تیتانیوم آلیاژی گرید 5 - Ti 6Al-4V

تیتانیوم گرید 5 - Ti-Gr5 - Titanium Grade 5

پرکاربردترین و نیز متداول‌ترین آلیاژ تیتانیوم آلفا-بتا است. این آلیاژ قابل ریخته‌گری است و به صورت ریختگی در محصولات ورزشی مورد استفاده قرار می‌گیرد. شکل کارشده این آلیاژ در هوا و فضا، پزشکی و دیگر کاربردها جایی که استحکام متوسط، نسبت استحکام به وزن خوب و خواص خوردگی مطلوب مورد نیاز است مورد استفاده قرار می‌گیرد، که ترکیببی از استحکام بالا و تافنس را ارائه می‌دهد. تیتانیوم گرید 5 دارای خواص جوشکاری و ساخت خوبی است همچنین دارای قابلیت عملیات حرارتی و جوشکاری و فورج و کاربردهای متنوع دارد.

ترکیب شیمیایی Ti Grade 5 - تیتانیوم گرید 5

Hydrogen H 0/0125
Nitrogen N 0/05
Carbon C 0/10
Oxygen O 0/20
Iron Fe 0/30
Vanadium V 3/50-4/50
Aluminium Al 5/50-6/75
Titanium Ti Balance

ویژگی‌های کلیدی Ti Grade 5 - تیتانیوم گرید 5

• استحکام بالا
• آلياژهای آلفا-بتا بهترين خواص مكانيكی را بين آلياژهای تيتانيوم دارد
• قابليت افزايش استحكام به وسيله انجام عمليات حرارتی
• قابليت انجام عمليات حرارتی كمتر نسبت به آلياژهای تكفاز بتا
• قابليت جوشكاری ضعيف به دليل وجود ريز ساختار دوفازی

آلیاژ تیتانیوم گرید 5 یا  Ti-6Al-4V پرکاربردترین گرید آلیاژ تیتانیوم است. این آلیاژ متشکل از دو فاز آلفا + بتا می‌باشد. در آلیاژ Ti grade 5، آلومینیوم در پایدارسازی فاز آلفا و وانادایوم در پایدارسازی فاز بتا موثر است. آلیاژ تیتانیوم گرید 5، استحکام بالایی دارد و می‌تواند از دماهای برودتی تا دماهای حدود 427 درجه سانتی‌گراد (800 درجه فارنهایت) مورد استفاده قرار بگیرد. به منظور استفاده از آلیاژ Ti-6Al-4V در کاربردهای مختلف، این ماده باید در شرایط عملیات حرارتی آنیل و شرایط عملیات حرارتی انحلالی و پیرسختی باشد.
 ساخت آلیاژ Ti grade 5 با روش‌هایی همچون ذوب اولیه توسط قوس خلأ (VAR)، پرتو الکترونی و PAM یا (Plasna arc hearth melting) صورت می‌گیرد.
آلیاژ Ti-6Al-4V  به دلیل داشتن استحکام مکانیکی مناسب و چگالی کم، نسبت استحکام به وزن بالایی دارد و این موضوع یک ویژگی بسیار مثبت برای آن محسوب می‌شود. همچنین مقاومت به خوردگی این آلیاژ در بسیاری از محیط‌ها، عالی است. آلیاژ تیتانیوم Grade 5 به طور کامل قابل عملیات حرارتی است (به عبارتی دیگر هر دو عملیات انحلالی + پیرسازی برای آن می‌تواند انجام شود).

مقاومت به خوردگی تیتانیوم گرید 5

آلیاژ تیتانیوم گرید 5، مقاومت به خوردگی بسیار خوبی در اکثر محیط‌های دریایی و نفت و گاز ساحلی دارد. از طرفی تیتانیوم و آلیاژهای آن در طیف گسترده‌ای از محیط‌های اسیدی، مقاومت مناسبی دارند و در برابر اسیدهای اکسیدکننده نیز دارای رفتار حفاظتی مطلوبی هستند. همچنین این مواد در برابر اسیدهای کاهنده نیز مقاوم می‌باشند و در مقابل اسیدهای آلی هم در دماها و غلظت‌های اندک، رفتار حفاظتی مطلوبی از خود نشان می‎‌دهند.
توجه داشته باشید که آلیاژ را نباید در نیتریک اسید دود قرمز (Red fuming nitric acid) مورد استفاده قرار داد زیرا دچار تخریب می‌شود. همچنین در محیط هیدروفلوئوریک اسید نیز این ماده به سرعت تحت حمله قرار می‌گیرد. افزودن میزان 05/0 درصد پالادیم در آلیاژ تیتانیوم گرید 24، 1/0 درصد روتنیوم در گرید 29 و یا 05/0 درصد پالادیوم و 5/0 درصد نیکل در گرید 25، به طور قابل توجهی  مقاومت به خوردگی را در اسیدهای کاهنده کلریدی و محیط‌های گاز ترش افزایش می‌دهد و دمای آستانه را تا بیش از 200 درجه سانتی‌گراد بالا می‌برد.

