تیتانیوم به دلیل نسبت استحکام به وزن بالا، مقاومت خوردگی استثنایی و سازگاری زیستی، یکی از مواد کلیدی در صنایع هوافضا، پزشکی (ایمپلنت‌ها)، خودروسازی و انرژی است. اما شکل‌دهی آن به دلیل مقاومت بالا، هدایت حرارتی پایین و تمایل به واکنش با اکسیژن، چالش‌های منحصر به فردی دارد. در این مقاله، به روش‌های شکل‌دهی، پارامترهای مؤثر، عیوب رایج و راهکارهای صنعتی می‌پردازیم.
آلیاژهای تیتانیوم و ویژگی‌های آن‌ها
دسته‌بندی آلیاژهای تیتانیوم
تیتانیوم بر اساس فازهای متالورژیکی به سه گروه تقسیم می‌شود:
-
آلیاژهای آلفا (α):
- مثال: Ti-5Al-2.5Sn
- ویژگی‌ها: مقاومت خزشی بالا، جوش‌پذیری عالی، انعطاف‌پذیری کم.
- کاربرد: قطعات دمابالا در موتورهای جت.
-
آلیاژهای آلفا-بتا (α-β):
- مثال: گرید ۵– Ti-6Al-4V پرکاربردترین آلیاژ (۸۰% مصارف صنعتی).
- ویژگی‌ها: تعادل خوب بین استحکام و انعطاف‌پذیری.
- کاربرد: پره‌های توربین، بدنه هواپیما، ایمپلنت‌های پزشکی.
- آلیاژهای بتا (β):
- مثال: Ti-10V-2Fe-3Al
- ویژگی‌ها: انعطاف‌پذیری بالا، قابلیت عملیات حرارتی.
- کاربرد: قطعات پیچیده در هواپیماهای نظامی.
جدول مقایسه‌ای آلیاژهای مهم
| آلیاژ | استحکام کششی (MPa) | انعطاف‌پذیری (%) | دمای کاربرد مطلوب |
| Ti-6Al-4V | 900–1100 | 10–15 | ۴۰۰ °C تا |
| Ti-3Al-2.5V | 600–800 | 15–20 | ° ۳۰۰ C تا |
| Ti-10-2-3 | 1000–1200 | 6–10 | ° ۳5۰ C تا |
روش‌های شکل‌دهی تیتانیوم
۱- شکل‌دهی گرم (Hot Forming)
- دمای بهینه:
- C ° 9۵۰–7۵۰ برای آلیاژهای آلفا-بتا مثلاً Ti-6Al-4V
- بالای C ° ۹۰۰ برای آلیاژهای بتا.
- تکنیک‌ها:
- فورجینگ: برای تولید قطعات سنگین مانند میل‌لنگ‌های هوافضا.
- نورد گرم: برای تولید ورق‌های ضخیم.
- اکستروژن: برای پروفیل‌های توخالی.
- چالش‌ها: اکسیداسیون سطحی، نیاز به پوشش‌های محافظ (مثل شیشه یا گاز آرگون).
2- شکل‌دهی سرد (Cold Forming)
- موارد استفاده: ورق‌کاری، خمش، کشش عمیق برای قطعات نازک.
- محدودیت‌ها:
- بازگشت فنری(Springback): نیاز به Overbending تا ۱۵–۲۰%.
- ترک‌خوردگی: استفاده از عملیات آنیلینگ بین مراحل.
۳- سوپرپلاستیک فرمینگ (SPF)
- شرایط فرآیند:
- دما C° 9۵۰–7۵۰: نزدیک به دمای β-transus
- نرخ کرنش: 3- ۱۰تا 5-10 s⁻¹
- مزایا: تولید قطعات پیچیده با ضخامت یکنواخت (مثل پنل‌های هواپیما).
- معایب: زمان‌بری و هزینه بالای تجهیزات.
۴- ماشینکاری تیتانیوم
- ابزارهای پیشنهادی:
- کاربید تنگستن (WC) با پوشش TiAlN برای کاهش سایش.
- پارامترهای برش:
- سرعت پایین (m/min) 60–30
- عمق برش کم + روانکاری با فشار بالا (HPC)
چالش‌های صنعتی و راهکارهای عملی
1- اکسیداسیون و آلودگی سطحی
- راهکارها:
- استفاده از کوره‌های خلاء یا اتمسفر کنترل‌شده.
- پوشش‌های موقت مانند Borax-Based Coatings.
2- هزینه بالای مواد و ضایعات
- بهینه‌سازی:
- شبیه‌سازی فرآیند با نرم‌افزارهای DEFORM یا ABAQUS
- بازیافت ضایعات به روش پالایش مجدد (Remelting)
3- کنترل کیفیت پس از شکل‌دهی
- تست‌های غیرمخرب (NDT):
- اولتراسونیک برای شناسایی ترک‌های داخلی.
- پرتونگاری (X-Ray) برای عیوب ریز.
نتیجه‌گیری و پیشنهاد برای صنعتگران
- انتخاب روش شکل‌دهی به نوع آلیاژ، پیچیدگی قطعه و حجم تولید بستگی دارد.
- پیشنهاد ویژه:
- برای قطعات پیچیده SPF یا شکل‌دهی گرم.
- برای قطعات ساده با تیراژ بالا: ماشینکاری + شکل‌دهی سرد.