افزایش استحکام آلیاژ تیتانیوم با حرارت

heat on titanium alloy

افزایش استحکام آلیاژ تیتانیوم با حرارت

[box type=”shadow” align=”alignright” ]

آرون دواراج مهندس مواد PNNL در این ارتباط می گوید: “ما دریافتیم که اگر پیش از عملیات حرارتی دما پایین، عملیات حرارتی در دمای بالا انجام دهیم می توانیم آلیاژی تیتانیمی با استحکام 10 الی 15 درصد بیشتر از هر آلیاژ تجاری دیگری که در حال حاضر در بازار وجود دارد، تولید کنیم و استحکام آلیاژ بدست آمده دو برابر فولاد خواهد بود.” [/box]

پژوهشگران آزمایشگاه پاسفیک نورث وست یا (PNNL) دریافته اند که با تغییر آرایش اتم ها می توان محکم ترین آلیاژ تیتانیم را تهیه کرد. آنها معتقدند که این ماده جدید می تواند در ساخت اجزایی سبک تر و ارزان تر به کار رود و منجر به ساخت آلیاژ های مستحکم تر شود.

وزن تیتانیم تقریبا برا بر با نیمی از وزن فولادی است که برای ساخت وسایل نقلیه مورد استفاده قرار می گیرد و هنگامی که با سایر فلزات ترکیب می شود استحکام آن ها را به شکل شگفت انگیزی افزایش می دهد. روش های کنونی ترکیب تیتانیم با سایر فلزات به مدت 50 سال مورد استفاده قرار گرفته است اما تولید آلیاژی قابل اطمینان با ساختار مناسب و عیوب کم مانند Ti-185 فرآیندی گران بوده و نیاز به صرف انرژی بسیار دارد.

شش سال پیش پژوهشگران PNNL آلیاژ Ti-185 را تولید کردند که استحکام بالا و عیوب کمی داشت. این فرآیند از آن زمان به وسیله گروه مواد پیشرفته ADMA و شریک تجاری که مواد پیشرفته را برای صنایع و بخش هوافضا تامین می کند، مورد استفاده قرار می گرفته است. اما تیم پزوهشی نیاز داشت که آلیاژی محکم تر بسازد.

آرون دواراج مهندس مواد PNNL در این ارتباط می گوید: “ما دریافتیم که اگر پیش از عملیات حرارتی دما پایین، عملیات حرارتی در دمای بالا انجام دهیم می توانیم آلیاژی تیتانیمی با استحکام 10 الی 15 درصد بیشتر از هر آلیاژ تجاری دیگری که در حال حاضر در بازار وجود دارد، تولید کنیم و استحکام آلیاژ بدست آمده دو برابر فولاد خواهد بود.”

از میکروسکوپ الکترونی برای بررسی ساختار ماده در مقیاس چند صد نانومتر استفاده شد و با استفاده از سیستم روبش توموگرافی امکان نگاه دقیق تر به آرایش اتم ها فراهم آمد. پژوهشگران دریافتند که مناطق رسوب در اندازه های میکرون و نانو (که به فاز آلفا در شبکه بتا معروف است) به وسیله عملیات حرارتی بهینه  ایجاد شده اند و هرکدام غظلت بالایی از اتم های مشخص دارند.

دواراج می گوید: “اتم های آلومینیم و تیتانیم تمایل دارند تا در فاز رسوب آلفا که اندازه های نانومتری دارد قرار بگیرند در صورتی که وانادیم و آهن ترجیح می دهند که در فاز بتا قرار گیرند.” با عملیات حرارتی و رساندن دمای این مناطق به 788 درجه سانتی گراد نانوساختار منحصر به فردی ایجاد می شود. “

مقدار استحکام آلیاژ جدید که Ti-185 (HNS Ti-185) نام دارد برابر با 1700 مگاپاسکال است که دو برابر استحکام فولادهایی است که در صنعت خودرو مورد استفاده قرار می گیرد. مدت زمان انجام فرآیند تولید آلیاژ جدید برابر نیمی از مدت زمان روش های معمول است و از پودر ارزان قیمت هیدرید تیتانیم استفاده می کند.

دواراج می گوید: ” اکنون که ما دریافته ایم که چه اتفاقی می افتد و چرا این آلیاژ استحکام بالایی دارد، معتقدیم که می توانیم سایر آلیاژها را به گونه ای تولید کنیم که ساختاری مشابه با ساختار  Ti185 باشد. “

مقاله این پژوهش در ژورنال Nature Communications به چاپ رسیده است.

[box type=”info” align=”alignright” width=”1124″ ]منبع : www.gizmag.com [/box]

[divider]

Turning up the heat on titanium alloy

leads to increase in strength

Looking deep inside titanium alloy has allowed researchers at the Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) to manipulate the alignment of atoms and develop the strongest titanium alloy ever made. They believe the new material could be used in the production of lighter and cheaper vehicle components, and lead to the development of other high strength alloys.

Titanium is almost half as light as steel used for the manufacture of vehicles and, when mixed with other metals, gains superior strength properties. Current methods of mixing titanium with other metals have been in development for 50 years, but creating reliable, well-mixed and low defect alloys such as the common Ti-185 is an expensive, energy-intensive process.

Six years ago, PNNL researchers developed a Ti-185 mix that is very high strength and defect-free. The process has since been in use by co-developer Advanced Materials (ADMA), a commercial partner which sells the advanced materials to aerospace and other industries. But the team wanted to make the alloy even stronger.

“We found that if you heat treat it first with a higher temperature before a low temperature heat treatment step, you could create a titanium alloy 10-15 percent stronger than any commercial titanium alloy currently on the market and that it has roughly double the strength of steel,” said Arun Devaraj a material scientist at PNNL.

An electron microscope was used to peek inside the alloy at the hundreds of nanometers scale, followed by a closer look at the arrangement of individual atoms with the help of an atom probe tomography system. The researchers found that micron-sized and nano-sized precipitate regions were created by the optimized heat process (known as the alpha phase, in a matrix called the beta phase), each having high concentrations of certain elements.

“The aluminum and titanium atoms liked to be inside the nano-sized alpha phase precipitates, whereas vanadium and iron preferred to move to the beta matrix phase,” said Devaraj. Treating these regions to temperatures of 1,450° F (788° C) is reported to have resulted in a unique hierarchical nano structure.

Strength measurements indicate that the new alloy, called hierarchical nanostructured Ti-185 (HNS Ti-185), has a tensile strength of nearly 1,700 megapascals – about twice that of steel used in automotive manufacture. The manufacture process of the new alloy is reported to require about half the time of conventional methods and utilizes relatively cheap titanium hydride powder.

“Now that we understand what’s happening and why this alloy has such high strength, researchers believe they may be able to modify other alloys by intentionally creating microstructures that look like the ones in Ti185,” said Devaraj.

An open access paper has been published in Nature Communications.

آیا مقاله برای شما مفید بود ؟
5/raterateraterate
4
0 نظر ثبت شده
مواد کنکور

مطالب مرتبط

دیدگاه کاربران