ناخالصی های مضر در مواد تیتانیوم

تیتانیوم و آلیاژهای آن به دلیل خلوص بالا و زیست سازگاری شهرت دارند، اما می‌توانند حاوی مقادیر کمی از ناخالصی‌های مضر (از جمله هیدروژن، فسفر و گوگرد) باشند که باید به‌شدت در محدوده استاندارد{0}صنعت کنترل شوند. سطوح بیش از حد این ناخالصی ها، به ویژه هیدروژن، می تواند به شدت خواص مکانیکی مواد و ایمنی خدمات را کاهش دهد. در زیر تجزیه و تحلیل دقیق محدودیت های محتوای آنها و خطرات مرتبط است:

1. محدودیت های محتوایی ناخالصی های مضر کلیدی در مواد تیتانیوم

غلظت مجاز هیدروژن (H)، فسفر (P) و گوگرد (S) در تیتانیوم توسط استانداردهای بین المللی تعریف شده است.ASTM B348(برای میله های تیتانیوم و آلیاژ تیتانیوم)،ASTM B265(برای صفحات/صفحات تیتانیوم)، وAMS 4928(گرید هوافضا-Ti-6Al-4V). محدودیت ها بر اساس درجه تیتانیوم (تیتانیوم خالص تجاری در مقابل آلیاژهای تیتانیوم) و الزامات کاربردی (صنعتی در مقابل هوافضا/پزشکی) متفاوت است:

(1) هیدروژن (H)

هیدروژن مهمترین ناخالصی مضر در تیتانیوم به دلیل تأثیر قوی آن بر شکل پذیری و چقرمگی است. حداکثر محتوای مجاز آن به شدت تنظیم می شود:

تیتانیوم خالص تجاری (درجه 1/2/3/4): برای کاربردهای صنعتی عمومی، محتوای هیدروژن نباید بیشتر شود0.015 درصد وزنی (150 ppm); برای-پزشکی با خلوص- تیتانیوم خالص با درجه خلوص بالا (به عنوان مثال، درجه 2 برای ایمپلنت)، این محدودیت به0.010 درصد وزنی (100 پی پی ام)برای اطمینان از زیست سازگاری و ایمنی ساختاری.

آلیاژهای تیتانیوم (به عنوان مثال، درجه 5/Ti-6Al-4V): برای محصولات درجه{0} هوافضا، محتوای هیدروژن محدود شده است0.012 درصد وزنی (120 ppm)(به ازای AMS 4928)؛ برای درجه صنعتی-Ti-6Al-4V، این محدودیت کمی کاهش یافته است0.015 درصد وزنی (150 ppm)، اما باید زیر باشد0.008 درصد وزنی (80 ppm)برای اجزای حیاتی (به عنوان مثال، قطعات موتور هواپیما) برای جلوگیری از شکنندگی هیدروژن.

(2) فسفر (P)

فسفر یک ناخالصی{0}}کم سمیت در تیتانیوم است، اما سطوح بالا می‌تواند در مرز دانه‌ها جدا شود و انعطاف‌پذیری و مقاومت در برابر خستگی آلیاژ را کاهش دهد. محدودیت محتوای آن در مقایسه با هیدروژن نسبتاً ملایم است:

تیتانیوم خالص تجاری: حداکثر مقدار فسفر به طور معمول است0.04 درصد وزنی (400 ppm)در تمام نمرات (ASTM B348).

آلیاژهای تیتانیوم (Ti-6Al-4V): درجات هوافضا و پزشکی فسفر را محدود می کنند0.015 درصد وزنی (150 ppm); درجه های صنعتی اجازه می دهد تا0.03 درصد وزنی (300 ppm).

(3) گوگرد (S)

گوگرد در تیتانیوم اجزای ترد سولفیدی (مثلاً TiS، Ti2S) ایجاد می‌کند که به عنوان نقاط تمرکز تنش عمل می‌کنند و باعث ایجاد ترک‌ها تحت بار می‌شوند. محتوای آن به شدت محدود است تا از شکنندگی جلوگیری شود:

تیتانیوم خالص تجاری: محتوای گوگرد باید کمتر یا مساوی باشد0.015 درصد وزنی (150 ppm)(ASTM B265).

