Ti-6Al-4Vتُعرف أيضاً باسم سبيكة التيتانيوم من الدرجة 5، وهي واحدة من أكثر سبائك التيتانيوم شيوعاً المستخدمة في مجموعة متنوعة من التطبيقات. تقدم هذه المقالة نظرة عامة شاملة عن Ti-6Al-4V، بما في ذلك تركيبها وخصائصها وتطبيقاتها ومواصفاتها وأسعارها ومعالجتها وغير ذلك.
تركيبة Ti-6Al-4V
إن Ti-6Al-4V عبارة عن سبيكة تيتانيوم ألفا-بيتا تحتوي على 61 تيرابايت 3 تيرابايت ألومنيوم، و41 تيرابايت 3 تيرابايت فاناديوم، و0.251 تيرابايت 3 تيرابايت (كحد أقصى) حديد، و0.21 تيرابايت 3 تيرابايت (كحد أقصى) أكسجين، والباقي تيتانيوم. فيما يلي التركيب الاسمي لسبائك Ti-6Al-4V:
| العنصر | الوزن % |
|---|---|
| التيتانيوم | الرصيد |
| ألومنيوم | 5.5 – 6.75 |
| الفاناديوم | 3.5 – 4.5 |
| حديد | ≤ 0.3 |
| الأكسجين | ≤ 0.2 |
يعمل الألومنيوم على تثبيت مرحلة ألفا وتقويتها، بينما يتيح الفاناديوم تكوين مرحلة بيتا. ويمنح الجمع بين مرحلتي ألفا وبيتا Ti-6Al-4V قوة ممتازة ومقاومة ممتازة للتآكل وقابلية تشغيل ممتازة.
خواص Ti-6Al-4V
يتسم Ti-6Al-4V بالخصائص التالية التي تجعله مفيدًا في التطبيقات الفضائية والطبية والبحرية وغيرها من التطبيقات:
| الممتلكات | القيمة |
|---|---|
| الكثافة | 4.43 جم/سم3 |
| نقطة الانصهار | 1604 - 1660°C |
| قوة الشد | 895 - 1170 ميجا باسكال |
| قوة الخضوع | 825 - 1103 ميجا باسكال |
| الاستطالة | 8 – 16% |
| معامل المرونة | 114 جيجا باسكال |
| قوة التعب | 400 - 500 ميجا باسكال |
| صلابة الكسر | 55 - 115 - 115 ميجا باسكال - م^1/2 |
| مقاومة التآكل | ممتاز |
| التوافق الحيوي | ممتاز |
الميزات الرئيسية:
- خفيفة الوزن مع نسبة عالية من القوة إلى الوزن
- يتحمل درجات الحرارة القصوى
- قوة إجهاد عالية
- مقاوم للتآكل والأحماض والكلوريدات
- متوافق مع الغرسات والأطراف الاصطناعية
تطبيقات Ti-6Al-4V
يُستخدم Ti-6Al-4V في الاستخدامات الرئيسية التالية بسبب مزيجه الفريد من الخصائص:
| الصناعة | التطبيقات |
|---|---|
| الفضاء | مكونات محركات الطائرات، وهياكل الطائرات، والمثبتات، والأنظمة الهيدروليكية |
| الطب الحيوي | الزرعات الجراحية والأطراف الصناعية لتقويم العظام والأسنان |
| البحرية | المراوح، وحفارات المنصات البحرية، وخطوط الأنابيب، والمبادلات الحرارية |
| المواد الكيميائية | الصهاريج والأنابيب والصمامات والمضخات وأوعية التفاعل |
| السيارات | الصمامات وقضبان التوصيل ونوابض التعليق |
| توليد الطاقة | شفرات التوربينات البخارية، وأجزاء محارق النفايات، والمبادلات الحرارية |
| السلع الرياضية | مضارب الجولف، وإطارات الدراجات، ومضارب التنس، وعصي الهوكي |
يسمح Ti-6Al-4V بتصميم مكونات ومعدات أخف وزنًا وأسرع وأكثر متانة.
