مقدمه ای بر "متالورژی پودر تیتانیم (P/M Ti)" - √دنیـــــــای متـــــــــــالورژی فقـــــــط از ایـــــــنجا
به "با سابقه ترين و محبوب ترين وبلاگ متالورژي در ايران" خوش آمديد

در ضمن اگه واسه دیدن عکس ها به مشکلی بر خوردین روی این لینک کلیک کنین تا تو صفحه ی دیگخ ای این مطلب رو ببینین

http://iran-eng.com/showthread.php?t=49273

مقدمه ای بر "متالورژی پودر تیتانیم (P/M Ti)"

تاریخچه :
تیتانیم در سال 1971 توسط william gregorدر انگلستان کشف شد این عنصر چند سال بعد توسط هنریش کلاپروت در سال 1975دوباره کشف گردید و بر اساس اساطیر یونان به نام titan نامگذاری شد .فلز تیتانیم به جهت ترکیب با سایر عناصر وجود دارد. این عنصر چهارمین عنصر فراوان در پوسته زمین است و تقریبا 0.86 % درصد کل جرو پوسته زمین را تشکیل می دهد . تیتانیم به راحتی در دماهای زیاد با اکسیژن و کربن واکنش می دهد . به همین دلیل تولید فلز تیتانیم خالص مشکل می باشد . این فلز در شهاب سنگ ها ، ستارگان و خورشید نیز وجود دارد . در سنگهایی به وسیله آپولو 17 از ماه آورده شد حدود 12 درصد TiO2 وجود داشت . تیتانیم همچنین در خاکستر زغال سنگ در گیاهان و در بدن انسان وجود دارد .

ترکیبات :
مهمترین ترکیبات تیتانیم TiO2 می باشد . TiO2 به عنوان رنگدانه سفید در صنعت رنگ سازی – پلاستیک - سیمان مورد استفاده قرار می گیرد . همچنین از اکسید تیتانیم برای براق کردن سطح فلزات ، لعاب دادن دادن و در سرامیک ها استفاده می شود . یاقوت کبود و یا یاقوت قرمز درخشندگی خود را از دی اکسید تیتانیم موجود در خود می گیرند.
اثر تیتانیم بر سلامتی انسان :

میزان سمی بودن تیتانیم به جهت عنصری و اکسید تیتانیم اندک است . تنفس غبار تیتانیم باعث گرفتگی و درد سینه ، سرفه ، و مشکلات تنفسی می شود . اگر اکسید تیتانیم با پوست و چشم تماس پیدا کند باعث تحریک می گردد . تنفس ، تماس پوستی و چشمی راهای ورود اکسید تیتانیم به بدن انسان است . آژانس بین المللی تحقیقات سرطان اکسید تیتانیم رادر گروه 3 قرار داده است .

سایر مصارف عمده تیتانیم :

تیتانیم در صنایع هواپیما سازی – اتومبیل سازی – پزشکی – صنعت نفت – تصفیه آب و ساخت انبارهای مخصوص جهت نگهداری از ضایعات اتمی کاربرد دارد .




روش های استخراج و تولید تیتانیم :

1- فرآیند Kroll
2- فرآیند Hunter
3- فرآیند Armstrong
4- فرآیند FFC Cambridge

فرآیند کرول یک روش استخراج الکترومکانیکی است که در آن برای تولید تیتانیم از احیایTiCl4 استفاده می شود . مهمترین مزیت تولید مداوم ، صرفه جویی در مصرف سوخت و اتوماسیون تولید است اما با این حال بسیار گران و پیچیده است .
فرآیندهای Hunter ، Armstrong تقریبا شبیه کرول می باشد .در فرآیند FFC Cambridge از فازهای پودر دی اکسید تیتانیم برای تولید نهایی که جریان مداومی از تیتانیم مذاب است استفاده می شود.تیتانیم تولید شده در روش کرول به ازای هر پوند 50بالای دلار ودر روش آرمسترانگ به ازای هر پوند 5-8 دلار می باشد . متاسفانه اطلاعات قیمت دو روش دیگر در دسترس نبود اما به نظر می رسد فرآیند FFC یک ،رآیند جدیدتر و کم هزینه تر باشد .

انواع پودرهای تیتانیم:

 

شکل a : پودرهای اتمیزه شده که به روش پیش آلیاژ کردن تهیه می شوند

 


شکل b : پودرهای هیبرید – دی هیبرید که بوسیله پیش آلیاژ کردن تولید شده اند و به طور طبیعی گوشه دار هستند .