آلیاژهای تیتانیوم (Ti-6Al-4V): برای کاربردهای هوافضا، این محدودیت است0.010 درصد وزنی (100 پی پی ام); برای مصارف صنعتی، می تواند تا0.02 درصد وزنی (200 ppm).

info-439-439 info-452-443

info-452-443 info-435-438

2. تردی هیدروژن ناشی از محتوای بیش از حد هیدروژن

تردی هیدروژن (HE) یک حالت شکست فاجعه بار برای مواد تیتانیوم است که توسط غلظت هیدروژن بیش از آستانه ایمن ایجاد می شود. مکانیسم و اثرات آن به شرح زیر است:

(1) مکانیسم تردی هیدروژن در تیتانیوم

تیتانیوم تمایل زیادی به هیدروژن دارد که می تواند از مسیرهای متعدد وارد ماده شود:

ذوب و فرآوری: جذب هیدروژن در حین ذوب مجدد قوس خلاء (VAR) در صورتی که جو کوره به درستی کنترل نشود یا در حین کار گرم در محیط های مرطوب.

محیط های خدماتی: جذب هیدروژن از محیط‌های خورنده (مثلاً محلول‌های آبی، اسیدها یا گازهای حاوی هیدروژن) از طریق واکنش‌های سطحی، یا از فرآیندهای الکتروشیمیایی (مانند حفاظت کاتدی در کاربردهای دریایی).

هنگامی که هیدروژن درون ماتریکس تیتانیوم قرار می گیرد، بر اساس دما و غلظت رفتار متفاوتی دارد:

در دمای اتاق و سطوح پایین هیدروژن (<50 ppm), hydrogen dissolves interstitially in the titanium lattice without causing harm.

هنگامی که محتوای هیدروژن از ~ 100 ppm بیشتر شود، به صورت شکننده رسوب می کندهیدرید تیتانیوم (TiH2)در امتداد مرزهای دانه یا در فاز -. TiH2 دارای ساختار کریستالی چهارضلعی با سختی بالا و شکل پذیری کم است که تداوم ماتریس تیتانیوم را مختل می کند.

تحت تنش مکانیکی، فاز هیدرید به عنوان محل هسته‌زایی ترک عمل می‌کند. با افزایش تنش، این ترک‌ها به سرعت در امتداد رابط‌های ماتریس{1}}هیدرید منتشر می‌شوند که منجر به شکستگی ناگهانی و شکننده می‌شود (حتی در سطوح تنش بسیار کمتر از قدرت تسلیم ماده).

(2) اثرات تردی هیدروژن

از دست دادن انعطاف پذیری و چقرمگی: تیتانیوم با هیدروژن بیش از حد کاهش چشمگیری در ازدیاد طول و کاهش مساحت نشان می دهد. به عنوان مثال، Ti{8}}6Al-4V آنیل شده با هیدروژن 200 ppm دارای کشیدگی تنها 5-8٪ (از 10-15٪ برای مواد کم هیدروژن)، و چقرمگی شکست آن (KIC) 30-40٪ کاهش می یابد.

شکست سازه ای فاجعه بار: شکنندگی هیدروژن اغلب بدون هشدار قبلی اتفاق می‌افتد (بدون تغییر شکل پلاستیکی)، که آن را برای ایمنی{0}}قطعات حیاتی خطرناک می‌کند. در کاربردهای هوافضا، ترک‌خوردگی ناشی از هیدرید{2}}در موارد شدید باعث خرابی اجزای ارابه فرود و تیغه‌های موتور شده است.

کاهش عمر خستگی: هیدروژن رشد ترک های ناشی از خستگی را با ترویج تشکیل هیدریدها در نوک ترک تسریع می کند. استحکام خستگی Ti-6Al-4V با 150 ppm هیدروژن 25 تا 30 درصد در مقایسه با مواد کم هیدروژن کاهش می‌یابد که منجر به شکست زودرس تحت بارگذاری چرخه‌ای می‌شود.

(3) پیشگیری و کاهش تردی هیدروژن

برای جلوگیری از شکنندگی هیدروژن، سازندگان و کاربران نهایی اقدامات زیر را اتخاذ می‌کنند:

کنترل دقیق فرآیند: در طول ذوب و عملیات حرارتی، اتمسفرهای هیدروژن پایین- را حفظ کنید. از گازهای خشک و بدون رطوبت برای کار گرم و جوشکاری استفاده کنید.

ارسال{0}}گاز زدایی در حال پردازش: برای محصولات تیتانیوم با محتوای هیدروژن بالا، بازپخت خلاء در دمای 600 تا 700 درجه به مدت چند ساعت انجام دهید تا هیدروژن به خارج از ماتریکس پخش شود (هیدروژن به کاهش<50 ppm).

مدیریت محیط خدمات: از قرار دادن اجزای تیتانیوم در معرض مواد هیدروژن{0}غنی یا خورنده بدون محافظت مناسب (مانند پوشش‌ها یا بازدارنده‌ها) خودداری کنید. از طریق تکنیک هایی مانند استخراج داغ یا همجوشی گاز بی اثر، محتوای هیدروژن را به صورت دوره ای برای قطعات حیاتی کنترل کنید.