فناوری جدید، کاربرد جدید و وضعیت توسعه تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم

مقدمه ای بر خواص تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم

1.1 مقدمه ای بر تیتانیوم

تیتانیوم نوع جدیدی از مواد است که دارای مزایای چگالی کم، مقاومت ویژه بالا، مقاومت در برابر حرارت و مقاومت در برابر خوردگی است. وزن آن فقط نصف آهن است، اما خواص مکانیکی آن، مانند چکش کاری و کشش، با مس قابل مقایسه است. به طور کلی، با کاهش دما، مقاومت فلزات کاهش می یابد، اما تیتانیوم برعکس است، هر چه دما پایین تر باشد، تیتانیوم سخت تر و سخت تر می شود و با رسیدن به دمای بحرانی ابررسانایی ظاهر می شود.

1.2 مقدمه ای بر آلیاژ تیتانیوم

آلیاژ تیتانیوم و تیتانیوم تا حدودی ماهیت مشابهی دارند، با ویژگی های چگالی کم و استحکام بالا، علاوه بر خواص مکانیکی عالی، مقاومت در برابر خوردگی قوی. علاوه بر این، استحکام حرارتی آن بالا است، که به وضوح بهتر از آلیاژ آلومینیوم است. در عین حال، خواص مکانیکی آن در دمای پایین و دمای بسیار پایین تغییر کمی دارد.

تکنولوژی جدید و کاربرد تیتانیوم

2.1 روش تهیه تیتانیوم

اگرچه تیتانیوم در طبیعت نسبتاً فراوان است، اما به دلیل اینکه پراکنده است و استخراج آن دشوار است، یک فلز کمیاب است. در حال حاضر تهیه تیتانیوم به دو دسته روش احیای حرارتی و روش الکترولیز نمک مذاب تقسیم می شود.

(1) تیتانیوم با روش احیای حرارتی تهیه شد

روش احیای حرارتی در دمای معین، استفاده از لیتیوم، سدیم، منیزیم، کلسیم و هیدرید آن و سایر عوامل احیا کننده قوی، تیتانیوم از ترکیبات تیتانیوم مانند TiCl4، TiO2، K2TiF6 احیاء می باشد. با توجه به ترکیبات مختلف تیتانیوم، تکنولوژی تهیه تیتانیوم با احیای حرارتی را می توان به سه دسته تقسیم کرد:

① روش REDOX کلرید تیتانیوم، مانند روش کرول، روش هانتر، روش آرمسترانگ و روش EMR.

② روش REDOX اکسید تیتانیوم، مانند روش سیستم عامل، فرآیند PRP، روش MHR و غیره.

③ روش REDOX تیتانات.

در حال حاضر تنها روش کرول و روش هانتر را می توان با موفقیت در تولید صنعتی به کار برد. روش کرول از منیزیم برای جایگزینی تیتانیوم از کلرید و روش هانتر از فلز سدیم برای جایگزینی تیتانیوم از کلرید استفاده می کند. علاوه بر این، شرکت بین المللی پودر تیتانیوم ایالات متحده شیکاگو روش آرمسترانگ را توسعه داد، روش آماده سازی آن شبیه به روش شکارچی است، همچنین استفاده از کاهش دهنده سدیم برای خالص سازی فلز تیتانیوم است. ایالات متحده در حال حاضر از این روش برای پیش تولید در کارخانه ها استفاده می کند.

(2) تهیه تیتانیوم با الکترولیز نمک مذاب

در سال 1959، کرول پیش بینی کرد که الکترولیز نمک مذاب جایگزین کرول به عنوان روش غالب تولید تیتانیوم طی پنج تا ده سال آینده خواهد شد. طی سال‌ها، موسسات تحقیقاتی و آزمایشگاه‌های داخلی و خارجی در مجموع بیش از ده‌ها فناوری جدید برای تهیه تیتانیوم با الکترولیز نمک مذاب توسعه داده‌اند که می‌توان آن‌ها را با توجه به مواد اولیه به سه دسته زیر تقسیم کرد:

① الکترولیز تیتانات.

(2) الکترولیز کلرید تیتانیوم.

