الرئيسيةعريقبحث

التيتانيوم وتكنولوجيا المواد

☰ جدول المحتويات

مقدمة في التيتانيوم وسبائكه

قد عرف التيتانيوم كعنصر منذ حوالى 200 عام ولكن من حوالى 40سنه فقط اكتسب هذا المعدن إستراتيجية هامه. في هذا الوقت المنتجات التجارية من التيتانيوم وسبائكه في الولايات المتحدة ارتفعت من الصفر إلى أكثر من 23مليون كيلو جرام كل عام (مايوازى 50مليون باوند كل عام) كان الحافز وراء هذا النمو الرائع هو العالم كرول عن طريق اكتشاف طريقة اقتصاديه وأمنه نسبيا لإنتاج معدن التيتانيوم في اواخر الثلاثينيات. فعملية كرول تضمنت اختزال تيتاكلوريدات التيتانيوم كخطوه أولى من خلال الصوديوم والكلسيوم وبعد ذلك الماغنسيوم تحت ظروف جو الغاز الخامل [1] وتتابعت الأبحاث من خلال كرول والعديد من العلماء خلال الفترة في الحرب العالمية الثانية وفي اواخر الربعينات عرفت الخواص الميكانيكية والخواص الفزيائية والصفات السبائكيه للتيتانيوم وأصبحت الأهمية الاقتصادية للمعدن واضحة فالمنتجات الاقتصادية للتيتانيوم بدات بجديه في الولايات المتحدة وفي عام 1956 كانت المنتجات مسحوق (بودرة) التيتانيوم في الولايات المتحدة أكثر من 6مليون طن كل سنه مايوازى 13مليون باوند سنويا[2]

تطوير السبيكة سريعاً عرفت التاثيرات المربحة لاضافات الالومنيوم مبكراً وأصبحت سبائك تيتانيوم –الومنيوم متاحه اقتصادياً فهناك سبيكتين يتم استخدامهم بتوسع حتى الآن هما Ti-5AL-2.5Sn,Ti-6AL-4V فتم تحسينها في بدايات الخمسينيات فسبيكةTi-6Al-4V في الواقع تمثل أكثر من نصف السوق الحالى للتيتانيوم في الولايات المتحدة.[3]

الصفات العامة للمعدن

النمو السريع في صناعة التيتانيوم يعتبر شهاده للصلابة العالية ومقاومة التاكل للمعدن. فبكثافة تمثل 55% من كثافة الصلب يستخدم سبائك التيتانيوم بتوسع لعمل الأجزاء ذات الاحمال الثقيلة في عناصر المركبات الفضلئية التي تعمل في ظروف حراريه منخفضه أو متوسطه الارتفاع بحيث تتضمن كل من الهيكل الخارجى وأجزاء المحرك مقاومة التيتانيوم للتاكل تقوم على شكل طبقة اوكسيد ثابته تحمى المعدن

فهذا السلوك التخميلى للمعدن يجعله مفيداّفي التطبيقات المستخدمة في أدوات العمليلت الكميائية والاجهزة التعويضيه والأدوات الجراحيه.

انواع السبائك

يوجد التيتانيوم في نوعين من التركيب البللورى ففى درجة حرارة الغرفة التيتانيوم يكون على هيئة بللورة سداسية التركيب تمثل طور (α) وعند درجة حرارة 8830 سليزيه (مايوازى 16210 فرنهيت) تتحول إلى بللولاة مكعبه التركيب تمثلطور(β) فهذا التنوع في التركيبات البللوريه عن طريق إضافة عناصر سبائكيه وعمليات ميكانيكيه حراريه يعتبر قاعدة واساس لهذا التطور الكبير في السبائك والخصائص فهذه الأطوار تمهد سبيلاّ مريحاّ لتصنيف منتجات التيتانيوم فاستعاداّلهذه الأطوار يتم تصنيف سبائك التيتانيوم إلى سبائك α وسبائك β وسبائك β+α

