مهندسی مکانیک

شکلدهی داغ آلیاژهای تیتانیم

? مقدمه:
آلیاژهای سبک وزن و مقاوم به حرارت پایه TiAl به عنوان نسل بعدی مواد ساختاری بحساب آمده و تحقیقات بسیاری روی آنها انجام میشود. تنها کاربرد تجاری که اخیرا برای آن پیشنهاد شده است در توربوشارژرهای اتومبیلهای سواری است. بدلیل آنکه توربینهای سبک وزن کارایی (قدرت واکنش بهتر) را بهبود میدهند، این کاربرد مستقیما از سبکی آلیاژ Ti ? Al استفاده میکند. علاوه بر آن، خواص ماده مورد نیاز در این کاربرد تقریبا همانند آلیاژ جایگزین شده است. اما این آلیاژ در زمینههای دیگر هنوز مورد استفاده پیدانکرده است. دلایل اصلی این امر قیمت بالا و قابلیت اطمینان بوده، مضاف بر اینکه خواص آلیاژهای Ti ? Al خیلی بهتر از آلیاژهای کاربردی متداول نیست؛ و هنگامی که نمیتوان از خاصیت سبک وزنی این آلیاژ، مانند حالت توربوشارژر، بهرهبرداری مستقیم کرد، به این نتیجه میرسیم که باید خواص این آلیاژ را در مقایسه با آلیاژهای رایج بهبود بخشید.
استحکام یکی از خواص اصلی آلیاژهای TiAl است که باید اصلاح شود؛ استحکام دمای بالای آنها، تقریبا مشابه سوپرآلیاژها بوده (حتی اگر بر حسب استحکام مخصوص مقایسه شود) و در دمای پایین یا متوسط، حتی استحکامی کمتر از آلیاژهای پایه تیتانیوم مقاوم به حرارت و سوپرآلیاژ آلفا - ? دارند و بدین ترتیب نیازی به جایگزینی با این آلیاژها احساس نمیشود.
میدانیم که کاهش اندازه دانه و فواصل لایهها در ساختار لایهای در افزایش استحکام آلیاژ TiAl موثر است. خنک کردن با هوا از منطقه دما بالای آلفا برای کاهش فواصل لایهها مفید بوده و تغییر شکل در دمای بالا نیز اندازه دانه را کاهش میدهد. بعبارت دیگر، فورجینگ (آهنگری) داغ که فرایند شکلدهی معمول در اکثر فلزات عادی است، باید موجب افزایش استحکام آلیاژ Ti-Al شود. نکته جالب توجه آن است که هیچ نمونه کاربرد عملی برای Ti ? Al کاملاً لایهای شده وجود ندارد. این موضوع به دلیل بالا بودن تنش سیلان این ماده و قابلیت شکلپذیری پایین آن در تغییر شکلهای سریع است. بنابراین تولید صنعتی قطعات بزرگ و پیچیده از این آلیاژ با استفاده از فورجینگ داغ به دلیل محدودیت تجهیزات و احتمال ایجاد ترک در ماده و ... دشوار است. برا ی یافتن کاربرد عملی آلیاژ Ti-Al شکل داده شده با فورج داغ، کاهش تنش سیلان و بهبود شکلپذیری لازم و ضروری بنظر میرسد.
بهترین راه برای رسیدن به موارد فوق، وارد کردن فاز بتا است. اگر در حین فورج داغ، تک فاز آلفا به فاز دوتایی آلفا + بتا تبدیل شود، شکلپذیری دمای بالای آلیاژ به میزان قابل توجهی افزایش مییابد. همچنین، با تبدیل شدن فاز آلفا به یک فاز لایهای در حین سرد شدن، نسبت بهینه بین فازهای آلفا و بتا در دمای بالا با کنترل ترکیب آلیاژ منجر به ریزساختاری میشود که در آن ساختار لایهای غالب خواهد بود.
