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 .