مقدمه اي بر "متالورژي پودر تيتانيم (P/M Ti)"

[M@hdi42]

مقدمه اي بر "متالورژي پودر تيتانيم (P/M Ti)"

تاريخچه :
تيتانيم در سال 1971 توسط william gregorدر انگلستان كشف شد اين عنصر چند سال بعد توسط هنريش كلاپروت در سال 1975دوباره كشف گرديد و بر اساس اساطير يونان به نام titan نامگذاري شد .فلز تيتانيم به جهت تركيب با ساير عناصر وجود دارد. اين عنصر چهارمين عنصر فراوان در پوسته زمين است و تقريبا 0.86 % درصد كل جرو پوسته زمين را تشكيل مي دهد . تيتانيم به راحتي در دماهاي زياد با اكسيژن و كربن واكنش مي دهد . به همين دليل توليد فلز تيتانيم خالص مشكل مي باشد . اين فلز در شهاب سنگ ها ، ستارگان و خورشيد نيز وجود دارد . در سنگهايي به وسيله آپولو 17 از ماه آورده شد حدود 12 درصد TiO2 وجود داشت . تيتانيم همچنين در خاكستر زغال سنگ در گياهان و در بدن انسان وجود دارد .

تركيبات :
مهمترين تركيبات تيتانيم TiO2 مي باشد . TiO2 به عنوان رنگدانه سفيد در صنعت رنگ سازي – پلاستيك - سيمان مورد استفاده قرار مي گيرد . همچنين از اكسيد تيتانيم براي براق كردن سطح فلزات ، لعاب دادن دادن و در سراميك ها استفاده مي شود . ياقوت كبود و يا ياقوت قرمز درخشندگي خود را از دي اكسيد تيتانيم موجود در خود مي گيرند.
اثر تيتانيم بر سلامتي انسان :

ميزان سمي بودن تيتانيم به جهت عنصري و اكسيد تيتانيم اندك است . تنفس غبار تيتانيم باعث گرفتگي و درد سينه ، سرفه ، و مشكلات تنفسي مي شود . اگر اكسيد تيتانيم با پوست و چشم تماس پيدا كند باعث تحريك مي گردد . تنفس ، تماس پوستي و چشمي راهاي ورود اكسيد تيتانيم به بدن انسان است . آژانس بين المللي تحقيقات سرطان اكسيد تيتانيم رادر گروه 3 قرار داده است .

ساير مصارف عمده تيتانيم :

تيتانيم در صنايع هواپيما سازي – اتومبيل سازي – پزشكي – صنعت نفت – تصفيه آب و ساخت انبارهاي مخصوص جهت نگهداري از ضايعات اتمي كاربرد دارد .

روش هاي استخراج و توليد تيتانيم :

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

فرآيند كرول يك روش استخراج الكترومكانيكي است كه در آن براي توليد تيتانيم از احيايTiCl4 استفاده مي شود . مهمترين مزيت توليد مداوم ، صرفه جويي در مصرف سوخت و اتوماسيون توليد است اما با اين حال بسيار گران و پيچيده است .
فرآيندهاي Hunter ، Armstrong تقريبا شبيه كرول مي باشد .در فرآيند FFC Cambridge از فازهاي پودر دي اكسيد تيتانيم برای تولید نهایی که جریان مداومی از تیتانیم مذاب است استفاده می شود.تيتانيم توليد شده در روش كرول به ازاي هر پوند 50بالاي دلار ودر روش آرمسترانگ به ازاي هر پوند 5-8 دلار مي باشد . متاسفانه اطلاعات قيمت دو روش ديگر در دسترس نبود اما به نظر مي رسد فرآيند FFC يك ،رآيند جديدتر و كم هزينه تر باشد .

انواع پودرهاي تيتانيم:

شكل a : پودرهاي اتميزه شده كه به روش پيش آلياژ كردن تهيه مي شوند

شكل b : پودرهاي هيبريد – دي هيبريد كه بوسيله پيش آلياژ كردن توليد شده اند و به طور طبيعي گوشه دار هستند .

