألفا في درجة الحرارة العامة وفي درجة حرارة التطبيق العملية العالية. لديها هيكل مستقر ، ومقاومة تآكل أعلى ومقاومة أكسدة قوية من التيتانيوم النقي. يتم الحفاظ على قوتها ومقاومة الزحف عند درجات حرارة 500600 درجة مئوية ، ولكن لا يمكن تقويتها بالمعالجة الحرارية ، وقوتها في درجة حرارة الغرفة ليست عالية.

سبائك التيتانيوم بيتا

وهي عبارة عن سبيكة أحادية الطور تتكون من محلول صلب لمرحلة بيتا. لديها قوة عالية بدون معالجة حرارية. بعد التبريد والشيخوخة ، يتم تعزيز السبائك بشكل أكبر ، ويمكن أن تصل قوة درجة حرارة الغرفة إلى 1372-1666 ميجا باسكال. ومع ذلك ، فإن استقراره الحراري ضعيف وغير مناسب للاستخدام في درجات الحرارة العالية.

سبائك ألفا + بيتا تيتانيوم

إنها سبيكة ثنائية الطور ذات خصائص شاملة جيدة ، واستقرار هيكلي جيد ، وصلابة جيدة ، ومرونة وخصائص تشوه عالية في درجة الحرارة. يمكن معالجتها تحت ضغط ساخن وتقويتها عن طريق التبريد والشيخوخة. بعد المعالجة الحرارية ، تزداد القوة بمقدار 50%-100% مقارنةً بحالة التلدين ، ويمكن أن تعمل قوة درجة الحرارة العالية لفترة طويلة عند درجة حرارة 400500 واستقرارها الحراري أقل شأناً من سبائك ألفا تيتانيوم.

من بين الأنواع الثلاثة لسبائك التيتانيوم ، فإن سبائك ألفا تيتانيوم وسبائك ألفا + بيتا تيتانيوم هي الأكثر استخدامًا ؛ سبائك ألفا تيتانيوم لديها أفضل قابلية للتشكيل ، تليها سبائك ألفا + بيتا تيتانيوم وسبائك بيتا تيتانيوم. رمز سبائك التيتانيوم ألفا TA ، رمز سبائك التيتانيوم بيتا TB ، ألفا + رمز سبائك التيتانيوم بيتا TC.

تطبيق سبائك التيتانيوم

يمكن تقسيم سبائك التيتانيوم إلى سبائك مقاومة للحرارة ، وسبائك عالية القوة ، وسبائك مقاومة للتآكل (سبائك Ti-Mo ، و Ti-Pd ، وما إلى ذلك) ، وسبائك منخفضة الحرارة وسبائك وظيفية خاصة (مواد تخزين الهيدروجين Ti-Fe وذاكرة Ti-Ni سبائك). يتم عرض تكوين وخصائص السبائك النموذجية في الجدول.

يمكن الحصول على تركيبة وهيكل مراحل مختلفة عن طريق تعديل عملية المعالجة الحرارية. يعتقد بشكل عام أن البنية المتوازنة الدقيقة تتمتع بمرونة أفضل واستقرار حراري وقوة إجهاد ؛ بنية الحويصلة لديها قوة تحمل أعلى وقوة زحف وصلابة الكسر. بنية مختلطة متوازنة ومتوازنة لها خصائص شاملة أفضل.

سبائك التيتانيوم لها قوة عالية ، وكثافة منخفضة ، وخصائص ميكانيكية جيدة ، وصلابة جيدة ومقاومة للتآكل. بالإضافة إلى ذلك ، تتميز سبائك التيتانيوم بالأداء التكنولوجي الضعيف والقطع الصعب. من السهل امتصاص الشوائب مثل الهيدروجين والأكسجين والنيتروجين والكربون في العمل الساخن. هناك أيضًا مقاومة ضعيفة للتآكل وعملية إنتاج معقدة. بدأ الإنتاج الصناعي من التيتانيوم في عام 1948. مع تطور صناعة الطيران ، تنمو صناعة التيتانيوم بمعدل 8% سنويًا. في الوقت الحاضر ، بلغ الإنتاج السنوي لمواد معالجة سبائك التيتانيوم في العالم أكثر من 40000 طن ، وهناك ما يقرب من 30 نوعًا من درجات سبائك التيتانيوم. سبائك التيتانيوم الأكثر استخدامًا هي Ti-6Al-4V (TC4) و Ti-5Al-2.5Sn (TA7) والتيتانيوم الصناعي النقي (TA1 و TA 2 و TA3).

