مقالات
تیتانیوم گرید 5 چیست؟آشنایی با گرید 5 تیتانیوم
شهریور
تیتانیوم یکی از فلزات مهم و پرکاربرد در صنعت است. سبکی، استحکام بالا، مقاومت به خوردگی و زیستسازگاری باعث شده که این فلز در هوافضا، پزشکی، صنایع دریایی و حتی تجهیزات ورزشی در کنار ورق استیل و دگیر قطعات استیل جایگاه ویژهای پیدا کند. در میان گریدهای مختلف تیتانیوم، گرید 5 یا همان Ti-6Al-4V از شناختهشدهترین و مهمترین آلیاژهای تیتانیوم است.
این آلیاژ حدود ۹۰٪ تیتانیوم، ۶٪ آلومینیوم و ۴٪ وانادیوم دارد. ترکیب خاص آن باعث شده بهعنوان یک آلیاژ دو فازی (α+β) شناخته شود که همزمان استحکام بالا و داکتیلیته قابل قبول را ارائه میدهد. در این مطلب تیم فنی استیل رخ با تحقیق و جمع آوری اطلاعات از منابع و مراجع معتبر، اطلاعاتی از این آلیاژ را به صورت خلاصه جمعآوری کرده است.
ویژگی های کلیدی تیتانیوم گرید 5
برای شناخت کامل این آلیاژ نیاز است تا ویژگیهایی مانند خواص فیزیکی و مکانیکی آن را بدانیم.
ترکیب شیمیایی
این آلیاژ با نام تیتانیوم گرید5 (Titanium Grade 5) به بازار عرضه میشود. در استانداردهای مختلف کدهای مختلفی برای نامگذاری این آلیاژ استفاده شده است. یکی از این کدها، کد Ti-6Al-4V است که نشان دهنده وجود 6 درصد آلومینیوم، 4 درصد وانادیوم در ترکیب شیمیایی این آلیاز است.
ریزساختار و فازها
ریزساختار گرید ۵ از آلیاژ تیتانیوم به صورت دو فازی و ترکیبی از (α + β) است که ترکیب آلیومینیم و وانادیوم باعث پایدار شدن هر دو فاز میشود. فاز α فازی با شبکه کریستالی HCP و فاز β فازی با شبکه کریستالی BCC است. آلومینیم در این آلیاژ نقش افزایش استحکام و تحمل دمای این آلیاژ را بر عهده دارد. وانادیوم نیز باعث بهبود سختی و کنترل چقرمگی در دماهای بالا میشود.
| عناصر آلیاژی | تیتانیوم | آلومینیم | وانادیوم | آهن | اکسیژن | کربن | نیتروژن | هیدروژن |
| تیتانیوم گرید 5 | Bal | 5.5 – 6.75 % | 3.5 – 4.5 % | ≤ 0.25 % | ≤ 0.20 % | ≤ 0.08 % | ≤ 0.05 % | ≤ 0.015 % |
خواص مکانیکی
در جدول زیر به خواص مکانیکی آلیاژ تیتانیوم گرید5 اشاره شده است.
| گرید | استحکام کششی(MPa) | استحکام تسلیم 0.02%(MPa) | ازدیاد طول(%) | سختی راکول سی (HB) |
| تیتانیوم گرید 5 | 895 | 830 | 15 | 310 |
خواص فیزیکی
در جدول زیر اطلاعاتی درباره خواص فیزیکی این آلیاژ ذکر شده است.
| گرید | چگالی (Kg/m3) | مدول الاستیک (GPa) | مقاومت الکتریکی (nΩ.m) | ضریب انبساط حرارتی | هدایت حرارتی (W/m.K) | گرمای ویژه (J/kg.K) |
| تیتانیوم گرید 5 | 4430 | 114 | 171 | 8.6 | 6.7 | 560 |
استانداردهای تیتانیوم گرید5
آلیاژ تیتانیوم گرید 5 در استانداردهای مختلف کدهای مختلفی دارد که در جدول زیر به برخی از آنها اشاره شده است.
| گرید فولاد | شماره UNS | استاندارد بریتانیایی | استاندارد اروپایی (Euronorm) | استاندارد سوئدی (Swedish SS) | استاندارد ژاپنی (JIS) | ||
| BS | EN | شماره | نام | ||||
| تیتانیوم گرید 5 | R56400 | – | EN-3311 | 3.7165 | Ti-6Al-4V | – | JIS H4657 |
خواص تیتانیوم گرید 5
در این بخش به بررسی ویژگیهای کلیدی تیتانیوم گرید5 میپردازیم.