  • 1. سبائك (α)

تحتوى على عناصر سبائكيه مثل الاومنيوم والقصدير والعناصر المثبتة لسبائك α تعمل عن طريق التغير في درجة حرارة تحويل الطور أو تتسبب في زياددته[4] سبائك α تتصف بوجود صلابه كافيه وصلاده ولها إمكانية للحام جيده ولكنها فقيره في إمكانية حداتها أكثر من سبائك (β)[5] فهذه الخاصية الأخيرة ينتج عنها ميل كبير في عيوب الحدادة يمكن معالجة هذه المشكلة عن طريق إعادة التسخين بصفه دوريه وجعل اختزال الابعاد اقل على عكس سبائك(β) وسبائك(α) لايمكن تقويتها بالمعالجة الحرارية فهي تستخدم في ظروف التخمير أو إعادة البلورة للقضاء على الإجهادات المتبقيه

  • 2. سبائك (β+α)

تحتوى على مركبات تساعد خليط من اطوار αوβ ويمكن أن تحتوى من 10%إلى 50% من طور (β)في درجة حرارة الغرفة أكثر سبيكه (β+α)متداوله هي Ti-6AL-4V [6]

بالرغم من صعوبة تشكيل جزيئات السبيكة في ظروف تخميرها ولكن سبائك β+α قابله للتشكيل بصفه عامه.

  • 3. سبائك (β)

تحتوى على عناصر انتقاليه مثل فاناديوم ومليدنيوم ونيوبيوم التي تقوم بتقليل درجة حرارة طورα لتحويل إلى طورβ وهذا يعزر التطور في طور β هي تمتلك قابلية ممتازه للحداده على مدى درجات حرارة واسعه أكثر من سبائك α وسبائك β يمكن تشكلها على البارد

سبائك β لها قدره هائله للتقسية وتخضع للمعالجه الحرارية

تطور السوق

بداية صناعة التيتانيوم كانت مرتبطه بسوق الطائرات التجارية والعسكريه فالاعتماد على صناعة الطائرات نتج عنها نكسات ضخمه وبالرغم من هذا كان تطور صناعة التيتانيوم في الولايات المتحدة ثابته تقريباّ

دورة حياة منتج التيتانيوم

نظرية دورة حياة المنتج استخدمت تقريباّ لحوالى 40سنه لتحليل ارتفاع وانخفاض الطلب على الإنتاج فدورة حياة المنتج تبداء منذ بداية تعريفه في السوق

ان استخدام نماذج دورة حياة المنتج تطورت اصلاّ لتطبق على صناعة الالومنيوم والصلب في الولايات المتحدة فهذه النظرية استخدمت حديثاّ في الولايات المتحدة نظراّ للتطور الاقتصادى الكبير في صناعة التيتانيوم.

تطبيقات التيتانيوم

تطبيقات التيتانيوم في صناعة الطائرات تتضمن استخدامه في كل من الهيكل الخارجى وعناصر المحرك مازال يمثل النصيب الأكبر عن استخدامات سبائك الالونيوم في الواقع التيتانيوم نجح جداّ في تطبيقات الطائرات عن احتمالية استخدامه في تطبيقات أخرى فهذه التطبيقات بدأت حديثاّ في أن يتم استكشافها فمعظمها في مراحل التطور والتحسن في حين ان البعض الآخر يتم استخدامها بالفعل اوتم استخدام كميات كافيه من المعدن فيها بحيث وتشمل :

  • التطبيقات التي تتطلب التيتانيوم نظرآ لمقاومتة للتأكل مثل التطبيقات الكميائية، وصناعة الورق ولب الورق وتطبيقات صناعة الغواصات، و إنتاج الطاقة وتخزينها.
  • التطبيقات الطبية الحيوية التي تتميز بثباتها داخل جسم الإنسان عند استخدامها في أدوات زرع الأعضاء والاجهزة التعويضية كالاطراف الصناعية.
  • تطبيقات خاصة تتطلب خصائص معينة منها مواد فائقة التوصيل(سبيكة تيتانيوم مع نيوبيوم),والسبائك التي تعود لشكلها الأصلي مثل(سبيكة تيتانيوم- نيكل).
  • مجالات تطبيقات حديثة بحيث يكون المعدن ذات صلابة عالية كا تطبيقات صناعة السيارات.
  • تطبيقات للمستهلك العادى مثل الكاميرا والجواهر وو الأدوات الموسيقية والأدوات الرياضية.

