نقطه ذوب تیتانیوم چیست؟?

1. مقدمه

نقطه ذوب تعادل خالص تیتانیوم (از) در 1 جو است 1668.0 درجه سانتی گراد (± 1941.15 ک, 3034.4 درجه فارنهایت).

این عدد واحد یک مرجع بسیار مهم است, اما برای مهندسی و تولید تنها نقطه شروع است: تیتانیوم یک تبدیل آلوتروپیک α→β را در ≈ نشان می دهد 882 درجه سانتی گراد;
آلیاژها و ناخالصی ها به جای یک نقطه، محدوده جامد/مایع را تولید می کنند; و واکنش شیمیایی شدید تیتانیوم در دماهای بالا، سازندگان را مجبور می کند تا آن را در خلاء یا محیط های بی اثر ذوب کرده و مدیریت کنند..

این مقاله نقطه ذوب را از نظر ترمودینامیکی توضیح می دهد, نشان می دهد که چگونه آلیاژ و آلودگی رفتار ذوب / انجماد را تغییر می دهد, تخمین‌های عملی انرژی ذوب را ارائه می‌کند و فن‌آوری‌های ذوب صنعتی و کنترل‌های فرآیند مورد نیاز برای تولید پاک را توصیف می‌کند, محصولات تیتانیوم و آلیاژ تیتانیوم با عملکرد بالا.

2. نقطه ذوب فیزیکی تیتانیوم خالص

3. ترمودینامیک و سینتیک ذوب

• تعریف ترمودینامیکی: ذوب مرحله انتقال مرحله اول است که در آن انرژی آزاد گیبس فاز جامد و مایع برابر است..
  برای یک عنصر خالص در فشار ثابت، این یک دمای کاملاً مشخص است (نقطه ذوب).
• گرمای نهان: انرژی به عنوان گرمای نهان همجوشی برای شکستن نظم کریستالی جذب می شود; دما در طول تغییر فاز افزایش نمی یابد تا زمانی که ذوب کامل شود.
• سینتیک و زیرسرد شدن: در طول انجماد مایع می تواند زیر ذوب تعادل باقی بماند (مایع) دما - سرد کردن - که نرخ هسته و ریزساختار را تغییر می دهد (اندازه دانه, مورفولوژی).
  در عمل, نرخ خنک کننده, مکان های هسته زایی و ترکیب آلیاژ مسیر انجماد و ریزساختار نهایی را تعیین می کنند.
• هسته زایی ناهمگن در مقابل همگن: سیستم های واقعی با هسته زایی ناهمگن جامد می شوند (روی ناخالصی ها, دیوارهای قالب, یا تلقیح ها), بنابراین تمیزی فرآیند و طراحی قالب بر رفتار انجماد موثر تأثیر می گذارد.

4. آلوتروپی و رفتار فاز مربوط به ذوب

• بوها ↔ تبدیل β: تیتانیوم دارای دو ساختار کریستالی در حالت جامد است: شش ضلعی بسته بندی شده (α-Ti) پایدار در دمای پایین و مکعب متمرکز بدن (β-Ti) پایدار بالای انتقال β (~882 درجه سانتیگراد برای Ti خالص).
  این تغییر آلوتروپیک بسیار کمتر از نقطه ذوب است اما بر رفتار مکانیکی و تکامل ریزساختاری در طول گرمایش و سرمایش تأثیر می گذارد..
• پیامدهای: وجود فازهای α و β به این معنی است که بسیاری از آلیاژهای تیتانیوم برای بهره برداری از α طراحی شده اند, a+b, یا میدان های فاز β برای استحکام مورد نیاز, چقرمگی و پاسخ پردازشی.
  ترانسوس β پنجره‌های آهنگری/عملیات حرارتی را کنترل می‌کند و بر نحوه رفتار آلیاژ هنگام نزدیک شدن به ذوب در طی فرآیندهایی مانند جوشکاری یا ذوب مجدد تأثیر می‌گذارد..