مواصفات Ti-6Al-4V
يغطي Ti-6Al-4V المواصفات التالية:
| قياسي | العنوان |
|---|---|
| AMS 4911 | سبيكة تيتانيوم 6Al-4V، صفيحة/شريط/صفيحة ملدنة |
| ASTM B348 | قضبان وقضبان وقضبان التيتانيوم وسبائك التيتانيوم |
| ASTM F1472 | سبائك التيتانيوم المشغول من التيتانيوم - 6 ألومنيوم - 4 فانياديوم - 4 فانياديوم لتطبيقات الزرع الجراحي |
| ASTM F1108 | سبيكة التيتانيوم-6 ألومنيوم-4 فانياديوم-4 فانيديوم للغرسات الجراحية |
| AMS 4928 | مصبوبات استثمارية، فولاذ مقاوم للتآكل، فولاذ مقاوم للتآكل، قوة عالية، مصهور بالتفريغ، سبائك التيتانيوم |
| AMS 4965 | ألواح وشرائط وألواح سبائك التيتانيوم 6Al -4V الملدنة |
| MSRRR 9545 | سبائك التيتانيوم، صفائح وشرائح وألواح التيتانيوم 6Al - 4V، ملدنة |
ويغطي ذلك حدود تركيب السبائك، والخصائص الميكانيكية، والمعالجة الحرارية، ومتطلبات البنية المجهرية، واختبار التآكل وغيرها من المعايير.
نماذج منتجات Ti-6Al-4V Ti-6Al-4V
يتم إنتاج Ti-6Al-4V في الأشكال والأحجام والأشكال والتشطيبات التالية:
| نموذج المنتج | نطاق الحجم |
|---|---|
| ورقة | 0.4 - 6.35 مم سمك 0.4 - 6.35 مم |
| اللوحة | 6 - 250 مم سمك 6 - 250 مم |
| البار | قطر يصل إلى 650 مم |
| قضيب | قطر يصل إلى 650 مم |
| الأسلاك | 0.1 - 15 مم |
| أنبوب | 2 - 300 مم قطر 2 - 300 مم |
| المسبوكات | أحجام وأشكال مخصصة |
| المطروقات | أحجام وأشكال مخصصة |
تشمل التشطيبات المدرفلة على الساخن والمدرفلة على البارد والمصلبة والمصقولة والمشكّلة والمخللة والمزيلة الترسبات وغيرها.
درجات Ti-6Al-4V
يندرج Ti-6Al-4V تحت درجات ASTM التالية التي تختلف في مستويات الحد الأدنى لمقاومة الشد والخضوع:
| درجة ASTM | قوة الشد (دقيقة) ميجا باسكال | قوة الخضوع (دقيقة) ميجا باسكال |
|---|---|---|
| الصف الخامس | 895 | 825 |
| الصف 23 | 965 | 895 |
| الصف 24 | 1170 | 1103 |
يوفر الصف 5 Ti-6Al-4V من الدرجة 5 الخصائص القياسية، في حين أن الصفين 23 و24 هما نوعان مختلفان عالي القوة.
موردو Ti-6Al-4V
يتوفر Ti-6Al-4V بسهولة لدى موردي وموزعي التيتانيوم الرئيسيين التاليين:
- ATI
- VSMPO-AVISMA
- ويسترن ميتال ماتيريالز
- شركة Baoji Titanium Industry Co.
- التقنيات الغربية فائقة التوصيل الغربي
- صناعات التيتانيوم
قُدِّرت الطاقة الإنتاجية العالمية من إسفنج التيتانيوم بحوالي 330,000 طن في عام 2020، مع استخدام جزء كبير من هذا الإنتاج في تصنيع Ti-6Al-4V.
تسعير Ti-6Al-4V
اعتبارًا من عام 2023، يبلغ سعر Ti-6Al-4V تقريبًا:
| نموذج المنتج | نطاق السعر للكيلوغرام الواحد |
|---|---|
| ورقة/لوحة/لوحة | $15 – $50 |
| بار/رود | $15 – $35 |
| الأسلاك | $25 – $60 |
| أنبوب | $20 – $45 |
| المسبوكات | $25 – $100 |
| المطروقات | $25 – $100 |
تختلف الأسعار بناءً على الحجم، والسماكة، والدرجة، والكمية المطلوبة، والمعالجة، والمهل الزمنية وديناميكيات العرض والطلب. تقدم المطاحن عمومًا خصومات على أساس الحجم.