التطبيقات الفضائية الجوية والبحرية

التيتانيوم لديه كثافة عالية مما يؤدي قوة شد كبيرة ومقاومتة للتآكل عالية، ومقاومة التعب، وارتفاع مقاومة التشقق، وقدرته على تحمل درجات الحرارة المعتدلة العالية، تستخدم سبائك التيتانيوم في الطائرات والمدرعات والطلاء، ويستخدم في السفن البحرية وسفن فضائية وصواريخ. للحصول على التطبيقات سبائك التيتانيوم مع الالومنيوم، والفاناديوم، والعناصر الأخرى لمجموعة متنوعة من المكونات بما في ذلك أجزاء الهيكلية الحرجة، في جدران النار، والهبوط، وقنوات العادم (الهليكوبتر)، والأنظمة الهيدروليكية. في الحقيقة، يستخدم التيتانيوم في إنتاج محركات الطائرات والإطارات. وريال - 71 "البلاكبيرد" كانت واحدة من أول طائرات المستفيدة بطريقة واسعة من التيتانيوم ضمن هيكلها، مما يمهد الطريق له في استخدامة في الطائرات العسكرية والتجارية الحديثة. ويستخدم ما يقدر بنحو 59 ألف طن متري في طائرة بوينغ 777، في 45 بوينغ 747، و18 في 32 طائرة بوينغ 737، وفي طائرات إيرباص A340، في 18 إيرباص A330، و12 في إيرباص A320. ويجوز للطائرة إيرباص A380 استخدام 146 طن متري، بما في ذلك نحو 26 ألف طن في محركات في تطبيقات المحرك، يتم استخدام التيتانيوم عن الدوارات، وشفرات الضاغط، ومكونات النظام الهيدروليكي،. نظرا لمقاومته للتآكل العالية لمياه البحر، ويستخدم التيتانيوم في المبادلات الحرارية في محطات تحلية المياه؛ في المبردات، سخان المياه المالحة لأحواض السمك، صيد الأسماك، وسكاكين الغواصين '.
ويستخدم التيتانيوم لتصنيع العلب وغيرها من عناصر مراقبة المحيطات ونشر أجهزة رصد للاستخدام العلمية والعسكرية. وضع الاتحاد السوفياتي السابق تقنيات لصنع غواصات إلى حد كبير من التيتانيوم.[7]

التطبيقات الصناعية

ارتفاع نقاء (99.999 ٪) التيتانيوم في التركيب البلوري يستخدم التيتانيوم في الأنابيب الملحومة ومعدات عملية (المبادلات حرارية، والدبابات والسفن، والصمامات) في الصناعات الكيماوية والبتروكيماوية في المقام الأول لمقاومة التآكل.

وتستخدم سبائك محددة في تطبيقات معالجة الخامات بالمحاليل المائية، منها النيكل بسبب قوتها عالية، ويستخدم أيضا في صناعة لب الورق والورق، يستخدم التيتانيوم في المعدات التي تتعرض لعملية تآكل مثل هيبوكلوريت الصوديوم أو غاز الكلور وهناك تطبيقات أخرى تشمل : لحام بالموجات فوق الصوتية وهناك تطبيقات أخرى تعتمد على وجود رابع كلوريد التيتانيوم (TiCl4)، وهو سائل عديم اللون، بحيث تكمن اهميته على أنه مادة وسيطة في عملية صنع TiO2.