③ روش الکترولیتی اکسید تیتانیوم، از جمله روش FFC کمبریج، فرآیند MER، روش USTB، فرآیند QIT، روش SOM و روش الکترولیتی مایع یونی و غیره.

2.2 استفاده های جدید از تیتانیوم

از دهه 1940، استفاده از تیتانیوم به سرعت توسعه یافت و به طور گسترده ای در هواپیما، موشک، موشک، ماهواره، سفینه فضایی، کشتی، صنایع نظامی، درمان پزشکی و زمینه های پتروشیمی مورد استفاده قرار گرفت. آخرین تحقیقات نشان داد که بدن انسان حاوی مقدار مشخصی از تیتانیوم است، تیتانیوم سلول های فاگوسیتی را تحریک می کند، می تواند عملکرد ایمنی را تقویت کند، بنابراین بسیاری از آزمایشگاه ها به توسعه و کاربرد تیتانیوم بیولوژیکی متعهد هستند.

فناوری جدید و کاربرد آلیاژ تیتانیوم

3.1 روش تهیه آلیاژ تیتانیوم

پردازش سنتی آلیاژ تیتانیوم به طور کلی از فناوری ذوب و ریخته گری استفاده می کند، آخرین فناوری پردازش به موارد زیر تقسیم می شود:

(1) تکنولوژی قالب گیری خالص نزدیک؛

(2) تکنولوژی جوشکاری اصطکاکی خط.

(3) فن آوری شکل دهی فوق پلاستیک؛

(4) فناوری شبیه سازی کامپیوتری فرآیند آماده سازی و پردازش مواد.

فناوری قالب گیری نزدیک شبکه شامل قالب گیری لیزری، ریخته گری دقیق، فورج قالب دقیق، متالورژی پودر، قالب گیری جت و روش های دیگر است. متالورژی پودر استفاده از پودر تیتانیوم یا پودر آلیاژ تیتانیوم به عنوان مواد خام، پس از قالب گیری و پخت، به منظور تولید قطعات تیتانیوم از فرآیند جدید است. اولین مورد، تولید پودر، به طور کلی با استفاده از روش آلیاژسازی مکانیکی، با استفاده از آسیاب گلوله ای برای ضربه زدن، آسیاب کردن و هم زدن مواد خام به شدت. سپس آلیاژی که پودر شده است فشرده شده و شکل می گیرد. دو روش پرس وجود دارد که عبارتند از فرم دهی تحت فشار و شکل دهی بدون فشار. هدف از این مرحله ایجاد شکل و اندازه مشخصی از جنین فشرده شده و تراکم و استحکام خاصی است. سپس در سینترینگ پلاسمای تخلیه بلاستوپلاسم، استفاده از پانچینگ قالب بالا و پایین و الکترود الکتریکی، منبع تغذیه خاص تف جوشی و فشار پرس اعمال شده به پودر متخلخل، پس از فعال شدن تخلیه، تغییر شکل ترموپلاستیک و سرد شدن برای تکمیل آماده سازی خواهد بود. مواد تیتانیوم با کارایی بالا سپس آلیاژ تیتانیوم پلاسما برای درمان بعدی، به طور کلی عملیات حرارتی یا پردازش پلاستیک.

3.2 استفاده های جدید از آلیاژهای تیتانیوم

آلیاژهای تیتانیوم در روزهای اولیه به طور گسترده در زمینه هوافضا، عمدتاً در تولید موتور هواپیما یا قطعات پنوماتیک استفاده می شد. بعدها، با توسعه مداوم تکنولوژی، آلیاژ تیتانیوم وارد زندگی مردم عادی شده است، در کارخانه یا دستگاه های خانگی نیز شکل آلیاژ تیتانیوم دارند. اکنون کشورها و موسسات در حال تقلا برای توسعه آلیاژهای تیتانیوم جدید هستند، به طوری که آنها دارای ویژگی های کم هزینه و عملکرد بالا هستند، توسعه جدید آلیاژهای تیتانیوم در سال های اخیر عمدتاً در پنج جنبه زیر متمرکز شده است.