مقاومت در برابر خوردگی
آلیاژ گرید 5 تیتانیوم با تشکیل لایه اکسید پایدار (TiO₂) روی سطح مقاومت خوبی در برابر اکسیداسیون پیدا میکند. این آلیاژ در برابر آب شور، محیطهای اسیدی ضعیف و اکسیداسیون تا دمای ۴۰۰–۵۰۰ درجه سانتیگراد مقاومت خوبی از خود به نمایش میگذارد. در محیطهای کلریدی با دمای بالا احتمال ترک خوردگی تنشی (Stress Corrosion Cracking) وجود دارد که این عامل میتواند در شرایط کاری خطراتی را به همراه داشته باشد.
مقاومت در برابر حرارت و اکسیداسیون
تیتانیوم گرید 5 (Ti-6Al-4V) علاوه بر استحکام مکانیکی بالا، در برابر حرارت و اکسیداسیون نیز عملکرد مطلوبی دارد. همانطور که گفته شد این آلیاژ میتواند تا دمای حدود 400 تا 500 درجه سانتیگراد بدون افت شدید خواص مکانیکی مورد استفاده قرار گیرد و در شرایط اکسیداسیون هوای آزاد نیز پایداری مناسبی نشان میدهد. تشکیل لایهی اکسید تیتانیوم (TiO₂) روی سطح، یک سد محافظ طبیعی ایجاد میکند که از نفوذ اکسیژن بیشتر و تخریب ساختار داخلی جلوگیری میکند. همین ویژگی باعث شده است که گرید 5 در صنایع هوافضا، توربینهای گازی، قطعات موتور هواپیما و کاربردهای دمای متوسط که مقاومت همزمان در برابر تنش و اکسیداسیون لازم است، انتخابی ایدهآل باشد.
عملیات حرارتی
آلیاژ تیتانیوم گرید 5 را نمیتوان با روشهای عملیات حرارتی کوئنچ و تمپر، سخت کرد اما میتوان با انجام فرآیند پیرسازی، استحکام آن را به بالای 1100 مگاپاسکال نیز افزایش داد. به غیر از این میتوان با انجام کارسرد نیز استحکام این آلیاژ را افزایش داد.
بازپخت (Annealing):
فرآیند آنیل میتواند با نگه داشتن قطعه در دمای ۷۳۲ درجه سانتیگراد (۱۳۵۰ درجه فارنهایت) به مدت زمان کافی، انجام شود. سپس قطعه در کوره تا دمای ۵۶۶ درجه سانتیگراد (۱۰۵۰ درجه فارنهایت) سرد میشود و پس از آن در هوا خنک میگردد. در مورد قطعات قورج شده سرد شدن در کوره الزامی نیست.
فرآیند محلولسازی:
برای این آلیاژ در دمای ۹۰۴ تا ۹۵۴ درجه سانتیگراد (۱۶۶۰ تا ۱۷۵۰ درجه فارنهایت) به مدت ۲ ساعت انجام میشود و سپس بهسرعت با آب (Quenching) سرد میگردد.
پیرسازی:
در دمای بین 480 تا 610 درجه سانتیگراد فرآیند پیرسازی برای آلیاژ تیتانیوم گرید 5 انجام میشود. قطعات به مدت 4 تا 8 ساعت (بسته به ضخامت و شکل قطعه) در این دما نگهداری میشوند. هدف از انجام این فرآیند رسوب فازهای α کوچک و منظم از فاز β است که باعث افزایش استحکام، سختی و مقاومت به خزش میشود. درمورد مقاومت تیتانیوم و استیل بیشتر بخوانید.