 

شکل c : فاز اسفنج ( یک محصول فرعی از تولید اسفنج )

 


شکل d : یک نوع پودر جدید که بوسیله فرآیند الکترولیز معکوس تولید شده است .


توسعه و پیشرفت متالورژی پودر تیتانیم (P/M) :

اخیرا استفاده از متالورژی پودر تیتانیم به عنوان یک روش ساخت مناسب قطعات از این فلز گران قیمت مورد توجه قرار گرفته است . در این جا روشهای مختلف متالورژی پودر تیتانیم مورد بررسی قرار گرفته اند که شامل :

1-Laser forming
2-Powder injection moulding(PIM
3-spray forming
4-near net shape:
a) blended elemental
b) Prealloyed
5-metal matrix composites
6-Far from equilibrium processing:
a) rapid solidification
b) mechanical alloying
c) vapor deposition


شکل دادن با لیزر Laser Forming :


تکنیک Laser Forming در این شکل نشان داده شده است . مشخصه های این تکنیک به شرح زیر می باشد :
1- کاهش زمان تولید
2- کاهش نسبت خرید به پرداخت
3- نیاز به حداقل ماشینکاری
هم اکنون از این روش برای تولید اشکال آزمایشی بزرگ تیتانیمی ( 3 تا 10 فوت ) در شرکت boeing استفاده می شود . تا در صورت موفقیت از آن برای ساخت قطعات واقعی استفاده شود .

 

 

قطعات تولید شده به روشLaser Forming



PIM (powder injection molding):

از این روش برای تولید قطعات پیچیده ی کوچک ( معمولا زیر 400 گرم ) استفاده می شود . در این فرآیند ابتدا پودر بلور با چسب پلیمری مقاوم به حرارت مخلوط می شود سپس فرم داده شده و زینتر می گردد . فرآیند زینتر باید در دماهای بالای C °150 برای شکل دهی به چسب صورت می گیرد که این دما به چسب ترموپلاست بستگی دارد .
عوامل زیر باعث می شود که استفاده از PIMدچار محدودیت شود .
1- عدم دسترسی به پودر مناسب.
2- عدم محافظت مناسب از تیتانیم در طول فرآیندهای دارای دمای بالا.
3- کمبود چسب های مطلوب برای عنصر فعالی چون تیتانیم.
تیتانیم تمایل زیادی برای ایجاد محلول های بین نشین با عناصر کربن – اکسیژن – نیتروژن دارد . حضور این عناصر به همراه فرآیند PIM را دچار مشکل می کند .
زیرا تیتانیم با آنها ترکیبات بین نشین تشکیل داده و باعث تردی می شود . بنابراین استفاده از یک چسب مناسب که بتواند به طور کامل ذرات پودر را پوشانده و از ترکیب آن با عناصر بین نشین جلوگیری کند بسیار مفید می باشد این مسئله به خصوص در کاربردهای اساسی مانند ساختارهای فضایی و اجزاء کاشت دارویی بسیار مهم می باشد . زیرا در این ساختارها میزان نا خالصیب باید کمتر از 200PPM باشد . با این اوصاف چسب مورد استفاده در فرآیند PIM تیتانیم باید دارای ویژگی های زیر باشد :

1- از ورود مواد ناخالصی(عناصری مثلC ,O2, N2 ) به داخل قطعات زینتر شده جلوگیری کنند
2- پایداری شیمیای داشته باشد یعنی تمایل به تجزیه شدن نداشته باشد .
3- پایداری شیمیای خود را در دماهای بالا و در زمانهای زیاد حفظ کند .

 

P.I.M مراحل تولید



همان طوری که گفته شد از PIM برای تولید قطعات پیچیده کوچک استفاده می شود . ابعاد قطعات PIM تیتانیم از نظر اندازه تا یک فوت می رسند اما در عمل قطعات با ابعاد بالای 3 تا 4 اینچ معمول نیستند .
زیرا اجزاء بزرگ به دلیل شکل پذیری کمترشان نسبت به قطعات کوچکتر ، در حین انقباض مشکل ساز شده و نمی توان آنها را به راحتی شکل داد .
با انجام آزمایشات و به ویژه با استفاده از چسب های جدید شکل انقباض تا حدی حل شده است . بر آوردها نشان می دهد که ماهانه 3 تا5 تن قطعه در ماه با استفاده از فرآیند PIM تولید می شود .

