احتمالاً با شما در تماس هستیدتیتانیومهر روز-در قاب گوشی، قاب عینک، ایمپلنت دندان و حتی دوچرخه‌ای که سوار می‌شوید. اما ممکن است متوجه نشوید که این فلز به ظاهر "منزوی" ده خاصیت فیزیکی و مکانیکی شگفت انگیز دارد. از اعماق اقیانوس گرفته تا سطح ماه، از موتورهای هواپیما تا اسکلت انسان-چه چیزی باعث می‌شود که تیتانیوم در همه جا حاضر شود؟ امروز همه را به تفصیل توضیح خواهیم داد.
I. چگالی کم، استحکام ویژه بالا: سبک وزن و در عین حال مستحکم.
چگالی تیتانیوم 4.51 گرم بر سانتی‌متر مربع است که فقط 57 درصد چگالی فولاد- کمی بیشتر از نیمی- و کمتر از دو برابر آلومینیوم است. با این حال استحکام آن سه برابر آلومینیوم است. این به چه معناست؟ استحکام ویژه (استحکام تقسیم بر چگالی) آلیاژهای تیتانیوم در بین آلیاژهای صنعتی معمولی بیشترین است: 3.5 برابر فولاد ضد زنگ، 1.3 برابر آلیاژهای آلومینیوم و 1.7 برابر آلیاژهای منیزیم. به عبارت دیگر، برای وزن یکسان، آلیاژهای تیتانیوم می توانند بارهای بسیار بیشتر از فلزات دیگر را تحمل کنند. این ویژگی یک «ضرورت مطلق» در بخش هوافضا است. آلیاژهای تیتانیوم در حال حاضر 9.3 درصد از وزن ساختاری هواپیمای مسافربری بزرگ C919 را تشکیل می دهند و هر هواپیما تقریباً از 7 تن تیتانیوم استفاده می کند. تیتانیوم در همه جا یافت می شود، از پوست بدنه گرفته تا بست های دکل موتور. طبق داده‌های صنعت، پیش‌بینی می‌شود که بازار چین برای مواد تیتانیوم با کیفیت بالا در بخش هوافضا تا سال 2025 به 24 میلیارد یوان برسد که نشان‌دهنده افزایش 9.1 درصدی-در-سالی- است و افزایش-C919 به عنوان یکی از محرک‌های اصلی تولید انبوه است. در بخش موتور، استفاده از آلیاژهای تیتانیوم در موتور "تای هانگ" تولید داخل به 25 درصد رسیده است که با موتور F100 آمریکا قابل مقایسه است.
II. مقاومت در برابر خوردگی عالی:
تیتانیوم، فلز "جاودانه" در آب دریا، مقاومت در برابر خوردگی خود را مدیون یک "زره" نامرئی-یک لایه اکسید متراکم (TiO2) روی سطح آن است. این فیلم به ویژه در محیط های اکسید کننده پایدار است. محیط هایی مانند آب دریا، گاز کلر مرطوب، کلریت، اسید نیتریک، اسید کرومیک، و اسیدهای آلی-که باعث زنگ زدگی سریع فولاد معمولی می شوند-تیتانیوم را عملاً آسیبی ندیده باقی می گذارد.
III. مقاومت حرارتی عالی:
هنوز در دمای 500 درجه کار می کند آلیاژهای آلومینیوم در دمای 150 درجه شروع به "مبارزه" می کنند و فولاد ضد زنگ اساساً در 310 درجه "از بین می رود" در حالی که آلیاژهای تیتانیوم هنوز می توانند خواص مکانیکی خوبی را در حدود 500 درجه حفظ کنند. هنگامی که یک هواپیما به 2.7 برابر سرعت صوت می رسد، دمای سطح بدنه می تواند به 230 درجه برسد. آلیاژهای آلومینیوم{8}}در این دما دیگر قابل دوام نیستند، اما آلیاژهای تیتانیوم می‌توانند به راحتی آن را کنترل کنند. این باعث می شود آنها مواد ایده آلی برای دیسک های کمپرسور موتور هواپیما، تیغه ها و پوسته بدنه عقب باشند. آلیاژ تیتانیوم با دمای بالا{12}}Ti65 که در داخل کشور تولید شده است، دارای دمای کارکرد طولانی مدت تا 650 درجه است، که آن را به بالاترین درجه-درجه حرارت-در بین آلیاژهای تیتانیوم فرفورژه فعلی تبدیل می‌کند. GR5 (Ti-6Al-4V)، پرمصرف ترین آلیاژ تیتانیوم، بیش از 80 درصد استحکام خود را زیر 400 درجه حفظ می کند و بیش از 90 درصد از اجزای حیاتی در صنعت هوافضا را تشکیل می دهد.
