جدیدتیتانیوم گرید ۵ یا Ti-6Al-4V؛ چاقوی سوئیسی دنیای مهندسی مواد!
مقدمه
وقتی صحبت از موادی می‌شود که بتوانند هم‌زمان سبک، مستحکم، مقاوم در برابر خوردگی و سازگار با بدن انسان باشند، کمتر آلیاژی به اندازه‌ی Ti-6Al-4V توجه‌ها را به خود جلب می‌کند. این آلیاژ با ترکیب شیمیایی Ti-6Al-4V که به‌نام تیتانیوم گرید 5 نیز شناخته می‌شود، یکی از پرکاربردترین و شناخته‌شده‌ترین آلیاژهای تیتانیوم در صنایع مختلف است. ...
آلیاژ Ti-6Al-4V، که با نام‌های دیگری مانند UNS R56400 و ASTM Grade 5 نیز شناخته می‌شود، یک آلیاژ دوفازی (α+β) بر پایه تیتانیوم است. این ساختار دوفازی سبب شده تا آلیاژ مزبور ترکیبی از استحکام بالا، چقرمگی مناسب و پایداری حرارتی را داشته باشد. این آلیاژ شامل ۹۰٪ تیتانیوم خالص به همراه عناصر آلیاژی آلومینیوم (Al) و وانادیوم (V) است که باعث بهبود خواص مکانیکی و فیزیکی آن می‌شوند.
این آلیاژ با ترکیبی از عناصر آلومینیوم و وانادیم در زمینه‌ی تیتانیوم، به‌نوعی “چاقوی سوئیسی” در دنیای مهندسی مواد محسوب می‌شود؛ چرا که در صنایع هوایی، ایمپلنت‌های پزشکی، تجهیزات دریایی و حتی خودروسازی، عملکردی مناسب دارد.
برخلاف بسیاری از فلزات مهندسی، این آلیاژ نه‌تنها در محیط‌های کلریدی (همچون آب دریا) مقاومت خوردگی بسیار بالایی دارد، بلکه در تماس مستقیم با بافت‌های بدن نیز واکنشی نشان نمی‌دهد؛ به همین علت سازندگان پروتزها و ایمپلنت‌های پزشکی به این آلیاژ علاقه زیادی دارند!
آنچه در این مقاله می‌خوانیم:
ابتدا ترکیب شیمیایی و ریزساختار این آلیاژ را تحلیل می‌کنیم، سپس به خواص مکانیکی و فیزیکی آن پرداخته و مقاومت آن در برابر خوردگی و کارایی زیستی‌اش را بررسی می کنیم. همچنین فرآیندهای ساخت و عملیات حرارتی مؤثر بر ویژگی‌های این آلیاژ را مرور کرده و در پایان نیز به کاربردهای صنعتی و پزشکی آن خواهیم پرداخت.
ترکیب شیمیایی تیتانیوم گرید ۵ (Ti-6Al-4V)
ترکیب شیمیایی دقیق این آلیاژ مطابق با استانداردهای مختلف در شکل زیر آورده شده است.
هر عنصر چه نقشی در خواص تیتانیوم گرید 5 دارد؟
✔ آلومینیوم (Al): به عنوان یک عنصر تقویت‌کننده فاز آلفا (α) عمل می‌کند و موجب افزایش استحکام و کاهش وزن مخصوص آلیاژ می‌شود. همچنین، مقاومت به اکسیداسیون و خزش را در دماهای بالا افزایش می‌دهد.
✔ وانادیوم (V): تثبیت‌کننده فاز بتا (β) است که باعث بهبود استحکام و انعطاف‌پذیری آلیاژ می‌شود. این عنصر مقاومت به خوردگی و سایش را افزایش داده و باعث بهبود قابلیت جوشکاری می‌شود.
✔ اکسیژن (O)، کربن (C) و نیتروژن (N): این عناصر در مقدار کم، باعث افزایش استحکام و سختی آلیاژ می‌شوند، اما در مقادیر بیش از حد مجاز، شکنندگی و کاهش چقرمگی را در پی دارند.
✔ هیدروژن (H): میزان بیش از حد هیدروژن می‌تواند باعث ایجاد تردی هیدروژنی در آلیاژ شود که در فرآیندهای حرارتی و جوشکاری باید کنترل گردد.
✔ آهن (Fe) و سایر ناخالصی‌ها: مقدار این عناصر در آلیاژ باید حداقل نگه داشته شود، زیرا افزایش غلظت آهن می‌تواند مقاومت به خوردگی را کاهش داده و تردی را افزایش دهد.
15
دقیــقه مطالعه
کاربردهای فیزیولوژیکی تیتانیوم؛ آچارفرانسه مهندسی پزشکی!
به جرئت می توان گفت در عصر حاضر، تیتانیوم اولویت اصلی برای تجهیزات ارتوپدی و دند...
بررسی ریزساختار آلیاژ Ti-6Al-4V
آلیاژ Ti-6Al-4V دارای ساختار دوفازی α+β است:
- فاز α (آلفا): دارای ساختار بلوری هگزاگونال فشرده (HCP) است که توسط آلومینیوم پایدار می‌شود.
- فاز β (بتا): دارای ساختار بلوری مکعبی مرکزدار (BCC) است که توسط وانادیم پایدار می‌شود.
نسبت این دو فاز و توزیع آن‌ها در ریزساختار آلیاژ به فرآیندهای حرارتی و مکانیکی اعمال‌شده بستگی دارد. برای مثال، عملیات حرارتی می‌تواند منجر به تشکیل ساختارهای لایه‌ای (lamellar) یا کروی (globular) شود، که هرکدام تأثیر متفاوتی بر خواص مکانیکی آلیاژ دارند.