التصنيع الآلي Ti-6Al-4V
يتميز Ti-6Al-4V بتوصيل حراري منخفض، لذا فإن الحرارة تتبدد ببطء أثناء التشغيل الآلي. تشمل التقنيات الموصى بها ما يلي:
- استخدم إعدادات صلبة لتقليل الاهتزازات إلى الحد الأدنى
- استخدام سرعات قطع عالية مع تغذية/عمق بطيء
- استخدام أدوات أشعل النار عالية الإيجابية مع حواف قطع حادة
- تطبيق التبريد بالغمر الثقيل باستخدام المستحلبات
- التحكم في تشكيل البُرادة لتجنب تصلب العمل
يشيع استخدام أدوات الكربيد والسيرميت وCBN والماس. يجب تجنب المبردات التي تحتوي على الكبريت.
لحام Ti-6Al-4V
يمكن لحام Ti-6Al-4V باستخدام GTAW و PAW و LBW وغيرها من الطرق. تشمل الاحتياطات ما يلي:
- الحفاظ على التدريع بالغاز الخامل لمنع الأكسدة
- الحد من مدخلات الحرارة لتجنب التشققات وفقدان القوة
- قد تكون المعالجة الحرارية بعد اللحام مطلوبة
- تطابق تركيب معدن الحشو مع المعدن الأساسي
تشمل معادن الحشو الشائعة ER5356 و ER2319.
المعالجة الحرارية Ti-6Al-4V
يمكن معالجة Ti-6Al-4V بالحرارة لتعديل بنيته المجهرية وخصائصه الميكانيكية:
| العملية | المعالجة الحرارية النموذجية |
|---|---|
| التلدين | 705 درجة مئوية لمدة 2 ساعة، تبريد بالهواء |
| تخفيف التوتر | 480 - 650 درجة مئوية لمدة 2 - 4 ساعات، تبريد بالهواء |
| علاج المحلول | 930 - 955 درجة مئوية لمدة 1 ساعة، إخماد بالماء |
| الشيخوخة | 480 - 595 درجة مئوية لمدة 2 - 8 ساعات، تبريد بالهواء |
يعمل التلدين على تحسين الليونة وقابلية التشغيل الآلي. يزيد التقادم من القوة. المعالجة الحرارية المناسبة أمر بالغ الأهمية لتحسين الخصائص.
تزوير Ti-6Al-4V
تصنع عملية التشكيل مكونات Ti-6Al-4V صلبة ذات قوة إجهاد ممتازة. جوانب التشكيل الرئيسية:
- التسخين ببطء إلى درجة حرارة التشكيل 700 - 850 درجة مئوية
- قد يلزم إجراء العديد من المطروقات مع التلدين الوسيط
- المطروقات المشذبة على الساخن قبل التلدين
- التلدين بعد التشكيل لتخفيف الضغوطات
- يجب أن يكون بدل الماكينة 1 - 2 مم
ينتج عن التشكيل بالقالب المغلق تحت المطارق أو المكابس أفضل الخصائص. يتطلب التيتانيوم قوى ثقيلة للتشكيل.
صب Ti-6Al-4V
يسمح الصب الاستثماري ل Ti-6Al-4V بصنع أشكال معقدة ذات تشطيبات سطحية جيدة:
- استخدام بوابات متعددة ومرتفعات متعددة للمسبوكات السليمة
- الحفاظ على جو خامل أثناء الصهر والصب
- يساعد الكبس المتساوي الحرارة (HIP) على التخلص من العيوب الداخلية
- طحن السطح كيميائيًا لإزالة حالة ألفا
- تلدين المسبوكات لتحسين الليونة
يتميز Ti-6Al-4V المصبوب بقوة إجهاد أقل من المنتجات المشغولة.
