عملیات حرارتی آلیاژهای تیتانیوم به منظور بهبود خواص مکانیکی، ساختاری و عملکردی این آلیاژها انجام می‌شود. تیتانیوم و آلیاژهای آن به دلیل نسبت استحکام به وزن بالا، مقاومت به خوردگی عالی و سازگاری زیستی، در صنایع هوافضا، پزشکی، خودروسازی و دریایی کاربرد گسترده‌ای دارند. عملیات حرارتی این آلیاژها شامل مراحل مختلفی است که به طور خلاصه به شرح زیر است:
1- انواع آلیاژهای تیتانیوم
آلیاژهای تیتانیوم به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند:
- آلیاژهای آلفا (α): این آلیاژها حاوی عناصر آلفا-تثبیت‌کننده مانند آلومینیوم و اکسیژن هستند. این آلیاژها معمولاً قابلیت عملیات حرارتی رسوب‌سختی ندارند، اما می‌توانند تحت عملیات آنیل کردن قرار گیرند.
- آلیاژهای آلفا-بتا (α-β): این آلیاژها حاوی عناصر آلفا و بتا-تثبیت‌کننده مانند وانادیوم، مولیبدن و کروم هستند. این آلیاژها قابلیت عملیات حرارتی رسوب‌سختی و سخت‌کاری را دارند.
- آلیاژهای بتا (β): این آلیاژها حاوی مقادیر بالایی از عناصر بتا-تثبیت‌کننده هستند و قابلیت عملیات حرارتی رسوب‌سختی بالایی دارند.
2- اهداف عملیات حرارتی
- بهبود استحکام و چقرمگی
- افزایش مقاومت به خستگی
- کاهش تنش‌های باقیمانده
- کنترل اندازه دانه‌ها و ساختار میکروسکوپی
- بهبود قابلیت ماشین‌کاری و شکل‌پذیری
3- انواع عملیات حرارتی آلیاژهای تیتانیوم
الف) آنیل کردن (Annealing)
- هدف: کاهش تنش‌های داخلی، بهبود چقرمگی و یکنواختی ساختار.
- فرآیند: قطعه تا دمای مشخصی (معمولاً بین ۷۰۰ تا ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد) گرم شده و سپس به آرامی سرد می‌شود.
- کاربرد: برای آلیاژهای آلفا و آلفا-بتا استفاده می‌شود.
ب) سخت‌کاری محلول جامد (Solution Treatment)
- هدف: حل کردن فازهای ناخواسته و ایجاد ساختار همگن.
- فرآیند: قطعه تا دمای بالاتر از دمای انتقال بتا (معمولاً ۹۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد) گرم شده و سپس به سرعت سرد می‌شود (معمولاً با آب یا هوا).
- کاربرد: برای آلیاژهای آلفا-بتا و بتا.
ج) رسوب‌سختی (Age Hardening یا Precipitation Hardening)
- هدف: افزایش استحکام از طریق تشکیل فازهای رسوبی ریز.
- فرآیند: پس از سخت‌کاری محلول جامد، قطعه در دمای پایین‌تر (معمولاً ۴۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد) برای مدت زمان مشخصی حرارت داده می‌شود تا فازهای رسوبی تشکیل شوند.
- کاربرد: برای آلیاژهای آلفا-بتا و بتا.
د) سرمایش سریع (Quenching)
- هدف: حفظ فازهای ناپایدار و جلوگیری از تشکیل فازهای ناخواسته.
- فرآیند: قطعه پس از گرم شدن به سرعت در آب یا هوا سرد می‌شود.
- کاربرد: برای آلیاژهای آلفا-بتا و بتا.
ه) تنش‌زدایی (Stress Relieving)
- هدف: کاهش تنش‌های باقیمانده ناشی از فرآیندهای ساخت.
- فرآیند: قطعه در دمای پایین‌تر از دمای آنیل (معمولاً ۵۰۰ تا ۶۵۰ درجه سانتی‌گراد) حرارت داده شده و سپس به آرامی سرد می‌شود.
- کاربرد: برای تمامی آلیاژهای تیتانیوم.
۴. تأثیر عناصر آلیاژی
- آلفا-تثبیت‌کننده‌ها (مانند آلومینیوم و اکسیژن): باعث افزایش استحکام و پایداری فاز آلفا می‌شوند.
- بتا-تثبیت‌کننده‌ها (مانند وانادیوم، مولیبدن و کروم): باعث پایداری فاز بتا و بهبود قابلیت عملیات حرارتی می‌شوند.
۵. چالش‌های عملیات حرارتی تیتانیوم
- اکسیداسیون: تیتانیوم در دماهای بالا تمایل به اکسید شدن دارد، بنابراین عملیات حرارتی باید در اتمسفر کنترل‌شده یا خلاء انجام شود.
- تغییرات ابعادی: به دلیل تغییرات فازی، ممکن است تغییرات ابعادی رخ دهد.
- کنترل دما و زمان: دقت بالا در کنترل دما و زمان عملیات حرارتی ضروری است.
۶. کاربردهای عملیات حرارتی تیتانیوم
- صنعت هوافضا: برای قطعات موتور و بدنه هواپیما.
- پزشکی: برای ایمپلنت‌های جراحی و پروتزها.
- صنایع شیمیایی: برای تجهیزات مقاوم به خوردگی.
- خودروسازی: برای قطعات سبک‌وزن و مقاوم.
عملیات حرارتی آلیاژهای تیتانیوم نیازمند دانش دقیق از ترکیب شیمیایی آلیاژ، رفتار فازی و شرایط عملیاتی است تا به خواص مطلوب دست یافت.