یکی دیگر از زمینههای تحقیقاتی، فاز گامای آلیاژهای TiAl است. آلیاژهای پایه گاما به دلیل استحکام بالا و مقاومت به اکسیداسیون در دمای بالای ??? درجه سانتیگراد و همینطور چگالی کم، به عنوان نسل بعدی مواد دما بالا به حساب میآیند. اما مهمترین مانع بکارگیری مهندسی آنها، انعطافپذیری دمایی ضعیف و محدود است. تاکنون تحقیقات بسیاری در این زمینه صورت گرفته است . چندین آلیاژ پایه Ti-(??_??)Al توسعه داده شدهاند. انعطافپذیری دمای اتاق آنها به ?/? درصد رسیده و چقرمگی شکست و مقاومت به خزششان به میزان قابل توجهی بهبود یافته است.
در حین توسعه نسل دوم و سوم آلیاژ Ti-Al کشف شد که عنصر نایوبیم، عنصر مهمی در بهبود خواص مکانیکی در دمای بالا بحساب میآید. نتایج تجربی بیانگر آن است که اضافه کردن مقادیر زیاد از نایوبیم نقطه ذوب را زیاد کرده و دمای کاربردی ماده را تا ??? درجه سانتیگراد افزایش میدهد. پس از تحقیقات بسیار بدست آمد که آلیاژهای TiAl حاوی مقادیر زیاد Nb استحکام بیشتری داشته و در دمای بالا تا ???? درجه سانتیگراد در برابر اکسیداسیون مقاوم است. آزمایشات نشان میدهد که فورج ایزوترمال یکی از مهمترین مراحل اصلاح انعطافپذیری محدود آلیاژهای فوق است.
آلیاژهای آلومیناد تیتانیم با فازهای پایه گاما و آلفا -? نیز از شکست ترد در دمای بالا رنج میبرند. بنابراین کیفیت و متالورژی شمشها برای تولید و قابلیت اطمینان قطعه باید مورد توجه قرار گیرد. مواردی که باید کنترل شوند عبارتند از: تخلخل انقباضی، جدایش عناصر آلیاژی، ریزساختار درشت (اندازه دانه درشت) و بافت. در نتیجه رسیدن به یکنواختی در ترکیب شیمیایی و ریز کردن دانه برای کاربرد مهندسی لازم و ضروری بنظر میرسد. در این زمینه تحقیقات گستردهای بر روی شمشهای این آلیاژها صورت گرفته است. اصلیترین فاکتورهای مورد توجه در کارگرم این آلیاژها بقرار زیر هستند:
?) آنایزوتروپی پلاستیک زیاد ماده به دلیل نبود سیستم لغزش مستقل که این مسئله در حالت تغییر شکل منعکس میشود.
?) تحرک اندک نابجاییها
?) تحرک مرز دانهای و نفوذ کم که بازیابی و تبلور مجدد را به تاخیر میاندازد.
?) پیوستگی مجدد دینامیکی و استحاله فازی توام که میتواند در توسعه بافت موثر باشد.
?) انعطافپذیری محدود و حساسیت به رخ شکست که حالت شکست را تحت کارگرم تعیین میکند.
این عوامل در عملیات کارگرم نقش مهمی ایفا میکنند اما هنوز اطلاعات پیرامون مکانیزمهای مربوط به آنها اندک و محدود است.
نیاز به استحکام بالا همراه با مقاومت به اکسایش خوب منجر به توسعه خانواده جدیدی از آلیاژهای TiAl گاما با ترکیب خطی پایه زیر شد:
Ti ? ?? Al ? (? ? ??) Nb + X
که X در آن مقادیر عناصر آلیاژی فلزی یا غیر فلزی دیگر میباشد. توجهات ویژهای به این آلیاژها معطوف شده است زیرا قابلیت گسترش دامنه کاربرد آلیاژهای TiAlقدیمی را دارد. ویژگی مشخصه آلیاژ جدید میزان اندک آلومینیم و افزایش میزان نایوبیم است . در سیستم Ti-Al افزودن Nb عموماً دمای بتا و آلفا (استهاله یافته) را کاهش داده و به فاز آلفا میرسد. این بهسازی در پایداری فاز منجر به پالایش عمده ساختار میشود که بدون شک مهمترین عامل استحکام تسلیم بالای ماده است. البته ذکر این نکته نیز ضروری است که هرگونه تغییر در نسبت آلومینیم باعث تغییر خواص مکانیکی میشود.