ويستخدم معدن التيتانيوم في تطبيقات السيارات، وخاصة في سباقات السيارات أو الدراجات النارية، حيث تخفيض الوزن أمر بالغ الأهمية مع الحفاظ على القوة والصلابة العالية. التكلفة العالية للتيتانيوم لجعلة قابل للتسويق في السوق الاستهلاكية العامة، بخلاف المنتجات النهائية، لا سيما بالنسبة للسباق / أداء السوق. وقد تم في وقت متأخربناء نموذج لسفينة حربية من التيتانيوم. ويستخدم التيتانيوم في العديد من السلع الرياضية : مضارب التنس والجولف، والهوكي، والدرجات البخارية، وكرة القدم، وإطارات الدراجات الهوائية والمكونات. على الرغم من أن المادة ليست المصدر الرئيسي لإنتاج دراجات وتستخدم أيضا سبائك التيتانيوم في إطارات النظارات. هذه النتائج في إطار دائم مكلفة نوعا ما، ولكن طويل المدى في الاستخدام وهو خفيف الوزن ولايسبب أي حساسية للجلد. بما في ذلك تجهيزات المطابخ وأدوات الطعام، والفوانيس.

على الرغم من أن تكلفتة أكثر قليلا من الصلب التقليدى أو بدائل الألومنيوم، وهذه المنتجات من التيتانيوم تكون أخف وزنا بنسبة كبيرا دون المساس بالقوة. بسبب متانتها، أصبح أكثر شعبية التيتانيوم لمصمم مجوهرات (وخاصة، وخواتم التيتانيوم) يجعل من اختيار جيد لأولئك الذين يعانون من الحساسية أو أولئك الذين سوف يرتدون هذة المجوهرات في بيئات مائية مثل حمامات السباحة. متانة التيتانيوم، وخفة الوزن، ومقاومتة للتآكل تجعلة مفيدة في إنتاج. بعض الفنانين ينتجون الأعمال الفنية مثل الثماثيل وغيرها من ديكور والاثاث بواسطة التيتانيوم. قد يكون أحيانا التيتانيوم المستخدم في التطبيقات المعمارية : م 40 (131 قدم) نصب تذكاري ليوري غاغارين، أول رجل من السفر في الفضاء، في موسكو، ومصنوع من التيتانيوم للون المعدن جذابة و. ومتحف غوغنهايم بلباو والألفية مكتبة سيريتوس المباني الأولى في أوروبا وأمريكا الشمالية. نظرا لقوتها الفائقة وخفة الوزن بالمقارنة مع المعادن الأخرى التي تستخدم عادة في الأسلحة النارية (الصلب والفولاذ المقاوم للصدأ، والألومنيوم)، والتقدم في تقنيات تصنيع المعادن، أصبح استخدام التيتانيوم أكثر انتشارا في صناعة الأسلحة النارية. الاستخدامات الأساسية تشمل مسدس واسطوانات مسدس. كما أنه استخدم في صناعة أجهزة الكمبيوتر المحمول.

تطبيقات مقاومة التاكل

التيتانيوم الاقتصادى النقى يكون أكثر شيوعآ عن سبائك التيتانيوم لتطبيقات التأكل خاصة عندما تكون الصلابة العالية غير مطلوبة، فالعوامل الاقتصادية هي التي تقرر اختيار التيتانيوم نظرآ لمقامومتة للتأكل وفبعض التطبيقات الشائعة تتطلب مقاومة تأكل للتيتانيوم. العمليات الكميائية والبتروكيماوية: أدوات التيتانيوم تشمل المضخات وبراميل التخزين بحيث تكون هذة الأدوات مهمة في صناعة مواد كيماوية محددة.[6]