5. چقدر آلیاژی, ناخالصی ها و فشار بر ذوب / انجماد تأثیر می گذارد

• آلیاژها: اکثر قطعات تیتانیوم مهندسی آلیاژ هستند (Ti-6Al-4V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, و غیره). این آلیاژها نشان می دهند جامد → مایع فواصل دما; برخی از افزودنی های آلیاژی باعث افزایش یا کاهش مایع مایع شده و دامنه انجماد را گسترش می دهند.
  دامنه وسیع‌تر انجماد حساسیت به عیوب انقباض را افزایش می‌دهد و تغذیه را در طول انجماد دشوارتر می‌کند.. همیشه از داده های Solidus/Liquidus مخصوص آلیاژ برای نقاط تنظیم فرآیند استفاده کنید.
• بینابینی & عناصر ولگرد: اکسیژن, نیتروژن و هیدروژن "تغییر دهنده های نقطه ذوب" ساده نیستند اما به شدت بر خواص مکانیکی تأثیر می گذارند (اکسیژن و نیتروژن قدرت را افزایش می دهند اما شکننده هستند).
  ردیابی آلاینده ها (Fe, ال, V, سی, و غیره) بر تشکیل فاز و رفتار ذوب تاثیر می گذارد. مقادیر کمی از آلاینده های کم ذوب می توانند ناهنجاری های ذوب موضعی ایجاد کنند.
• فشار: فشار بالا نقطه ذوب را کمی افزایش می دهد (رابطه کلاپیرون). ذوب صنعتی تیتانیوم در نزدیکی اتمسفر یا تحت خلاء/گاز بی اثر انجام می شود;
  فشارهای اعمال شده در انجماد (به عنوان مثال, در ریخته گری تحت فشار) دمای ذوب اساسی را به طور قابل توجهی تغییر نمی دهند، اما می توانند بر تشکیل نقص تأثیر بگذارند.

6. محدوده ذوب آلیاژهای معمولی تیتانیوم

در زیر یک تمیز است, نمایش جدول مهندسی متمرکز ذوب معمولی (جامد → مایع) محدوده برای آلیاژهای تیتانیوم معمول استفاده می شود.
ارزش ها هستند محدوده های معمولی تقریبی برای برنامه ریزی فرآیند و مقایسه آلیاژ استفاده می شود - همیشه تایید کنید با گواهی آنالیز تامین کننده آلیاژ یا با آنالیز حرارتی (DSC / منحنی خنک کننده) برای نقطه تنظیم دقیق ذوب/فرآوری یک دسته خاص.

7. روش های ذوب صنعتی و ذوب مجدد تیتانیوم

زیرا تیتانیوم در دماهای بالا واکنش شیمیایی دارد, ذوب و ذوب مجدد آن نیازمند فناوری ها و اتمسفرهای خاصی است تا از آلودگی و شکنندگی جلوگیری شود.

روشهای رایج صنعتی

• قوس خلاء قوس (ما): ذوب مجدد الکترود مصرفی در خلاء; به طور گسترده ای برای پالایش شیمی و حذف اجزاء در شمش های با کیفیت بالا استفاده می شود.
• پرتو الکترونی (EB) ذوب شدن: تحت خلاء بالا انجام می شود; مذاب های بسیار تمیز ارائه می دهد و برای شمش های با خلوص بالا و تولید مواد اولیه تولید مواد افزودنی استفاده می شود..
• ذوب قوس پلاسما / اجاق پلاسما: سیستم های پلاسمای خلاء یا اتمسفر کنترل شده برای تولید و احیای آلیاژ استفاده می شود.
• ذوب جمجمه القایی (ISM, ذوب شدن جمجمه): از یک جریان القایی برای ذوب فلز در داخل یک سیم پیچ مسی با آب استفاده می کند; یک "جمجمه" جامد نازک از فلز تشکیل می شود و مذاب را از آلودگی بوته محافظت می کند - برای فلزات واکنش پذیر از جمله تیتانیوم مفید است..
• ذوب شدن اجاق سرد / الکترود مصرفی EB یا VAR برای اسفنج و قراضه تیتانیوم: امکان حذف آخال های با چگالی بالا و کنترل عناصر ولگرد را فراهم می کند.
• تولید پودر (اتمیزه کردن گاز) برای AM: برای متالورژی پودر و تولید مواد افزودنی, ذوب مجدد و اتمیزاسیون گاز در اتمسفرهای بی اثر برای تولید کروی انجام می شود, پودرهای کم اکسیژن.
• ریخته گری سرمایه گذاری: به قالب های سرامیکی نیاز دارد (مقاوم در برابر 2000 ℃+) و تیتانیوم مذاب در دمای 1700-1750 درجه سانتیگراد. نقطه ذوب بالا هزینه قالب و زمان چرخه را افزایش می دهد, محدود کردن ریخته گری به کوچک, مؤلفه های پیچیده.

چرا اتمسفرهای خلاء/بی اثر؟?