شكل c : فاز اسفنج ( يك محصول فرعي از توليد اسفنج )

شكل d : يك نوع پودر جديد كه بوسيله فرآيند الكتروليز معكوس توليد شده است .


توسعه و پيشرفت متالورژي پودر تيتانيم (P/M) :

اخيرا استفاده از متالورژي پودر تيتانيم به عنوان يك روش ساخت مناسب قطعات از اين فلز گران قيمت مورد توجه قرار گرفته است . در اين جا روشهاي مختلف متالورژي پودر تيتانيم مورد بررسي قرار گرفته اند كه 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


شكل دادن با ليزر Laser Forming :

تكنيك Laser Forming در اين شكل نشان داده شده است . مشخصه هاي اين تكنيك به شرح زير مي باشد :
1- كاهش زمان توليد
2- كاهش نسبت خريد به پرداخت
3- نياز به حداقل ماشينكاري
هم اكنون از اين روش براي توليد اشكال آزمايشي بزرگ تيتانيمي ( 3 تا 10 فوت ) در شركت boeing استفاده مي شود . تا در صورت موفقيت از آن براي ساخت قطعات واقعي استفاده شود .

قطعات تولید شده به روشLaser Forming

PIM (powder injection molding):

از اين روش براي توليد قطعات پيچيده ي كوچك ( معمولا زير 400 گرم ) استفاده مي شود . در اين فرآيند ابتدا پودر بلور با چسب پليمري مقاوم به حرارت مخلوط مي شود سپس فرم داده شده و زينتر مي گردد . فرآيند زينتر بايد در دماهاي بالاي C °150 براي شكل دهي به چسب صورت مي گيرد كه اين دما به چسب ترموپلاست بستگي دارد .
عوامل زير باعث مي شود كه استفاده از PIMدچار محدوديت شود .
1- عدم دسترسي به پودر مناسب.
2- عدم محافظت مناسب از تيتانيم در طول فرآيندهاي داراي دماي بالا.
3- كمبود چسب هاي مطلوب براي عنصر فعالي چون تيتانيم.
تيتانيم تمايل زيادي براي ايجاد محلول هاي بين نشين با عناصر كربن – اكسيژن – نيتروژن دارد . حضور اين عناصر به همراه فرآيند PIM را دچار مشكل مي كند .
زيرا تيتانيم با آنها تركيبات بين نشين تشكيل داده و باعث تردي مي شود . بنابراين استفاده از يك چسب مناسب كه بتواند به طور كامل ذرات پودر را پوشانده و از تركيب آن با عناصر بين نشين جلوگيري كند بسيار مفيد مي باشد اين مسئله به خصوص در كاربردهاي اساسي مانند ساختارهاي فضايي و اجزاء كاشت دارويي بسيار مهم مي باشد . زيرا در اين ساختارها ميزان نا خالصيب بايد كمتر از 200PPM باشد . با اين اوصاف چسب مورد استفاده در فرآيند PIM تيتانيم بايد داراي ويژگي هاي زير باشد :

1- از ورود مواد ناخالصي(عناصري مثلC ,O2, N2 ) به داخل قطعات زينتر شده جلوگيري كنند
2- پايداري شيمياي داشته باشد يعني تمايل به تجزيه شدن نداشته باشد .
3- پايداري شيمياي خود را در دماهاي بالا و در زمانهاي زياد حفظ كند .