IV. عملکرد عالی در دمای پایین{1}}:
در دمای هیدروژن مایع شما را ناامید نمی کند. در حالی که بیشتر فلزات در محیط‌های برودتی مانند شیشه شکننده می‌شوند، برخی از آلیاژهای تیتانیوم با این روند مخالفت می‌کنند-استحکام آنها با کاهش دما افزایش می‌یابد، در حالی که شکل‌پذیری آنها فقط اندکی کاهش می‌یابد و به آنها اجازه می‌دهد تا انعطاف‌پذیری و چقرمگی خوبی را حتی در دماهای پایین حفظ کنند.
V. غیر مغناطیسی: تیتانیوم "شنل نامرئی" زیردریایی یک ماده پارامغناطیسی با نفوذپذیری مغناطیسی تنها 1.00005 است که آن را عملاً در میدان مغناطیسی "نامرئی" می کند. این ویژگی باعث می‌شود آلیاژهای تیتانیوم به یک ماده ایده‌آل برای بدنه زیردریایی‌ها تبدیل شوند-که مین‌های مغناطیسی را تحریک نمی‌کنند و با تجهیزات ناوبری دقیق کشتی تداخلی ندارند.
VI. هدایت حرارتی پایین: تبدیل یک نقطه ضعف به یک مزیت. رسانایی حرارتی تیتانیوم فقط حدود 17 وات/(m·K)-یک-پنجم فولاد، یک-سیزدهم رسانایی حرارتی آلومینیوم و یک{6}}بیست-پنجم مس است. هدایت حرارتی ضعیف مشکلی در ماشینکاری است-گرما به راحتی روی ابزار برش جمع می‌شود و سایش ابزار را تسریع می‌کند. با این حال، در سناریوهای خاص، این در واقع یک مزیت است. رسانایی حرارتی کم تیتانیوم به آن اجازه می دهد تا در کاربردهایی که نیاز به عایق حرارتی یا کاهش اتلاف حرارت دارند، مانند اجزای عایق حرارتی در تجهیزات پردازش شیمیایی خاص، برتر باشد. در عین حال، اگرچه مبدل‌های حرارتی آلیاژ تیتانیوم رسانایی حرارتی کمتری نسبت به مس دارند، ضرایب انتقال حرارت آنها می‌تواند به 800 تا 1200 W/(m²· درجه) از طریق ساختارهای مارپیچی و میکرو{17}} و نانو{18} سطح برسد. همراه با مقاومت عالی در برابر خوردگی، نسبت عملکرد کلی بسیار بهتری نسبت به تجهیزات سنتی در محیط‌های بسیار خورنده مانند تولید کلر-و نمک‌زدایی آب دریا دارند.
VII. مدول الاستیسیته کم: نصف سفتی، ارزش منحصر به فرد-تیتانیوم دارای مدول الاستیسیته تقریباً 108 گیگا پاسکال است که فقط 55 درصد آهن و تقریباً نصف فولاد است. به عنوان یک ماده ساختاری، مدول الاستیسیته پایین به معنای استحکام کمتر و حساسیت بیشتر در برابر تغییر شکل است، که در ساخت میله‌های باریک و اجزای نازک{5}}دیواره نیاز به توجه ویژه دارد.