تستخدم سبائك التيتانيوم بشكل أساسي لصنع أجزاء الضاغط من محرك الطائرة ، تليها الطائرات الصاروخية والصواريخ والطائرات عالية السرعة. في منتصف الستينيات ، تم استخدام التيتانيوم وسبائكه في الصناعة العامة لصنع أقطاب كهربائية في صناعة التحليل الكهربائي ، والمكثفات في محطات توليد الطاقة ، وسخانات لتكرير النفط وتحلية مياه البحر ، وأجهزة التحكم في التلوث البيئي. أصبح التيتانيوم وسبائكه نوعًا من المواد الإنشائية المقاومة للتآكل. بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدامه أيضًا لإنتاج مواد تخزين الهيدروجين وتشكيل سبائك الذاكرة.

تمت دراسة سبائك التيتانيوم والتيتانيوم في عام 1956 في الصين ، وتم تطوير الإنتاج الصناعي لمواد التيتانيوم وسبائك TB2 في منتصف الستينيات.

سبائك التيتانيوم هي مادة هيكلية جديدة مهمة تستخدم في صناعة الطيران. إن جاذبيتها النوعية وقوتها ودرجة حرارة خدمتها بين الألمنيوم والصلب ، لكنها تتمتع بقوة محددة عالية ومقاومة ممتازة لتآكل مياه البحر وأداء درجات حرارة منخفضة للغاية. في عام 1950 ، استخدمت الولايات المتحدة لأول مرة قاذفة مقاتلة من طراز F-84 كمكونات غير حاملة مثل لوحة العزل الحراري لجسم الطائرة الخلفي وغطاء دليل الهواء وغطاء الذيل. منذ الستينيات ، تحول استخدام سبائك التيتانيوم من جسم الطائرة الخلفي إلى جسم الطائرة الأوسط ، ليحل جزئيًا محل الفولاذ الهيكلي لتصنيع مكونات حاملة مهمة مثل الأقسام والحزم واللوحات والشرائح. تزداد كمية سبائك التيتانيوم المستخدمة في الطائرات العسكرية بسرعة ، لتصل إلى 20%-25% من وزن هيكل الطائرة. استخدمت سبائك التيتانيوم على نطاق واسع في الطائرات المدنية منذ السبعينيات. على سبيل المثال ، كمية التيتانيوم المستخدمة في طائرات الركاب بوينج 747 أكثر من 3640 كجم. يستخدم التيتانيوم للطائرات التي يقل عدد ماخ فيها عن 2.5 بشكل أساسي لاستبدال الفولاذ من أجل تقليل الوزن الهيكلي. على سبيل المثال ، طائرة الاستطلاع عالية السرعة SR-71 الأمريكية (تحلق رقم 3 ماخ ، تحلق على ارتفاع 26212 مترًا) ، يمثل التيتانيوم 93% من الوزن الهيكلي للطائرة ، والمعروفة باسم "جميع الطائرات التيتانيوم". عندما تزداد نسبة الوزن الدافع للمحرك الهوائي من 4 إلى 6 إلى 8 إلى 10 وتزداد درجة حرارة مخرج الضاغط من 200 إلى 300 درجة مئوية إلى 500 إلى 600 درجة مئوية ، يكون قرص الضاغط الأصلي ذو الضغط المنخفض والشفرة مصنوعة من يجب استبدال الألمنيوم بسبيكة تيتانيوم ، أو قرص وشفرة ضاغط عالي الضغط مصنوعان من سبائك التيتانيوم بدلاً من الفولاذ المقاوم للصدأ ، من أجل تقليل الوزن الهيكلي. في السبعينيات ، كانت كمية سبائك التيتانيوم المستخدمة في المحركات الهوائية تمثل بشكل عام 20%-30% من الوزن الإجمالي للهيكل. تم استخدامه بشكل أساسي لتصنيع مكونات الضاغط ، مثل مراوح التيتانيوم المزورة ، وأقراص وشفرات الضاغط ، وغطاء ضاغط التيتانيوم المصبوب ، والغلاف المتوسط ، وغطاء المحمل ، إلخ. تستخدم المركبة الفضائية بشكل أساسي القوة النوعية العالية ، ومقاومة التآكل ومقاومة درجات الحرارة المنخفضة لسبائك التيتانيوم لتصنيع أوعية الضغط المختلفة وخزانات الوقود والمثبتات وأشرطة الأجهزة والأطر وقذائف الصواريخ. تُستخدم اللحامات المصنوعة من سبائك التيتانيوم أيضًا في الأقمار الصناعية الأرضية الاصطناعية والوحدة القمرية والمركبات الفضائية المأهولة والمكوكات الفضائية.