P.I.M مراحل توليد

همان طوري كه گفته شد از PIM براي توليد قطعات پيچيده كوچك استفاده مي شود . ابعاد قطعات PIM تيتانيم از نظر اندازه تا يك فوت مي رسند اما در عمل قطعات با ابعاد بالاي 3 تا 4 اينچ معمول نيستند .
زيرا اجزاء بزرگ به دليل شكل پذيري كمترشان نسبت به قطعات كوچكتر ، در حين انقباض مشكل ساز شده و نمي توان آنها را به راحتي شكل داد .
با انجام آزمايشات و به ويژه با استفاده از چسب هاي جديد شكل انقباض تا حدي حل شده است . بر آوردها نشان مي دهد كه ماهانه 3 تا5 تن قطعه در ماه با استفاده از فرآيند PIM توليد مي شود .

[M@hdi42]

Spray Forming :

Spray Forming مي تواند به وسيله فلز گداخته يا پودر جامد صورت گيرد هر دو شكل Spray Forming بايد در يك محيط فاقد جنبش و تحت شرايط واكنش پذير صورت بگيرد .
با استفاده از اين روش قطعات با تقريب اندازه مناسبي بدست مي آيند . يعني دقت ابعادي قطعات توليد شده از اين روش مناسب است.اخيرا استفاده از Spray forming سرد توسعه بيش تري نسبت به گذشته يافته است . در اين روش اندازه پودر هاي مورد استفاده براي اسپري بين 50-1 ميكرومتر دما زير C °500 و سرعت افشانش بين 200-300 m/s مي باشد . از Spray Forming سرد براي توليد 1- اشكال يكپارچه و 2- اجزاء پوشش مي توان اسنفاده كرد . دانسيته ناحيه اسپري شده در اين روش كامل نيست اما مي توان با استفاده از فرآيند HIP دانسيته را تا 100 درصد افزايش داد.

نمودار مقايسه دماي spry forming گرم و سرد

مواد پوشش داده شده در اشكال مختلف

اشكال يكپارچه

نمايي از يك پوشش تيتانيمي روي فولاد كه به وسيله اسپري فورمينگ ايجاد شده است.

Near Net Shape :

در فرآیند شکل دادن Near Net Shape از تكنيك هاي مختلفي مثل :

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

براي شكل دادن به قطعه استفاده مي شود . براي راحتتر شدن كار قطعات توليد شده از Near Net Shape به دو بخش ، قطعات توايد شده با استفاده از تكنيك آميختن ابتدايي(BE) و قطعات توليد شده با استفاده از تكنيك پيش آلياژ كردن (PE) تقسيم مي شوند .
1) تكنيك آميخن ابتدايي (BE) اين پتانسيل را دارد كه به عنوان كم هزينه ترين فرآيند متالورژي پودر تيتانيم باشد به ويژه اگر در آن از مرحله فشرده سازي پانويه اجتناب گردد .تكنيك خا كه هاي اسفنجي و آلياژ اصلي به صورت ابتدايي آميخته شده و پس از انجام عمليات فشرده سازي زينتر مي شود قطعات توليد شده در اين روش داراي دانسيته نسبتا بالايي مي باشند .

چوب گلف ساخته شده از BE

چوب بیسبال ساخته شده ازBE تیتانیم

سوپاپ ساخته شده ازBE تیتانیم

استفاده از تكنيك Press-and-Sinterدر فرآيند BE راهي موثر براي صرفه جويي اقتصادي در توليد اجزاء و قطعات پيچيده است در اين روش از پودر هيبريد شده تيتانيم همراه نسبت 60:40 آلومينيوم و واناديم استفاده مي شود وجود هيدروژن ويژگي زير را به قطعه مي دهد :
1-دانسيته بالا
2-ساختار ميكروسكوپي همگن
3-خواص همگن شيميايي
4-كم بودن محتواي ناخالصي
استفاده از اين روش باعث كاهش بيش تر وزن قطعات توليدي مي شود . در مصرف سوخت صرفه جويي ميكند به همين دليل داراي صرفه اقتصادي است. قطعه داراي دانسيته بالايي مي شود . و خواص آن با خواص شمش هاي ريختگي قابل مقايسه است . قيمت پايين اين فرآيند همراه با خواص مكانيكي جالب توجه ، اين فرآيند را به عنوان ، فرآيند مناسبي در صنعت اتومبيل سازي مطرح كرده است .
به طوري كه هزينه توليد در اين روش 3 دلار به ازاي هر 320gr ميباشد .