الانضمام إلى Ti-6Al-4V
تتضمن طرق الربط الشائعة Ti-6Al-4V ما يلي:
- اللحام الاندماجي (GTAW، PAW، LBW، شعاع الإلكترون)
- اللحام بالنحاس باستخدام معادن الحشو Ti-Cu-Ni
- التثبيت الميكانيكي، البراغي، المسامير، المسامير
- الترابط اللاصق باستخدام الإيبوكسي أو البولي إيميد
تعتمد قوة الوصلة على العملية المستخدمة. إن مطابقة تركيبة السبيكة وتقليل التلوث أمران أساسيان.
التعامل مع Ti-6Al-4V
ممارسات المناولة الموصى بها ل Ti-6Al-4V:
- استخدم قفازات نظيفة لمنع التلوث من زيوت الجلد والأملاح
- تجنب ملامسة المعادن الخطرة مثل الكادميوم والزئبق والغاليوم
- منع التعرض للأحماض والكلوريدات والمواد الكيميائية الأخرى المسببة للتآكل
- يُحفظ في بيئة باردة وجافة وخاملة بعيدًا عن الرطوبة
- حماية من الخدوش والخدوش والانبعاجات أثناء النقل والتخزين
غبار التيتانيوم سريع الاشتعال وحساس للتفريغ الاستاتيكي. اتبع إجراءات التأريض والتهوية والتنظيف المناسبة.
سلامة Ti-6Al-4V
تدابير السلامة الرئيسية للتعامل مع سبائك التيتانيوم:
- ارتد معدات الوقاية الشخصية المناسبة - واقي للعينين وقناع غبار وقفازات
- استخدم تهوية كافية للعادم المحلي عند التشغيل الآلي
- تجنب استنشاق الأبخرة المتصاعدة من اللحام أو القطع الحراري
- منع تراكم البُرادة والغبار
- تأكد من توفر معدات إطفاء الحريق الكافية
- اتبع الممارسات الآمنة لأسطوانات الغاز المضغوط والمبردات
التيتانيوم نفسه ذو سمية منخفضة ولكن المعالجة يمكن أن تولد جسيمات خطرة.
فحص Ti-6Al-4V
يتم فحص أجزاء Ti-6Al-4V عادةً باستخدام:
- الفحص البصري والكلي للعيوب
- اختبار الاختراق السائل للكشف عن العيوب السطحية
- الفحص بالموجات فوق الصوتية للتحقق من السلامة الداخلية
- الاختبار الإشعاعي باستخدام الأشعة السينية أو أشعة جاما
- طرق التيار الدوامي لتحديد الشقوق والفراغات
- اختبار الإثبات واختبار الضغط للمكونات الجاهزة
كما يتم عادةً فحص بنية الحبيبات وعمق علبة ألفا، وتشطيب السطح والأبعاد.
ضمان جودة Ti-6Al-4V Ti-6Al-4V
يجب أن يكون لدى موردي Ti-6Al-4V أنظمة جودة معتمدة:
- إدارة الجودة ISO 9001 ISO 9001
- معيار AS9100 Aerospace القياسي AS9100
- معيار الأجهزة الطبية ISO 13485 ISO 13485
- NADCAP العمليات الخاصة مثل المعالجة الحرارية والمعالجة الحرارية والاختبار غير المباشر
تتطلب تطبيقات هياكل الطائرات والتطبيقات الطبية متطلبات تنظيمية إضافية.