تطبيقات إنتاج الطاقة وتخزينها

مبادلات التيتانيوم الحرارية والمكثفات والموسير والانابيب شائعين في منابع الطاقة التي تستخدم مياة البحر للتبريد، في خلايا توليد الطاقة يتم استخدام شفرات التيتانيوم في التوربينات وحلقات التيتانيوم في المولدات. والتطبيق الحيوى يكون في المكثفات الرئيسية في وحدات إنتاج الطاقى الزرية.[8]

الاجهزة الجراحية والتعويضية

قيمة التيتانيوم في التطبيقاتالطبية تكمن في وجودها داخل جسم الإنسان وثباتها لذلك هناك مقاومة للتأكل الناشئ عن سوائل الجسم، وسبائك التيتانيوم المستخدمة في التطبيقات الطبية مثل صمامات القلب ومضخات القلب والمفاصل الصناعية في الركبة، والاجهزة التعويضية من التيتانيوم ذات الاسطح الخاصة تتحكم في الاحتكاك بالعظم مما يؤدى إلى وجود روابط أكثر قوة وأكثر مدة حياة بين العظم والجهاز(انظر المقالة في:corrosion metallic implants and) prosthetic device in corrosion ,volume 13 of ASM hand book, formerly 9th edition metals handbook)

تطبيقات أخرى

الصفات الرائعة للتيتانيومتجعلة جاذبا للكثير من المصممين في مجالات مختلفة مثل الصناعة، والتيتانيوميظل غالى بسبيآعند مقارنتة بالصلب أو الالومنيوم ولكن ذيادة استخدام المعدن في مختلف المجالات تجعل من المتوقع سرعة انخفاض تكلفتة مما ينتج عنة زيادة كبيرة في استخدامة نظرآلرخص ثمنة.[9]

التطبيقات في المعمار

أستخدم المعماريين اليابانيين التيتانيوم كمادة بناء لبعض الوقت فبالرغم من زيادة ثمن التيتانيوم عن الصلب الغير قابل للصدأ، إلا إنة يعتبر مؤثر جدآ عند استخدامة في إنشاء المبانى التي تكون قوية.

تطبيقات بضائع المستهلك العادى

الاهتمام بالتيتانيوم كمادة في تنوع واسع في المنتجات للمستهلك يرتفع.

تطورات حديثة

العديد من تجهيزات التيتانيوم وتقنيات المواد الآن في المستويات المختلفة من مراحل التطوير لها قابلية التأثر بعمق في المستقبل لاستخدامات التيتانيوم ولهذا السبب فإنها تحتاج تفسير.فهذة التطورات والتحسينات تتضمن التطورات في إنتاج الإسفنج وعمليات الانصهار ومركبات التيتانيوم ذات القاعدة المعدنية والتيتانيوم المركب وسبائك التيتانيوم فائقة اللدونة والاستخدام المتزايد لخردة التيتانيوم. إنتاج الإسفنج:العمل الحالى لا يهدف إلى تحسين وتطوير كفاءة عملية كرول فقط، ولكنة يهدف إلى تطوير الطرق الجديدة في إنتاج التيتانيوم، فواحدة من هذة الطرق المتطورة حاليآ هي اختزال صوديوم فلوروتيتانيوم(Na2Ti F5) عن طريق سبيكة الومنيوم – زنك لإنتاج سبيكة منصهرة من التيتانيوم والزنك، ويتم بعد ذلك إزالة الزنك عن طريق التبخير، وهناك عملية أخرى لأختزالTicl4,Tio2 وتحويلة إلى معدن التيتانيوم.

طريقة نشاط الانصهار

التيتانيوم الاسفنجى هو الأكثر شيوعآ في مزج ومضاعفة قوس الفراغ المعاد صهرة مع خردة المادة المعاد تصنيعها والعناصر السبائكية لآنتاج التيتانيوم . فشعاع الإلكترونات من البلازما المنصهرة في الموقد البارد هي طرق أنصهار حديثة نبسيآ يم تصميمها لتقليل العيوب الداخلية للكتلة . فالسكون فترات طويلة داخل حمام من السائل وفترات الازابة الطويلة والخلط الجيد يمنع تسرب الشوائب الغير معدنية والمعادن الحرارية الغير منصهرة داخل الكتلة.