فرآیند استفاد از پودر هيدريد شده تيتانيم 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


نمونه‌اي از قطعات توليد شده با پودر هيدريد تيتانيم

2- پيش آلياژ كردن PA :
از اين فرآيند پيش آلياژ كردن براي توليد اجزاء و قطعات پيچيده و بزرگ استفاده مي شود . فرآيند PA با استفاده از پودر پيش آلياژ شده صورت ميگيرد.
پودرهاي مورد استفاده در اين روش بايد كروي باشند . براي توليد پودر از تكنيك الكترود چرخشي پلاسما (PREP) و يا اتميزه كردن گاز (GA) استفاده مي شود .
در اين روش پودرها در يك قالب فلزي يا سراميكي پاشيده مي شوند سپس به وسيله يك فرآيند ثانويه انباشته شده و به هم مي چسبند و در نهايت طي يك فرآيند فشارش ايزو استاتيك گرم فشرده مي 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 آلوميناي تيتانيم كه در ناسا مورد استفاده قرار مي گيرد .

فرآيندهاي غير تعادلي :
انجماد سريع ، آلياژ سازي مكانيكي ، رسوب گذاري همه از نوع فرآيند هاي غير تعادلي مي باشند . با استفاده از قوانين جديد مثل ميزان قابليت حلاليت و به كمك سه فرآيند بالا مي توان ميكرو ساختار را تغيير داد و به يك ساختار ريز تر و پراكندگي بالاتر از فاز دوم دست يافت.
فرآيند رسوب دهي از بخار (VP) مي تواند براي فلزاتي كه در حالت عادي اصلا با هم مخلوط نميشوند مثل تيتانيم و منيزيم به كار گرفته شود با استفاده از اين روش مي توان تركيباتي كم دانسيته و ساختار هاي لايه اي در حد نانومتر توليد كرد.

- - - به روز رسانی شده - - -

خلاصه جدول فرآيندهاي گوناگون P/M تيتانيم :

نمودار گستردگي فرآيندهاي گوناگون P/M تيتانيم :

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 اين جدول نام تعدادي از شركت هاي توليد كننده پودر، نوع و قيمت آنها آمده است .

استفاده پودر تيتانيم در هوافضا :
دلايل اصلي براي استفاده از تيتانيم در صنايع هوا فضا مي تواند شامل موارد زير باشد :
1- كاهش وزن ( توسط جايگزيني Ti با فولاد )
2- محدوديت فضا (جايگزيني Ti با آلياژهاي آلومينيم )
3- دماي عمليات (جايگزيني Ti با Al و Ni و فولاد )
4- مقاومت به خوردگي (جايگزيني Ti با آلياژهاي آلومينيم )

ويژگيهاي زير دلايل اصلي جايگزيني Ti با فولاد وآلياژهاي آلومينيم مي باشد :
1- نسبت وزن به استحكام بالاي تيتانيم
(يعني دانسيته كمتر نسبت به فولاد و آلومينيم و در عين حال استحكام بالاتر )
2- مقاومت به خوردگي بالا
(مقاومت به خوردگي تيتانيم به گونه اي است كه در محيط هاي خورنده نياز به پوشش ندارد )
3- قابليت استفاده از تيتانيم در رنج وسيعي از دما

از آلياژهاي پر مصرف در صنعت هوافضا مي توان به Ti-6Al-4Cu اشاره كرد كه نزديك به 45 درصد كل توليد تيتانيم مربوط به اين آلياژ است . آلياژ مناسب ديگر براي استفاده در صنعت هوايي Ti-13Nb-13Zr مي باشد كه داراي كاربردهاي نظامي نيز مي باشند . براي توليد محصول معمولا پودرهاي دو آلياژ بالا با يكديگر مخلوط شده سپس مواد اضافي مانند چسبها اضافه مي شود و مخلوط بدست آمده به صورت تك محور و تك عمليات تحت پرس ايزواستاتيك سرد قرار مي گسيرد و در دماي 900 تا 1500 درجه سانتيگراد زينتر مي شود .