• تیتانیوم به سرعت با اکسیژن واکنش می دهد, نیتروژن و هیدروژن در دماهای بالا; این واکنش ها فازهای تثبیت شده با اکسیژن/نیتروژن تولید می کنند (شکننده), شکنندگی, و آلودگی شدید.
  ذوب شدن در خلاء یا آرگون با خلوص بالا از این واکنش ها جلوگیری می کند و خواص مکانیکی را حفظ می کند.

8. چالش های پردازش و کاهش

واکنش پذیری و آلودگی

• اکسیداسیون و نیتریداسیون: در دمای ذوب تیتانیوم ضخیم می شود, اکسیدها و نیتریدهای چسبنده; این ترکیبات باعث کاهش شکل پذیری و افزایش تعداد گنجایش می شود.
  کاهش: ذوب در خلاء/گاز بی اثر; از ذوب جمجمه یا شارهای محافظ در فرآیندهای تخصصی استفاده کنید.
• جذب هیدروژن: باعث ایجاد تخلخل و شکنندگی می شود (تشکیل هیدرید). کاهش: مواد شارژ خشک, ذوب خلاء, و کنترل جو کوره.
• عناصر ولگرد (Fe, مس, ال, و غیره): ضایعات کنترل نشده می تواند عناصری را وارد کند که بین فلزات شکننده ایجاد می کنند یا محدوده ذوب را تغییر می دهند - از کنترل دقیق ضایعات و بررسی های تحلیلی استفاده کنید. (ایز).

مسائل ایمنی

• تیتانیوم مذاب آتش می گیرد: تیتانیوم مذاب به شدت با اکسیژن واکنش می دهد و می تواند بسوزد; تماس با آب می تواند واکنش های بخار انفجاری ایجاد کند.
  آموزش خاص و روش های سختگیرانه برای دست زدن مورد نیاز است, ریختن و پاسخ اضطراری.
• انفجار گرد و غبار: پودر تیتانیوم پیروفوریک است; جابجایی پودرهای فلزی به تجهیزات ضد انفجار نیاز دارد, زمین, و PPE خاص.
• خطرات دود: پردازش در دمای بالا می تواند دودهای خطرناک را ایجاد کند (بخارات عناصر اکسید و آلیاژ); از استخراج دود و نظارت بر گاز استفاده کنید.

9. اندازه گیری و کنترل کیفیت ذوب و انجماد

• آنالیز حرارتی (DSC/DTA): کالریمتری اسکن تفاضلی و تحلیل توقف حرارتی جامد و مایع آلیاژها را به طور دقیق اندازه گیری می کند و از کنترل نقطه تنظیم مذاب و ریخته گری پشتیبانی می کند..
• پیرومتری & دما: از سنسورهای مناسب استفاده کنید; برای انتشار و اکسیدهای سطحی هنگام استفاده از پیرومتر درست است. ترموکوپل ها باید محافظت شوند (آستین های نسوز) و کالیبره شده است.
• تجزیه و تحلیل شیمیایی: ایز (طیف سنجی انتشار نوری) و آنالایزرهای LECO/O/N/H برای ردیابی اکسیژن ضروری هستند, محتوای نیتروژن و هیدروژن و شیمی کلی.
• آزمایش غیر مخرب: اشعه ایکس, اولتراسونیک و متالوگرافی برای بررسی آخال, تخلخل و تفکیک.
  برای اجزای حیاتی, ریزساختار و تست مکانیکی از استانداردها پیروی می کنند (ASTM, AMS, ISO).
• ثبت فرآیند: سطح خلاء کوره را ثبت کنید, پروفیل های دمای مذاب, توان ورودی و خلوص آرگون برای حفظ قابلیت ردیابی و تکرارپذیری.

10. تجزیه و تحلیل مقایسه ای با سایر فلزات و آلیاژها

داده ها معرف مقادیر صنعتی مناسب برای مقایسه فنی و انتخاب فرآیند هستند.

11. مفاهیم عملی برای طراحی, پردازش و بازیافت

• طراحی: نقطه ذوب تیتانیوم را در کاربردهای ساختاری با دمای بالا قرار می دهد, اما طراحی باید هزینه ها و محدودیت های پیوستن را در نظر بگیرد (جوشکاری در مقابل بست مکانیکی).
• پردازش: ذوب شدن, ریخته گری, جوشکاری و تولید مواد افزودنی همگی نیازمند اتمسفر کنترل شده و کنترل دقیق مواد هستند.
  برای قطعات ریخته گری, در صورت نیاز از ریخته گری سرمایه گذاری خلاء یا ریخته گری گریز از مرکز در اتمسفر بی اثر استفاده می شود.
• بازیافت: بازیافت قراضه تیتانیوم عملی است اما نیاز به تفکیک و پردازش مجدد دارد (ما, EB) برای حذف عناصر ولگرد و کنترل سطح اکسیژن/نیتروژن.