هشتم. استحکام کششی و استحکام تسلیم نزدیک هستند: تقریباً "بدون مصالحه". با در نظر گرفتن GR5 (Ti-6Al-4V) به عنوان مثال، استحکام کششی آن در شرایط آنیل شده تقریباً 960 مگاپاسکال است و استحکام تسلیم آن تقریباً 892 مگاپاسکال است - اختلافی تنها 68 مگاپاسکال. در مقابل، فولاد ضد زنگ 18-8 دارای استحکام کششی 608 مگاپاسکال و مقاومت تسلیم تنها 294 مگاپاسکال است که اختلاف بیش از 300 مگاپاسکال است.
هرچه استحکام تسلیم به استحکام کششی نزدیک‌تر باشد، «منطقه حائل» بین شروع تغییر شکل پلاستیک و شکست-در طراحی مهندسی کوچک‌تر می‌شود، این اجازه می‌دهد تا ظرفیت باربری- اجزای آلیاژ تیتانیوم به‌طور کامل‌تر مورد استفاده قرار گیرد، و از وضعیت نامناسبی که تغییر شکل قبل از رسیدن به حد مواد شروع می‌شود، اجتناب شود. فناوری ساخت افزودنی این مزیت را بیشتر می‌کند: نمونه‌های آزمایشی GR5 که از طریق ذوب پرتو الکترونی (EBM) تولید می‌شوند، می‌توانند به استحکام تسلیم تا 1120 مگاپاسکال و استحکام کششی 1209 مگاپاسکال دست یابند، در حالی که همچنان کشیدگی 11.1٪ را حفظ می‌کنند.
IX مستعد اکسیداسیون در دماهای بالا: نیاز به "برخورد دقیق" دارد-تیتانیوم میل بسیار قوی برای اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن دارد. در دماهای بالا، تیتانیوم به سرعت این عناصر گازی را جذب می کند و منجر به تشکیل یک لایه سخت کننده سطحی ("لایه") و کاهش انعطاف پذیری می شود. بنابراین، جوش تیتانیوم باید تحت پوشش آرگون انجام شود. لوله های تیتانیوم و ورق های نازک باید تحت عملیات حرارتی در خلاء قرار گیرند. و عملیات حرارتی آهنگری های تیتانیوم مستلزم کنترل دقیق یک جو با اکسیداسیون ملایم است. هیدروژن "دشمن شماره یک" تیتانیوم است-وقتی تیتانیوم هیدروژن را جذب می‌کند، شکنندگی هیدروژن ایجاد می‌کند که منجر به شکستگی تاخیری می‌شود. از نظر صنعتی، این امر با حذف محتوای هیدروژن از طریق آنیل خلاء (در حدود 700 درجه) حل می شود. در محیط‌های پرفشار-دریای عمیق، مقاومت در برابر شکنندگی هیدروژن یک معیار حیاتی برای انتخاب مواد است. آلیاژهای تیتانیوم که به‌طور خاص برای کاربردهای دریایی طراحی شده‌اند، مانند Ti80 و Ti180، لازم است که تحت فشارهای عمقی{14}دریایی 30 مگاپاسکال، فاقد ترک‌های هیدروژن{13}}القا شده باشند.
10. میرایی کم: راز پشت طنین ماندگار-وقتی زنگ‌های مس، فولاد و تیتانیوم دقیقاً به همان شکل و اندازه با نیروی مساوی برخورد می‌شوند، زنگ تیتانیوم طولانی‌ترین-صدا را تولید می‌کند. این به این دلیل است که تیتانیوم دارای تلفات داخلی کم و میرایی کم است{4}}انرژی حاصل از ضربه به راحتی از طریق مکانیسم‌های میکروسکوپی درون ماده تلف نمی‌شود.
ایمیل-:garychen3215@hotmail.com
آدرس: استان شانشی، چین، شهر بائوجی، خیابان بائوتی، پلاک 35
تماس: آقای گری چن
تلفن: +86-917-8883215
موبایل/واتس اپ: +86 13092900605