(1) آلیاژ تیتانیوم پزشکی

آلیاژهای تیتانیوم با چگالی کم و زیست سازگاری خوب مواد پزشکی ایده آلی هستند و حتی می توانند در بدن انسان کاشته شوند. آلیاژهای تیتانیوم که قبلاً در زمینه پزشکی استفاده می شد حاوی وانادیوم و آلومینیوم است که می تواند به بدن انسان آسیب برساند. اما در آینده نزدیک، محققان ژاپنی نوع جدیدی از آلیاژ تیتانیوم را با زیست سازگاری خوب توسعه داده اند، اما این آلیاژ هنوز به تولید انبوه نرسیده است، اعتقاد بر این است که در آینده نزدیک، چنین آلیاژی با کیفیت بالا می تواند به طور گسترده مورد استفاده قرار گیرد. در زندگی روزمره

(2) آلیاژ تیتانیوم مقاوم در برابر شعله

آلیاژ پایه تیتانیوم که می تواند در برابر احتراق تحت فشار، دما و سرعت جریان هوا معین مقاومت کند، آلیاژ تیتانیوم بازدارنده شعله است. ایالات متحده، روسیه و چین آلیاژهای تیتانیوم مقاومتی جدیدی تولید کرده‌اند که در میان آنها ایالات متحده این آلیاژهای تیتانیوم مقاومتی را روی موتور اعمال خواهد کرد، زیرا این آلیاژهای تیتانیوم به احتراق حساس نیستند، بنابراین می‌توانند پایداری موتور را تا حد زیادی بهبود بخشند.

(3) نوع با استحکام و چقرمگی بالا

آلیاژ تیتانیوم دارای ویژگی های استحکام بالا، جوش پذیری خوب و عملکرد عالی کار سرد و گرم است. محققان با استفاده از این قانون، ویژگی های آماده سازی آلیاژ تیتانیوم نوع بسیار واضح است: عملکرد خوب کار گرم، انعطاف پذیری خوب، عملکرد جوش خوب. و خواص مکانیکی پس از درمان پیری محلول تا حد زیادی بهبود می یابد. در حال حاضر ژاپن و روسیه چنین آلیاژهای تیتانیوم را تهیه کرده اند.

(4) ترکیبات تیتانیوم و آلومینیوم

در مقایسه با آلیاژ تیتانیوم عمومی، ترکیب آلومینیوم تیتانیوم عملکرد خوبی در دمای بالا، مقاومت در برابر اکسیداسیون و مقاومت در برابر خزش دارد و چگالی کمتر از آلیاژ تیتانیوم عمومی است. این ویژگی‌های عالی برای ترکیبات Ti - Al تعیین شده‌اند که یک رونق آلیاژی جدید ایجاد می‌کند. آلیاژ ترکیبی جدید تیتانیوم - آلومینیوم در ایالات متحده سنتز شده و در حال تولید انبوه است.

(5) آلیاژ تیتانیوم با دمای بالا

با ترکیب روش انجماد سریع و روش متالورژی پودر، آلیاژ تیتانیوم تهیه شده توسط کامپوزیت تقویت‌شده با الیاف یا ذرات دارای ویژگی‌های مکانیکی با دمای بالا است. محدودیت دمای آلیاژ تیتانیوم با دمای بالا بسیار بالاتر از آلیاژ تیتانیوم معمولی است. در حال حاضر، ایالات متحده یک آلیاژ تیتانیوم جدید با دمای بالا آماده کرده است.

(6) آلیاژ نیکل تیتانیوم

آلیاژی از تیتانیوم و نیکل، که به عنوان "آلیاژ حافظه" شناخته می شود، به شکل از پیش تعیین شده ساخته می شود. پس از شکل دهی، در صورت تغییر شکل در اثر نیروهای خارجی، با کمی حرارت می توان آن را به شکل اولیه خود بازگرداند. از این آلیاژ می توان در زمینه های مختلفی مانند ابزار دقیق و وسایل الکترونیکی استفاده کرد.