اطلاعات اندکی در رابطه با رفتار تغییر شکل فاز آلفا ? ? در آلیاژهای ( گاما و آلفا ? ?) وجود دارد. تودههای پلیکریستالی آلفا ? ? در دماهای پایین و محدود، چقرمگی و انعطافپذیری کمی دارند. در دماهای بالای ??? درجه سانتیگراد در فاز آلفا - ? از آلیاژهای دو فازی، وجود نابجاییهایی با مولفه c شناسایی شده و تصور میشود که آنایزوتروپی پلاستیک آلفا ? ? را کاهش میدهد.
اطلاعات پیرامون ویژگیهای تغییر شکل آلفا غنی از آلومینیم اندک است، مخصوصا هنگامی که این فاز در تعادل با گاما باشد. هیچ اطلاعات دیگری نیز در مورد تغییر شکل فاز بتا و فاز همتای منظم شده آن B? هنگام همراهی با فازهای گاما و آلفا ? ? وجود ندارد.
بنظر میرسد تبلور مجدد و کروی شدن ریزساختار با افزایش زیاد Nb به تاخیر بیافتد که حداقل به سه عامل مربوط میشود. Nb به میزان زیادی فضاهای اتمی تیتانیم را در فازهای گاما و آلفا - ? اشغال میکند. بنابراین آلیاژهای حاوی نایوبیم در اینجا معادل آلیاژهای Ti-??Al در نظر گرفته میشوند. در چنین آلیاژهای غنی از تیتانیم، عموما تبلور مجدد دینامیکی بنابر دلایلی که همگی مشخص نیستند، به کندی انجام میشود. بعلاوه، در آلیاژهای حاوی نایوبیم بالا، تبلور مجدد بخاطر ضریب نفوذ کمتر به تاخیر میافتد. یکی از ویژگیهای خاص آلیاژهای حاوی Nb این است که اغلب حاوی کسر حجمی قابل توجهی از فاز بتا میباشند که ساختار فرعی نفوذکننده در ماده تشکیل میدهد. انتظار میرود که این فاز تحت شرایط کار داغ استحکام تسلیم نسبتا کمی داشته و عهدهدار بخش اعظم تغییر شکل باشد. در نتیجه، میزان انرژی کرنشی سهم فازهای گاما و آلفا ? ? نسبتا اندک بوده و بنابراین نیروی محرک تبلور مجدد در این اجزاء کاهش مییابد. به نظر میرسد اعوجاج فاز بتا بسیار بیشتر از دو فاز دیگر گاما و آلفا ? ? باشد. در کرنشهای بالا، باندهای برش در طول فاز بتا که شامل دانههای بسیار ریز و هممحور میباشد، گسترش مییابند. بنابراین تغییر شکل میتواند توسط لغزش مرزدانهها اتفاق بیافتد. این نوع تقسیم کرنش بین فاز بتا و دیگر فازها، یقینا منجر به تنشهای درونی زیاد میشود. اغلب باندهای برش کل قطعه کار را میپیمایند، در قطعات بزرگ این موضوع منجر به ایجاد تنشهای کششی خارجی و شکست نابهنگام میشود.
بر این اساس در یکی از تحقیقات انجام شده، آلیاژ Ti-??Al-??V انتخاب شد. این آلیاژ با آلیاژهای Ti-Al معمولی کاملا متفاوت بوده و در دمای بالا منطقه دو فازی (آلفا + بتا) بزرگی داشته و در دماهای متوسط و پایین دارای منطقه دو فازی (گاما و بتا - ?) است.
ظاهر خارجی آلیاژ بعد از تست اکسترود داغ نشان میدهد که اگرچه سطح غلاف روی قطعه کنده کنده شده است اما درون ماده سالم و بیعیب بوده و نشاندهنده قابلیت شکلپذیری بهتر این آلیاژ نسبت به غلاف از جنس فولاد کم آلیاژ است.
ظاهر خارجی آلیاژ بعد از فورج داغ در قالب بسته با ماده اضافی نشان میدهد که موقعیت ترک در ماده اضافی و در مکان جوش با غلاف است. ریزساختار آن نیز نشان میدهد که هیچ ترک درونی وجود ندارد؛ سیلان پلاستیک نیز در حد مطلوب است.

ادامه دارد.....