 


Spray Forming :

Spray Forming می تواند به وسیله فلز گداخته یا پودر جامد صورت گیرد هر دو شکل Spray Forming باید در یک محیط فاقد جنبش و تحت شرایط واکنش پذیر صورت بگیرد .
با استفاده از این روش قطعات با تقریب اندازه مناسبی بدست می آیند . یعنی دقت ابعادی قطعات تولید شده از این روش مناسب است.اخیرا استفاده از Spray forming سرد توسعه بیش تری نسبت به گذشته یافته است . در این روش اندازه پودر های مورد استفاده برای اسپری بین 50-1 میکرومتر دما زیر C °500 و سرعت افشانش بین 200-300 m/s می باشد . از Spray Forming سرد برای تولید 1- اشکال یکپارچه و 2- اجزاء پوشش می توان اسنفاده کرد . دانسیته ناحیه اسپری شده در این روش کامل نیست اما می توان با استفاده از فرآیند HIP دانسیته را تا 100 درصد افزایش داد.





نمودار مقایسه دمای spry forming گرم و سرد






مواد پوشش داده شده در اشکال مختلف






اشکال یکپارچه






نمایی از یک پوشش تیتانیمی روی فولاد که به وسیله اسپری فورمینگ ایجاد شده است.


Near Net Shape :

در فرآیند شکل دادن Near Net Shape از تکنیک های مختلفی مثل :

1-Press-and-Sinter
2- Cold Isostatic Pressing & Hot Isostatic Pressing

برای شکل دادن به قطعه استفاده می شود . برای راحتتر شدن کار قطعات تولید شده از Near Net Shape به دو بخش ، قطعات تواید شده با استفاده از تکنیک آمیختن ابتدایی(BE) و قطعات تولید شده با استفاده از تکنیک پیش آلیاژ کردن (PE) تقسیم می شوند .
1) تکنیک آمیخن ابتدایی (BE) این پتانسیل را دارد که به عنوان کم هزینه ترین فرآیند متالورژی پودر تیتانیم باشد به ویژه اگر در آن از مرحله فشرده سازی پانویه اجتناب گردد .تکنیک خا که های اسفنجی و آلیاژ اصلی به صورت ابتدایی آمیخته شده و پس از انجام عملیات فشرده سازی زینتر می شود قطعات تولید شده در این روش دارای دانسیته نسبتا بالایی می باشند .





چوب گلف ساخته شده از BE






چوب بیسبال ساخته شده ازBE تیتانیم






سوپاپ ساخته شده ازBE تیتانیم



استفاده از تکنیک Press-and-Sinterدر فرآیند BE راهی موثر برای صرفه جویی اقتصادی در تولید اجزاء و قطعات پیچیده است در این روش از پودر هیبرید شده تیتانیم همراه نسبت 60:40 آلومینیوم و وانادیم استفاده می شود وجود هیدروژن ویژگی زیر را به قطعه می دهد :
1-دانسیته بالا
2-ساختار میکروسکوپی همگن
3-خواص همگن شیمیایی
4-کم بودن محتوای ناخالصی
استفاده از این روش باعث کاهش بیش تر وزن قطعات تولیدی می شود . در مصرف سوخت صرفه جویی میکند به همین دلیل دارای صرفه اقتصادی است. قطعه دارای دانسیته بالایی می شود . و خواص آن با خواص شمش های ریختگی قابل مقایسه است . قیمت پایین این فرآیند همراه با خواص مکانیکی جالب توجه ، این فرآیند را به عنوان ، فرآیند مناسبی در صنعت اتومبیل سازی مطرح کرده است .
به طوری که هزینه تولید در این روش 3 دلار به ازای هر 320gr میباشد .





فرآیند استفاد از پودر هیدرید شده تیتانیم در فرآیند BE با استفاده از تکنیک Press and Sinter







Ti-6Al-4V parts produced using a press-and-sinter approach and titanium hydride: 1)


Connecting rod with big end cap, 2) Saddles of inlet and exhaust valves, 3) Plate of valve spring,


4) Driving pulley of distributing shaft, 5) Roller of strap tension gear, 6) Screw nut, 7)