وضعیت فعلی توسعه مواد آلیاژ تیتانیوم در چین

آلیاژ تیتانیوم به انواع فلزات آلیاژی ساخته شده از تیتانیوم و سایر فلزات اشاره دارد. در سال های اخیر، چین به طور مکرر سیاست هایی را برای تشویق تحقیق و توسعه، تولید و کاربرد مواد آلیاژ تیتانیوم صادر کرده است. در بازار جهانی، مواد آلیاژ تیتانیوم عمدتاً در صنایع هوایی، صنایع دفاعی و سایر صنایع استفاده می شود. در میان آنها، تقاضای کاربرد در صنعت هوانوردی حدود 50 درصد است، عمدتاً برای ساخت هواپیما و موتور. در ساختار تقاضای مواد تیتانیوم در کشور ما، مواد فرآوری تیتانیوم عمدتاً در حوزه صنایع شیمیایی استفاده می‌شود و نسبت مواد تیتانیوم مورد استفاده در هوافضای داخلی تنها 20 درصد است که نشان می‌دهد پتانسیل بالایی در بازار تیتانیوم وجود دارد. مواد مورد استفاده در هوانوردی در کشور ما. در حال حاضر، در زمینه آلیاژ تیتانیوم گران قیمت، تعداد کمی از بنگاه ها می توانند در کشور ما میله و سیم آلیاژ تیتانیوم هوانوردی نظامی را تولید انبوه کنند که این یک الگوی رقابتی «دو قطبی» است.

1. این سیاست توسعه مواد آلیاژ تیتانیوم را تشویق می کند

آلیاژهای تیتانیوم به انواع فلزات آلیاژی ساخته شده از تیتانیوم و سایر فلزات اطلاق می شود. بسیاری از کشورهای جهان به اهمیت مواد آلیاژی تیتانیوم پی برده اند و بر روی آن تحقیق و توسعه انجام داده اند و در عمل به کار گرفته شده اند. در سال های اخیر، چین به طور مکرر سیاست هایی را برای تشویق تحقیق و توسعه، تولید و کاربرد مواد آلیاژ تیتانیوم صادر کرده است. در سال 2019، با توجه به اطلاعات افشا شده در کاتالوگ راهنمایی برای تنظیم ساختار صنعتی (پیش نویس 2019)، مواد کاربید سیمانی با ساختار کامپوزیت بسیار ریز، بسیار درشت، با کارایی بالا، مواد کاربید سیمانی و محصولات پردازش عمیق، مواد آلیاژی تیتانیوم با مدول پایین، مقاوم در برابر خوردگی مواد آلیاژ تیتانیوم، اتصال دهنده های آلیاژ تیتانیوم برای هوا فضا و غیره به عنوان پروژه های تشویقی برای تعدیل ساختار صنعتی فهرست می شود.

2. مواد آلیاژ تیتانیوم عمدتا در زمینه های هوافضا و نظامی استفاده می شود

در بازار جهانی، مواد آلیاژ تیتانیوم عمدتاً در صنایع هوایی، صنایع دفاعی و سایر صنایع استفاده می شود. در میان آنها، تقاضای کاربرد در صنعت هوانوردی حدود 50 درصد است، عمدتاً برای ساخت هواپیما و موتور. در ساختار تقاضای مواد تیتانیوم در چین، مواد پردازش تیتانیوم عمدتاً در زمینه شیمیایی استفاده می شود. مهمترین تفاوت در مقایسه با دنیا در حوزه هوانوردی است. مواد تیتانیوم مورد استفاده در هوانوردی همیشه حدود 53 درصد از کل تقاضای مواد تیتانیوم در جهان را تشکیل می دهند، در حالی که نسبت مواد تیتانیوم مورد استفاده در هوافضای داخلی تنها 20 درصد است که نشان می دهد هنوز پتانسیل زیادی در بازار تیتانیوم وجود دارد. مواد مورد استفاده در هوانوردی در چین.

خلاصه

تیتانیوم دارای مزایای بی‌نظیر بسیاری از فلز است، با پیشرفت جامعه، توسعه علم و فناوری، تیتانیوم و آلیاژ تیتانیوم به طور گسترده‌تری مورد استفاده قرار می‌گیرد، تقاضای بشر برای تیتانیوم و آلیاژ تیتانیوم افزایش می‌یابد و هزینه تولید بالا یکی از موارد است. دلایل اصلی برای محدود کردن ترویج و استفاده از تیتانیوم و آلیاژ تیتانیوم. بنابراین، توسعه و استفاده از فرآیند تولید مستمر حفاظت از محیط زیست کم هزینه، در مقیاس بزرگ و زیست محیطی می تواند باعث استفاده گسترده تر از تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم شود.