بررسی ریزساختار آلیاژ تیتانیوم گرید 5

دو فاز آلفا و بتا در ریزساختار تیتانیوم و آلیاژهای آن نظیر تیتانیوم گرید 5، مهم‎‌ترین نقش را ایفا می‌کنند. در تیتانیوم خالص فاز آلفا با شبکه هگزاگونال یا hcp از دمای اتاق تا دمای حدود 1620 درجه فارنهایت (882 درجه سانتی‌گراد) پایدار است. از طرفی فاز بتا با شبکه bcc از دمای 1620 درجه فارنهایت تا 3040 درجه فارنهایت (1688 درجه سانتی‌گراد) پایداری دارد.
افزودن انتخابی عناصر دیگر به تیتانیوم و ساخت آلیاژ، موجب حصول طیف وسیعی از خواص فیزیکی و مکانیکی می‌گردد. در ادامه به تشریح مهم‌ترین تأثیرات برخی از عناصری آلیاژی در آلیاژهای تیتانیوم می‌پردازیم:

1. بعضی از افزودنی‌های آلیاژی مثل آلومینیوم و عناصر بینابینی نظیر کربن، نیتروژن و اکسیژن، در پایدارسازی فاز آلفا بسیار موثر هستند. در حقیقت این عناصر موجب افزایش دمای استحاله تبدیل آلفا به بتا می‌شوند. این دما، به عنوان دمای استحاله بتا یا بتا ترانسوس (beta transus) معروف است.
2. بیشتر افزودنی‌های آلیاژی مثل کروم، نئوبیوم، مس، آهن، منگنز، مولیبدن، تانتالیم، وانادیوم و... به دلیل پایین آوردن دمای بتا ترانسوس، منجر به پایداری فاز بتا می‌گردند.
3. برخی از عناصر مانند قلع و زیرکونیوم به عنوان املاح خنثی در تیتانیوم شناخته می‌شوند. در حقیقت این عناصر، تأثیر اندکی برای دمای تبدیل یا ترانسوس دارند و صرفاً در استحکام‌بخشی فاز آلفا موثر هستند.

عناصر آلیاژی در ریزساختار آلیاژهای تیتانیوم نقش مهمی دارند. به طور کلی آلیاژهای تیتانیوم شامل 3 دسته هستند که عبارتند از: آلفا، بتا، آلفا-بتا. آلیاژ تیتانیوم گرید 5 در زیرمجموعه آلیاژهای آلفا-بتا قرار می‌گیرد. در ادامه به بررسی دقیق‌تر این آلیاژها و ریزساختارهای آن‌ها می‌پردازیم.

آلیاژ آلفا

این آلیاژهای تک فاز، جوش‌پذیری خوبی دارند و به دلیل داشتن درصد مناسبی از آلومینیوم، دارای استحکام بالا و مقاومت به اکسیداسیون مطلوبی در محدوده دمایی 316 الی 593 درجه سانتی‌گراد (600 تا 1100 درجه فارنهایت) هستند. با توجه به تک فاز بودن آلیاژهای آلفا، امکان استحکام‌بخشی در آن‌ها با انجام عملیات حرارتی، فراهم نیست.

آلیاژ آلفا-بتا (تیتانیوم گرید 5)

افزودن مقادیر کنترل شده از عناصر پایدارکننده فاز بتا، موجب می‌شود تا برخی از فازهای شرطی در دمای کمتر از بتا تراسوس تا دمای اتاق باقی‌ بمانند. نتیجه این اتفاق، تشکیل یک آلیاژ و سیستم دو فاز است. آلیاژ تیتانیوم گرید 5 در این دسته قرار می‌گیرد. حتی مقدار اندکی از پایدارکننده‌های بتا، می‌توانند موجب پایداری فاز بتا در دمای اتاق شوند. منظور از آلیاژ آلفا-بتا، آلیاژی است که حاوی مقدار زیادی از عناصر پایدارکننده آلفا و مقدار اندکی از عناصر پایدارکننده بتا می‌باشند.
در صورت افزودن مقادیر بیش از عناصر پایدارکننده بتا، درصد بیشتری از فاز بتا در دمای اتاق حفظ می‌گردد. استحکام‌بخشی آلیاژهای تیتانیوم دو فاز شامل انجام عملیات حرارتی، کوئنچ از دمای بالا (محدوده آلفا بتا) و سیکل پیرسازی در دمای پایین‌تر از محدوده مذکور است.
استحاله تبدیل فاز بتا به آلفا  معمولاً در سرمایش آهسته رخ می‌دهد. بنابراین با سریع سرد کردن (کوئنچ) می‌توان از وقوع این استحاله جلوگیری کرد. سیکل پیرسازی نیز موجب رسوب ذرات آلفای ریز از بتای ناپایدار می‌شود. نتیجه چنین اتفاقی، ایجاد ساختاری قوی‌تر و مستحکم‎‌تر نسب به ساختار آلفا-بتا آنیل شده است.
در آلیاژ Ti-6Al-4V وجود 5/3 تا 5/4 درصد وانادیوم، تأثیر مهمی بر پایداری فاز بتا می‌گذارد.