مركبات التيتانيوم ذات القواعد المعدنية

السبائك المرتبة القريبة من Tio3Al (فعليآهى Ti-24Al-11Nb) لها مقاومة أكسدة أفضل وكثافة ومعامل مرونة أعلى من سبائك التيتانيوم التقليدية، فهذة المواد لها قابلية كبيرة لرفع نسبة القوة بالنسبة للوزن في مركبات الطائرات زيادة عظيمة، ورفع درجات الحرارة على نطاق واسع لسبيكة Ti3Al تم إنتاجها وتجهيزها باستخدام أدوات تقليدية على هيئة قوالب ورقائق وألواح [10]

سبائك التيتانيوم المركبة

سبائك التيتانيوم المركبة تجمع بين سمات المعدن الأساسي مع سمات الطور المقوى، وفي هذة الحالة هذا التجمع بين الخواص يتم ترجمتة على هيئة كثافة منخفضة مع ارتفاع في درجة حرارة الصلابة والصلادة

سبائك التيتانيوم فائقة اللدونة في التشكيل

التشكيل فائق اللدونة لعناصر رقائق سبيكة التيتانيوم هو تقنية خرجت من المعمل لتدخل مراحل الإنتاج الاقتصادى، فهذة العملة لها قابلية كيبرة لتقليل جذور عدد الإجراء والسحابات المطلوبة في هياكل الطائرات والعناصر المعقدة الأخرى وهناك معلومات أخرى عن هذا الموضوع في(supper sheet forming in forming and forging volume 14 0f ASM handbook ,formerly 9th edition metals handbook)

إعادة تدوير خردة التيتانيوم

بسبب أن صناعة التيتانيوم نضجت وأزداد استخدام المواد المعاد تدويرها في السنوات الحالية أيضآ الرايش الناتج عن الماكينات يتم إعادة تصنيعة والمنتجين لليتيانيوم في الولايات المتحدة أستخدمو ما يقارب من 18 كيلو جرام من خردة التيتانيوم عام 1988(titanium 1988 statistical review ,titanium development association,1989,p.s)

مصادر

  1. W.J.Kroll ,How Commercial Titanium and Zircorium were born, J.Franklin Inst., vol 260, Sept 1955,p169-192
  2. Titanium:The Industry, Its Future, Its Equities, F.S Smithers and Company,1957, p7, 33-67
  3. H.B.Bomberger, F.H Froes, and P.H Morton, Titanium--A Historical prespective, in Titanium Technology: Present Status and Future Trends, F.H.Froes, D.Eylon, and H.B.Bomberger, Ed., Titanium Develoment Association, 1985, p3-17
  4. E.W.Collings, The Physical Metallurgy of Titanium Alloys, American Society for Metals, 1984, p.2
  5. M.J.Donachie, Jr., Titanium: A Technical Guide ASM INTERNATIONAL, 1988, P28
  6. E.W.Collings, The Physical Metallurgy of Titanium Alloys, American Society for Metals, 1984, P2
  7. M.J.Donachie, Tr., Titanium: A Technical Guide ASM INTERNATIONAL< 1988, P28
  8. Y.Fukuhara, Nonaerospace Applications of Titanium, in Proceedings of the Sixth World Conference on Titanium, P.Lacombe, R.Tricot, G.Bernager, Ed., Societe Francaise de Metallurgie, 1988, P381
  9. Y.Fukuhara, Nonaerospace Applications of Titanium, in Proceedings of the Sixth World ConferenceonTitanium,P.Lacombe,R.Tricot, G.Bernager, Ed., Societe Francaise de Metallurgie,1988,P381
  10. J.D.Destefani, Advances of Intermetallics, Adv.Mater Process, Feb 1989, P37-41

موسوعات ذات صلة :