جوشکاری
آلیاژ تیتانیوم گرید 5 (Ti-6Al-4V) را میتوان جوشکاری کرد اما برای جوشکاری باید مواردی را مد نظر قرار داد:
- حساسیت به آلودگی: تیتانیوم در دماهای بالا خیلی سریع با اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن واکنش میدهد؛ بنابراین سطح باید کاملاً تمیز و خشک باشد.
- نیاز به گاز محافظ: استفاده از آرگون یا هلیوم برای حفاظت از منطقه ذوب و حرارت داده شده ضروری است. در صورت محافظت ناکافی، جوش مستعد ترک سرد و هیدروژنی میشود.
- روشهای مناسب: جوشکاری تیگ (TIG) و جوش لیزر برای این آلیاژ پیشنهاد میشود. روش جوش قوس دستی برای این آلیاژ توصیه نمیشود.
- پیش گرم و پس گرم: معمولاً پیشگرم لازم نیست، اما در قطعات ضخیم کنترل گرادیان دما مهم است و به همین جهت باید میزان حرارن ورودی به قطعه کنترل شود.
- تاثیر بر خواص مکانیکی: در ناحیه متاثر از حرارت یا HAZ (Heat Affected Zone) ممکن است داکتیلیته و استحکام کمی کاهش پیدا کند؛ پس اغلب بعد از جوشکاری عملیات حرارتی سلوشن- ایج انجام میشود.
شکلپذیری
تیتانیوم گرید 5 قابلیت شکل دهی به روش شکلدهی گرم و سرد را دارد. فرآیند کار گرم باعث افزایش چقرمگی کلی آلیاژ میشود. ویژگیهای کار سرد این آلیاژ مشابه فولاد ضدزنگ آستنیتی است. پس از انجام کار سرد، فرآیند آنیل سبب بهبود شکیپذیری میشود.
قابلیت ماشینکاری
با وجود اینکه آلیاژ تیتانیوم گرید 5 استحکام بالایی دارد، اما میتوان آن را با استفاده از روان کننده مناسب و سرعت ماشین کاری کم، آن را ماشینکاری کرد. برای ماشینکاری این آلیاژ، باید از تیغههای تندبر یا HSS استفاده شود.
قیمت تیتانیوم گرید 5
تیتانیوم گرید5 قیمت بیشتری نسبت به آلیاژهای استنلس استیل دارد. به طور کلی هزینه تولید آلیاژهای تیتانیوم نسبت به آلیاژهای استیل بیشتر است و فرآیند تولید سختتری نیز دارند. این آلیاژ در اشکال مختلف مانند ورق و میلگرد تولید میشود. برای تولید قطعات نیز میتوان از این مقاطع استفاده کرد که بسته به ابعاد و هندسه ممکن است قطعهای از جنس تیتانیوم حدود 3 تا 5 همان قطعه از جنس میلگرد و ورق استیل قیمت داشته باشد.
کاربردهای تیتانیوم گرید 5
تیتانیوم گرید 5 با توجه به خواص و ویژگیهایش در صنایع مختلف، کاربردهای متفاوتی دارد.
- هوافضا: پرههای کمپرسور، اجزای موتور جت، بدنه هواپیما
- پزشکی: ایمپلنتهای ارتوپدی (مفصل ران، پیچ و پلاک)
- خودروسازی: سوپاپها، اجزای انتقال نیرو در ماشینهای خاص و مسابقهای
- صنایع دریایی: پروانه کشتی، شفت پمپ
سخن آخر
تیتانیوم گرید 5 (Ti-6Al-4V) مهمترین و پرکاربردترین آلیاژ تیتانیوم در جهان است. ترکیب منحصربهفردی از سبکی، استحکام بالا، مقاومت خوردگی و زیستسازگاری دارد. همین ویژگیها باعث شده در هوافضا، پزشکی و صنایع پیشرفته بهعنوان انتخاب اول مطرح باشد.
عالی لذت بردم