آلیاژ تیتانیوم بتا

آلیاژهای تیتانیوم بتا به دلیل برخورداری از درصد بالایی از عناصر پایدار کننده بتا، بعد از انجام عملیات انحلالی، دارای فاز بتا پایدار هستند. استحکام‌بخشی آن‌ها می‌تواند با رسوب فاز آلفا در حین فرایند پیرسازی اتفاق بیفتند.

تفاوت تیتانیوم گرید 5 با تیتانیوم خالص

تیتانیوم‌های تجاری خالص شامل 4 گرید (1-4) هستند که از لحاظ ریزساختاری، به صورت تک‎فاز می‌باشند. از طرفی آلیاژهای تیتانیوم می‌توانند به صورت تک فاز آلفا یا تک فاز بتا و یک دو فاز آلفا-بتا باشند.
آلیاژ تیتانیوم گرید 5 در دسته آلیاژهای دو فاز قرار می‌گیرد. براساس بررسی‎های صورت گرفته، این آلیاژ بیش از نیمی از مصرف جهانی تیتانیوم را به خود اختصاص داده است و به همین دلیل متداول‌ترین آلیاژ تیتانیوم محسوب می‌شود. وجود عناصر آلیاژی مثل آلومینیوم در ساختار تیتانیوم گرید 5، باعث ایجاد استحکام و مقاومت به خوردگی مطلوبی در آن می‌شود؛ در حالی که در تیتانیوم‌های خالص تجاری، تنها مقدار بسیار اندکی از عناصر بینابینی در ساختار وجود دارند و عمده ترکیب شیمیایی آن‌ها را تیتانیوم تشکیل می‌دهد.
آلیاژ تیتانیوم گرید 23 یا Ti-6Al-4V (Eli) تقریبا مشابه با تیتانیوم گرید 5 یا Ti-6Al-4V است با این تفاوت که میزان کمتری از عناصر بینابینی به ویژه اکسیژن در آن وجود دارد.

کاربردهای Ti Grade 5  - تیتانیوم گرید 5

گرید 5 تیتانیوم ، پرکاربردترین گونه آلیاژ تیتانیوم محسوب می‌شود و به همین دلیل بیش از 70 درصد گریدهای آلیاژهای ذوب شده زیر گرید Ti-6Al-4V هستند. برخی از کاربردهای این آلیاژ عبارتند از:

• ساخت پره‌های کمپرسور
• دیسک‌ها و حلقه‌ها (رینگ) برای موتور جت
• ساخت اجزای ایرفریم و کپسول فضایی
• محفظه‌های فشار
• موتورهای راکت
• قسمت هاب روتور هلیکوپتر
• اتصال‌دهنده‌ها
• فرایندهای فورج بحرانی که نیازمند نسبت استحکام به وزن بالا هستند.
• قطعات مورد استفاده در مهندسی هوافضا
• تجهیزات دریایی
• تجهیزات نفت و گاز ساحلی
• صنایع تولید برق
• تجهیزات پزشکی
• قطعات اتو اسپرت

فرایندهای ساخت و تولید تیتانیوم گرید 5 - Ti-Gr5 - Titanium Grade 5

عملیات حرارتی آلیاژ تیتانیوم گرید 5

آلیاژ تیتانیوم گرید 5 را می‌توان با روش‌های مختلفی عملیات حرارتی کرد که در ادامه به تشریح آن می‌پردازیم.