Embedding filter, fuel pump, and 8) Embedding filter


نمونه‌ای از قطعات تولید شده با پودر هیدرید تیتانیم



2- پیش آلیاژ کردن PA :
از این فرآیند پیش آلیاژ کردن برای تولید اجزاء و قطعات پیچیده و بزرگ استفاده می شود . فرآیند PA با استفاده از پودر پیش آلیاژ شده صورت میگیرد.
پودرهای مورد استفاده در این روش باید کروی باشند . برای تولید پودر از تکنیک الکترود چرخشی پلاسما (PREP) و یا اتمیزه کردن گاز (GA) استفاده می شود .
در این روش پودرها در یک قالب فلزی یا سرامیکی پاشیده می شوند سپس به وسیله یک فرآیند ثانویه انباشته شده و به هم می چسبند و در نهایت طی یک فرآیند فشارش ایزو استاتیک گرم فشرده می شوند .





Ti-6Al-4V components produced from prealloyed Ti-6Al-4V powder, using HIP’ing


and the ceramic mold process; (a) a nacelle frame for F14A Ti-6Al-6V-2Sn, (b) radial impeller


for F107 cruise missile engine Ti-6Al-4V










(Left photo) (left to right) Gamma titanium aluminide shapes made using prealloyed


gas atomized powder followed by HIP’ing, (a) billet for subsequent forging, (b) forging or to be


machined, (c) a near net sonic shape for an engine application and (right photo) Exhaust nozzle


compression links for the F110 engine (power system for the F-16 Falcon), consisting of


continuous SiC fibers in a Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo matrix







صفحات آلومینای تیتانیم که در ناسا مورد استفاده قرار می گیرد .



فرآیندهای غیر تعادلی :
انجماد سریع ، آلیاژ سازی مکانیکی ، رسوب گذاری همه از نوع فرآیند های غیر تعادلی می باشند . با استفاده از قوانین جدید مثل میزان قابلیت حلالیت و به کمک سه فرآیند بالا می توان میکرو ساختار را تغییر داد و به یک ساختار ریز تر و پراکندگی بالاتر از فاز دوم دست یافت.
فرآیند رسوب دهی از بخار (VP) می تواند برای فلزاتی که در حالت عادی اصلا با هم مخلوط نمیشوند مثل تیتانیم و منیزیم به کار گرفته شود با استفاده از این روش می توان ترکیباتی کم دانسیته و ساختار های لایه ای در حد نانومتر تولید کرد.
خلاصه جدول فرآیندهای گوناگون P/M تیتانیم :



نمودار گستردگی فرآیندهای گوناگون P/M تیتانیم :


اندازه ی این عکس تغییر داده شده است. برای دیدن کامل عکس اینجا را کلیک کنید. اندازه ی عکس اصلی 664x432 و حجم آن 46KB است.



این نمودار نشان دهنده این است که استغاده از P/M و PIM نسبت به روشهای دیگر دارای دورنمای اقتصادی بهتری می باشد



شرکت های تولید کننده پودر ،قیمت و نوع پودر تولیدی




در این جدول نام تعدادی از شرکت های تولید کننده پودر، نوع و قیمت آنها آمده است .



استفاده پودر تیتانیم در هوافضا :
دلایل اصلی برای استفاده از تیتانیم در صنایع هوا فضا می تواند شامل موارد زیر باشد :
1- کاهش وزن ( توسط جایگزینی Ti با فولاد )
2- محدودیت فضا (جایگزینی Ti با آلیاژهای آلومینیم )
3- دمای عملیات (جایگزینی Ti با Al و Ni و فولاد )
4- مقاومت به خوردگی (جایگزینی Ti با آلیاژهای آلومینیم )

ویژگیهای زیر دلایل اصلی جایگزینی Ti با فولاد وآلیاژهای آلومینیم می باشد :
1- نسبت وزن به استحکام بالای تیتانیم
(یعنی دانسیته کمتر نسبت به فولاد و آلومینیم و در عین حال استحکام بالاتر )
2- مقاومت به خوردگی بالا
(مقاومت به خوردگی تیتانیم به گونه ای است که در محیط های خورنده نیاز به پوشش ندارد )
3- قابلیت استفاده از تیتانیم در رنج وسیعی از دما

از آلیاژهای پر مصرف در صنعت هوافضا می توان به Ti-6Al-4Cu اشاره کرد که نزدیک به 45 درصد کل تولید تیتانیم مربوط به این آلیاژ است . آلیاژ مناسب دیگر برای استفاده در صنعت هوایی Ti-13Nb-13Zr می باشد که دارای کاربردهای نظامی نیز می باشند . برای تولید محصول معمولا پودرهای دو آلیاژ بالا با یکدیگر مخلوط شده سپس مواد اضافی مانند چسبها اضافه می شود و مخلوط بدست آمده به صورت تک محور و تک عملیات تحت پرس ایزواستاتیک سرد قرار می گسیرد و در دمای 900 تا 1500 درجه سانتیگراد زینتر می شود .