بيش از يك دهه قبل مركز توجه گسترش آلياژهاي تيتانيم از صنايع هوافضا به سمت كاربردهاي صنعتي از جمله اتومبيل سازي انتقال پيدا كرد . با اين حال صنعت تيتانيم هنوز وابسته به صنايع هوافضا است و اين بخش هنوز درصد زيادي از كل مصرف تيتانيم را دارد.

استفاده از متالورژي پودر تيتانيم در صنايع اتومبيل سازي :

قطعات توليد شده از پودر تيتانيم هم مي توانند درون موتور و هم مي توانند بيرون موتور مورد استفاده قرار بگيرند .
درون موتور شامل : بادامك ، سوپاپ ، پين هاي پيستون ، ميل لنگ ، اهرم هاي سوپاپ ، فنرهاي نگهدارنده ، پروانه ، اگزوز
بيرون موتور شامل : پروانه ، ديسك ترمز ، اگزوز ، سيستم تعليق ، توپي چرخ ها ، شاسي

مهمترين مزيت استفاده از تيتانيم اين است كه با كاهش 15 درصدي وزن اتومبيل ها قدرت موتور مي تواند تا 50 درصد افزايش پيدا كند .

کاهش جرم یک فنر با استفاده از تیتانیم به جای فولاد

در اين جدول قطعات توليد شده بوسيله متالورژي پودر تيتانيم توسط شركت هاي معتبر از سال 1992 تا 2003 در قسمت هاي مختلف موتور توليد شده نشان داده شده است.نام شركت هايي همانند BMW – هوندا – فراري – فولكس واگن – ميتسوبيشي به چشم مي خورد .

پتانسیل استفاده از P/M تیتانیم در اتومبیل

پتانسیل استفاده ازP/M تیتانیم در شاسی یک اتومبیل

قسمتهای مختلف یک موتور که به وسیله P/M تیتانیم تولید شده اند

در اين شكل فرآيند توليد قطعات اتومبيل به وسيله آلياژهاي Ti-MMC را نشان مي دهد . كه در آن ايتدا پودر تيتانيم با TiC يا TiB2 مخلوط شده سپس تحت فشارش 400 mpa قرار مي گيرد . ماده خام بدست آمده تحت خلاء و در دماي 1300ºc حرارت داده شد و براي مصارف صنعتي به كار گرفته مي شود .


دلايل محدوديت استفاده از تيتانيم :
1- هزينه بالاي توليد نسبت به آلومينيم و فولاد ( تقريبا سه برابر)
2- هزينه بالاي ماشين كاري ( تقريبا 10 برابر بيشتر از ماشين كاري آلومينيوم )
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

پيشنهادات :

· اكنون حدود 60 ميليون وسيله نقليه در سال توليد مي شود در صورتي كه از ايت وسايل تنها 0.5 پوند از تيتانيم استفاده شود اين باعث افزايش 30 درصدي استفاده از تيتانيم و باعث ثبات قيمت و كم شدن وابستگي تيتانيم به صنعت هوافضا مي شود.
· در دسترس قرار دادن پودرهاي تيتانيم با قيمت پايين تر كه مي تواند با توسعه هر چه بيشتر تكنولوژي هاي حالت جامد صورت گيرد .
· همكاري بيشتر با صنعت براي اجازه دادن به تيتانيم براي نفوذ در بازارهاي جديد .
بعضي اعتقاد دارند كه قرن 21 قرن تيتانيم خواهد بود و تيتانيم يك راه حل جهاني 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