1- آنیل: عملیات حرارتی در بازه دمایی 691 الی 760 درجه سانتی‌گراد (1275 تا 1400 درجه فارنهایت)+ 5/0 تا 2 ساعت نگهداری+ سرد کردن در هوا یا کوره.
2- آنیل رهاسازی تنش: عملیات حرارتی در بازه دمایی 538 الی 649 درجه سانتی‌گراد (1000 تا 1200 درجه فارنهایت)+ 1 تا 8 ساعت نگهداری+ سرد کردن در هوا یا کوره.
3- عملیات حرارتی انحلالی: عملیات حرارتی در بازه دمایی 913 تا 954 درجه سانتی‌گراد (1675 الی 1750 درجه فارنهایت) + 1 ساعت نگهداری + سرد کردن سریع (کوئنچ) در آب.
4- عملیات پیرسازی: عملیات حرارتی در بازه دمایی 524 تا 552 درجه سانتی‌گراد ( 975 الی 1025 درجه فارنهایت) + 4 تا 8 ساعت نگهداری + سرد کردن در هوا.

عملیات حرارتی آنیل در آلیاژ Ti-6Al-4V در بازه دمایی 927 الی 1038 درجه سانتی‌گراد (1700 تا 1900 درجه فارنهایت) در جایی انجام می‌شود که استحکام، سختی و استحکام خستگی بالا مورد نظر باشند.

سختی تیتانیوم گرید 5

سختی آلیاژ تیتانیوم Grade 5 در شرایط آنیل معمولاً بین HRC 30-34 است؛ در حالی که این سختی در شرایط انحلالی و پیرسختی بین HRC 35-30 می‌باشد. این موضوع نشان می‌دهد که انجام عملیات حرارتی انحلالی و پیرسختی، موجب افزایش سختی آلیاژ می‌شود.

شکل‌دهی تیتانیوم گرید 5

شکل‌دهی داغ آلیاژ Ti-6Al-4V امکان‌پذیر است و این آلیاژ می‌تواند از دمای 954 درجه سانتی‌گراد (1750 درجه فارنهایت) تا دمای 788 درجه سانتی‌گراد (1450 درجه فارنهایت) تحت عملیات فورج نهایی قرار می‌گیرد.
توجه داشته باشید که انجام فرایند شکل‌دهی سرد آلیاژ تیتانیوم گرید 5 در دمای اتاق حتی در شرایط آنیل هم ممکن نیست. بنابراین فرایندهای شکل‌دهی شدید مثل خمش یا کشش بر روی ماده آنیل شده و در دماهای بالاتر از 649 درجه سانتی‌گراد (1200 درجه فارنهایت)، بدون تأثیر بر خواص مکانیکی انجام می‌شود.

ماشینکاری تیتانیوم گرید 5

ماشینکاری آلیاژ Ti-6Al-4V با تکنیک‌های ماشینکاری فولادهای زنگ‌نزن، قابل انجام است. توجه داشته باشید که در ماشینکاری تیتانیوم گرید 5 باید از سرعت‌های پایین، تغذیه زیاد، ابزار صلب و مقدار فراوان سیال برش غیرکلری استفاده شود. در صورت بهره‌گیری از سیال‌های برش حاوی کلر، احتمال بروز خوردگی تنشی وجود دارد.

جوشکاری تیتانیوم گرید 5

آلیاژ تیتانیوم گرید 5 جوش‌پذیری مناسبی دارد و می‌توان آن را در شرایط آنیل یا شرایط عملیات انحلالی و عملیات پیرسازی غیرکامل، جوشکاری کرد. توجه داشته باشید که در حالت دوم، عملیات پیرسازی در حین عملیات تنش‌زدایی بعد از جوشکاری، تکمیل می‌شود.
در جوشکاری آلیاژ Ti-6Al-4V رعایت نکات ایمنی به منظور جلوگیری از آلودگی‌های ناشی از اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن اهمیت بسیار زیادی دارد. جوشکاری ذوبی Alloy Ti grade 5 را می‌توان در محفظه‌های پرشده از گاز خنثی و یا استفاده از جوشکاری گاز خنثی فلز مذاب انجام داد.
روش‌هایی همچون جوشکاری نقطه‌ای، جوشکاری نواری (Seam welding) و جوشکاری جرقه‌ای یا Flash welding، برای اتصال‌دهی تیتانیوم گرید 5 گزینه‌های مناسبی به شمار می‌روند. این روش‌ها نیازی به اتمسفر محافظ ندارند.

آلودگی تیتانیوم گرید 5

آلیاژ تیتانیوم 5 در اثر فرایندهای مختلفی از جمله اسیدشویی نامناسب، پیکاپ اکسیژن، نیتروژن و کربن در حین فرایند فورج، عملیات حرارتی، لحیم‌کاری و... ممکن است دچار آلودگی هیدروژنی شود. این آلودگی می‌تواند تأثیر بدی بر شکل‌پذیری آلیاژ بگذارد و این موضوع نیز منجر به افزایش احتمال تشکیل ترک در حین شکل‎دهی می‌شود.

برای کسب اطلاعات بیشتر توصیه میشود وب سایت متالیوم را مطالعه بفرمائید .
www.metaliom.com