بیش از یک دهه قبل مرکز توجه گسترش آلیاژهای تیتانیم از صنایع هوافضا به سمت کاربردهای صنعتی از جمله اتومبیل سازی انتقال پیدا کرد . با این حال صنعت تیتانیم هنوز وابسته به صنایع هوافضا است و این بخش هنوز درصد زیادی از کل مصرف تیتانیم را دارد.

استفاده از متالورژی پودر تیتانیم در صنایع اتومبیل سازی :

قطعات تولید شده از پودر تیتانیم هم می توانند درون موتور و هم می توانند بیرون موتور مورد استفاده قرار بگیرند .
درون موتور شامل : بادامک ، سوپاپ ، پین های پیستون ، میل لنگ ، اهرم های سوپاپ ، فنرهای نگهدارنده ، پروانه ، اگزوز
بیرون موتور شامل : پروانه ، دیسک ترمز ، اگزوز ، سیستم تعلیق ، توپی چرخ ها ، شاسی

مهمترین مزیت استفاده از تیتانیم این است که با کاهش 15 درصدی وزن اتومبیل ها قدرت موتور می تواند تا 50 درصد افزایش پیدا کند .





کاهش جرم یک فنر با استفاده از تیتانیم به جای فولاد





در این جدول قطعات تولید شده بوسیله متالورژی پودر تیتانیم توسط شرکت های معتبر از سال 1992 تا 2003 در قسمت های مختلف موتور تولید شده نشان داده شده است.نام شرکت هایی همانند BMW – هوندا – فراری – فولکس واگن – میتسوبیشی به چشم می خورد .




















در این شکل فرآیند تولید قطعات اتومبیل به وسیله آلیاژهای Ti-MMC را نشان می دهد . که در آن ایتدا پودر تیتانیم با TiC یا TiB2 مخلوط شده سپس تحت فشارش 400 mpa قرار می گیرد . ماده خام بدست آمده تحت خلاء و در دمای 1300ºc حرارت داده شد و برای مصارف صنعتی به کار گرفته می شود .


دلایل محدودیت استفاده از تیتانیم :
1- هزینه بالای تولید نسبت به آلومینیم و فولاد ( تقریبا سه برابر)
2- هزینه بالای ماشین کاری ( تقریبا 10 برابر بیشتر از ماشین کاری آلومینیوم )
3- هزینه بالای استخراج (هزینه استخراج تیتانیم در هر پوند تقریبا 30 برابر بیشتر از فولاد و 6 برابر بیشتر از آلومینیوم می باشد )

جدول مقایسه قیمت تیتانیم با فولاد وآلومینیوم :




با توجه به جدول مشاهده می شود تیتانیم در مقایسه با فولاد و آلومینیوم دارای قیمت بالاتری می باشد



پیشنهادات :

· اکنون حدود 60 میلیون وسیله نقلیه در سال تولید می شود در صورتی که از ایت وسایل تنها 0.5 پوند از تیتانیم استفاده شود این باعث افزایش 30 درصدی استفاده از تیتانیم و باعث ثبات قیمت و کم شدن وابستگی تیتانیم به صنعت هوافضا می شود.
· در دسترس قرار دادن پودرهای تیتانیم با قیمت پایین تر که می تواند با توسعه هر چه بیشتر تکنولوژی های حالت جامد صورت گیرد .
· همکاری بیشتر با صنعت برای اجازه دادن به تیتانیم برای نفوذ در بازارهای جدید .
بعضی اعتقاد دارند که قرن 21 قرن تیتانیم خواهد بود و تیتانیم یک راه حل جهانی است

منابع
  • Developments in Titanium P/M
  • Production of Titanium Alloys for AdvancedAerospace Systems by Powder Metallurgy

  • Titanium Technology: Present Status and
    Future Trends
  • Powder Metallurgy of Titanium Alloys


ارسال توسط محسن حیدری
آخرين مطالب
کارت اعتباری ویزا

کتاب کسب درآمد از اینترنت در ۷ روز

آدرس مجازی خارجی برای گوگل ادسنس