12. نتیجه گیری

نقطه ذوب تیتانیوم (1668.0 درجه سانتی گراد (± 1941.15 ک, 3034.4 درجه فارنهایت) برای تیتانیوم خالص) یک ویژگی اساسی است که ریشه در ساختار اتمی و پیوند فلزی قوی آن دارد, نقش خود را به عنوان یک ماده مهندسی با کارایی بالا شکل می دهد.

خلوص, عناصر آلیاژ, و فشار رفتار ذوب آن را اصلاح می کند, امکان طراحی آلیاژهای تیتانیوم متناسب با کاربردهای مختلف - از ایمپلنت های پزشکی زیست سازگار تا اجزای هوافضا با دمای بالا.

در حالی که نقطه ذوب بالای تیتانیوم چالش‌هایی را برای پردازش ایجاد می‌کند (نیاز به فن آوری ذوب و جوشکاری تخصصی دارد), همچنین امکان سرویس دهی در محیط هایی که فلزات سبک وزن هستند را فراهم می کند (آلومینیوم, منیزیم) شکست بخورد.

اندازه گیری دقیق نقطه ذوب (از طریق DSC, فلاش لیزری, یا روش های مقاومت الکتریکی) و درک روشن از عوامل موثر برای بهینه سازی پردازش تیتانیوم بسیار مهم است, تضمین یکپارچگی مواد, و به حداکثر رساندن عملکرد.

 

سوالات متداول

آیا آلیاژ نقطه ذوب تیتانیوم را به میزان قابل توجهی تغییر می دهد؟?

بله. آلیاژهای تیتانیوم نشان می دهد محدوده جامد/مایع به جای یک نقطه ذوب واحد.

برخی از آلیاژها بسته به ترکیب کمی در زیر یا بالای عنصر ذوب می شوند. برای پردازش از داده های خاص آلیاژ استفاده کنید.

تیتانیوم مغناطیسی است?

خیر. تیتانیوم خالص و آلیاژهای معمولی تیتانیوم فرومغناطیسی نیستند; آنها ضعیف پارامغناطیس هستند (حساسیت مغناطیسی مثبت بسیار کم), بنابراین آنها فقط به مقدار ناچیزی به یک میدان مغناطیسی جذب می شوند.

آیا تیتانیوم زنگ می زند؟?

نه - تیتانیوم به معنای اکسید آهن «زنگ نمی‌زند».. تیتانیوم در برابر خوردگی مقاومت می کند زیرا به سرعت یک لایه نازک را تشکیل می دهد, وابسته, اکسید تیتانیوم خود ترمیم شونده (TiO2) فیلم غیرفعال که از فلز در برابر اکسیداسیون بیشتر محافظت می کند.

چرا باید تیتانیوم در خلاء یا گاز بی اثر ذوب شود؟?

زیرا تیتانیوم مذاب به شدت با اکسیژن واکنش می دهد, نیتروژن و هیدروژن. این واکنش ها ترکیبات شکننده و اجزایی تشکیل می دهند که خواص مکانیکی را کاهش می دهند.

چه روش های ذوبی برای تیتانیوم درجه هوا فضا ترجیح داده می شود?

تیتانیوم هوافضا با خلوص بالا معمولاً توسط ما (ذوب مجدد قوس خلاء) یا EB (پرتو الکترونی) ذوب شدن برای کنترل شیمی و اجزاء.

برای مواد اولیه تولید افزودنی, ذوب EB و اتمیزه کردن گاز در اتمسفرهای کنترل شده رایج است.

چقدر انرژی لازم است تا تیتانیوم ذوب شود?

یک برآورد تئوریک تقریبی (ایده آل, بدون ضرر) است ≈1.15 مگا ژول در هر کیلوگرم برای گرم کردن 1 کیلوگرم از 25 درجه سانتی گراد تا مایع در 1668 درجه سانتی گراد (با استفاده از cp ≈ 520 J·kg-1·K-1 و گرمای نهان ≈ 297 kJ·kg-1).

مصرف واقعی انرژی به دلیل تلفات و ناکارآمدی تجهیزات بیشتر است.