مزايا Ti-6Al-4V
- نسبة قوة إلى الوزن ممتازة
- يتحمل درجات الحرارة القصوى
- يقاوم التآكل في العديد من البيئات
- متوافق حيوياً للغرسات
- يمكن معالجتها بالحرارة لتخصيص الخصائص
- سهل التشكيل والتشغيل الآلي
- متوفر لدى العديد من الموردين المؤهلين
محدودية Ti-6Al-4V
- أغلى من الفولاذ وسبائك الألومنيوم
- صلابة أقل من الفولاذ
- غير قابل للمعالجة الحرارية حتى الصلابة الكاملة
- عرضة للالتواء والاستيلاء أثناء التشغيل الآلي
- أحجام المقاطع محدودة بإمكانيات التشكيل والصب
- يتطلب الذوبان جوًا خاملًا محكومًا
Ti-6Al-4V مقابل سبائك التيتانيوم الأخرى
كيف يمكن مقارنة سبائك التيتانيوم Ti-6Al-4V بسبائك التيتانيوم الأخرى الشائعة؟
| سبيكة | القوة | مقاومة التآكل | التكلفة | حالات الاستخدام |
|---|---|---|---|---|
| Ti-6Al-4V | عالية | ممتاز | معتدل | الفضاء الجوي والبحري والطبي الحيوي |
| سي بي تيتانيوم | متوسط | ممتاز | منخفضة | الكيماويات وأنظمة مياه البحر |
| Ti-10V-2Fe-3Al | عالية جداً | جيد | عالية | مثبتات الفضاء الجوي، التزوير |
| Ti-3Al-2.5 فولت | متوسط | ممتاز | معتدل | المحركات النفاثة، هياكل الطائرات |
| Ti-13V-11Cr-11Cr-3Al | عالية | ممتاز | عالية جداً | مكونات الفضاء الجوي |
يوفر Ti-6Al-4V أفضل الخصائص الشاملة بتكلفة معقولة. توفر السبائك الأخرى قوة أعلى أو أداء أعلى في التآكل للتطبيقات المتخصصة.
التعليمات
س: فيمَ يُستخدم Ti-6Al-4V؟
ج: يُستخدم Ti-6Al-4V على نطاق واسع في التطبيقات الفضائية والبحرية والمعالجة الكيميائية والطبية الحيوية والاستهلاكية حيث تكون هناك حاجة إلى قوة عالية ووزن منخفض ومقاومة للتآكل.
س: هل Ti-6Al-4V أقوى من الفولاذ؟
ج: نعم، يتميز Ti-6Al-4V بنسبة قوة إلى وزن أعلى من معظم أنواع الفولاذ، ولكن صلابة أقل. فهو أثقل بنحو 60% من الألومنيوم.
س: هل يتوافق Ti-6Al-4V مع الغرسات الطبية؟
ج: نعم، يتميز Ti-6Al-4V بتوافق حيوي ممتاز، ويُستخدم عادةً في استبدال المفاصل وزراعة الأسنان وأجهزة تنظيم ضربات القلب وأجهزة تثبيت الكسور.
س: هل يتطلب Ti-6Al-4V معالجة حرارية؟
ج: يمكن معالجة Ti-6Al-4V بالحرارة لتعديل خصائصه. يمكن أن تزيد المعالجة بالمحلول والتعتيق من قوته بشكل كبير.
س: ما الفرق بين الصف 5 والصف 23 Ti-6Al-4V؟
ج: الدرجة 5 هي السبيكة القياسية التي تبلغ قوة شدها 895 ميجا باسكال كحد أدنى. أما الدرجة 23 فلها متطلبات قوة أعلى تبلغ 965 ميجا باسكال كحد أدنى.
س: ما هي مقاومة التآكل في Ti-6Al-4V؟
ج: يتميز Ti-6Al-4V بمقاومة ممتازة للتآكل لمعظم الأحماض والكلوريدات وبيئات المياه المالحة. ويتم الحفاظ على سلبيته عبر نطاق واسع من الأس الهيدروجيني.
س: هل يمكنك لحام Ti-6Al-4V؟
ج: نعم، يمكن استخدام طرق اللحام مثل GTAW وLBW وPAW للحام Ti-6Al-4V. يجب اتباع الإجراءات المناسبة لضمان سلامة الوصلة.
س: ما هي تكلفة Ti-6Al-4V مقارنة بالمعادن الأخرى؟
ج: على أساس الرطل الواحد، يعتبر Ti-6Al-4V أغلى من الفولاذ وسبائك الألومنيوم، ولكنه أرخص من السبائك الغريبة مثل Inconel أو Hastelloy.
س: ما هي بعض بدائل Ti-6Al-4V؟
ج: للاستخدامات الفضائية، يوفر التيتانيوم Ti-10V-2Fe-3Al قوة أعلى. أما بالنسبة لمقاومة التآكل، فإن التيتانيوم CP Titanium أو Ti-3Al-2.5V ممتازان. Ti-1023 وTi-5553 سبائك جديدة عالية القوة.