معادل‌های تیتانیوم گرید ۵ (Ti-6Al-4V) در استانداردهای مختلف
تیتانیوم گرید ۵ به دلیل گستردگی استفاده در صنایع مختلف، در استانداردهای گوناگون بین‌المللی با نام‌ها و مشخصات متفاوت شناخته می‌شود. در جدول زیر، معادل‌های این گرید از تیتانیوم در استانداردهای مختلف آورده شده است.
| ردیف | استاندارد | کد/شماره | توضیحات |
| 1 | ASTM B265 | Ti-6Al-4V | استاندارد صفحات، ورق و فویل‌های تیتانیوم |
| 2 | ASTM B348 | Ti-6Al-4V | استاندارد میله‌ها و شمش‌های تیتانیومی |
| 3 | ASTM F1472 | Ti-6Al-4V | استاندارد تیتانیوم برای مصارف پزشکی و ایمپلنت‌ها |
| 4 | ASTM F136 | Ti-6Al-4V | استاندارد مخصوص ایمپلنت‌های ارتوپدی و جراحی |
| 5 | R56400 | Ti-6Al-4V | استاندارد مخصوص کاربردهای جراحی |
| 6 | R56401 | Ti-6Al-4V(ELI) | استاندارد مخصوص کاربردهای پیشرفته و خاص جراحی |
| 7 | ASME SB-265 | Gr 5 | استاندارد صفحات، ورق و فویل |
| 8 | ASME SB-348 | Gr 5 | استاندارد میله و شمش تیتانیومی |
| 9 | AMS 4911 | Ti-6Al-4V | استاندارد صفحات و ورق نورد سرد تیتانیومی مورد استفاده در هوافضا |
| 10 | AMS 4928 | Ti-6Al-4V | استاندارد میلگرد، مفتول و قطعات فورج شده |
| 11 | DIN 17851/17862 | 3.7165 | شماره استاندارد مربوط به این آلیاژ در DIN |
| 12 | EN 10204 3.1 | Ti-6Al-4V | استاندارد عمومی برای تضمین کیفیت متریال |
| 13 | ISO 5832-3 | Ti-6Al-4V | استاندارد بین‌المللی برای کاربردهای زیست‌پزشکی |
| 14 | JIS H4600 Gr 5 | SAT-64(Ti-6Al-4V) | استاندارد آلیاژ تیتانیوم در ژاپن |
| 15 | GB/T 3620.1 | Ti-6Al-4V | استاندارد مواد خام تیتانیوم و آلیاژهای آن در چین |
| 16 | gost R 22178-76 | VT6(BT6) | استاندارد ملی روسیه برای این آلیاژ |
خواص مکانیکی تیتانیوم گرید ۵
خواص مکانیکی این گرید بسته به استانداردهای مختلف ASTM، ASME، AMS و ISO ممکن است تفاوت‌های جزئی داشته باشد. در ادامه، جزئیات این خواص بر اساس استاندارد ASTM ارائه شده است.
| ویژگی مکانیکی | حداقل مقدار | مقدار معمولی | واحد اندازه‌گیری |
| استحکام کششی (Ultimate Tensile Strength – UTS) | 895 | ۱۰۰۰ | MPa (مگاپاسکال) |
| حد تسلیم (0.2% Proof Strength) | ۸۲۸ | ۹۱۰ | MPa |
| ازدیاد طول (Elongation in 2 inches) | ۱۰ | ۱۸ | % |
| کاهش سطح مقطع (Reduction in Area) | 25 | – | % |
| مدول الاستیک (Elastic Modulus) | – | ۱۱۴ | GPa |
| سختی راکول (Rockwell C Hardness) | – | ۳۶ | – |
| چقرمگی ضربه (Charpy V-Notch Impact Toughness) | – | ۲۴ | J (ژول) |
خواص فیزیکیTi-6Al-4V
تیتانیوم گرید ۵ به دلیل ترکیب خاص خود، دارای چگالی کم، مقاومت حرارتی بالا، هدایت الکتریکی پایین و ضریب انبساط حرارتی مناسب است. در این بخش، خواص فیزیکی این آلیاژ را به‌طور دقیق بر اساس استانداردهای ASTM بررسی می‌کنیم.
| ویژگی فیزیکی | مقدار معمولی | واحد اندازه‌گیری |
| چگالی (Density) | ۴.۴۲ | g/cm³ |
| محدوده دمای ذوب (Melting Range) | ۱۶۴۹ ± ۱۵ | °C |
| گرمای ویژه (Specific Heat Capacity) | ۵۶۰ | J/kg.°C |
| مقاومت الکتریکی حجمی (Electrical Resistivity) | ۱۷۰ | µΩ.cm |
| هدایت حرارتی (Thermal Conductivity) | ۷.۲ | W/m.K |
| ضریب انبساط حرارتی (Thermal Expansion Coefficient) در ۰-۱۰۰°C | ۸.۶ × ۱۰⁻⁶ | ۱/°C |
| ضریب انبساط حرارتی در ۰-۳۰۰°C | ۹.۲ × ۱۰⁻⁶ | ۱/°C |
| دمای تبدیل بتا (Beta Transus Temperature) | ۹۹۹ ± ۱۵ | °C |
مقاومت به خوردگی و خاصیت ترمیم شوندگی
این آلیاژ به دلیل وجود یک لایه اکسید تیتانیوم (TiO₂) روی سطح خود، دارای مقاومت عالی در برابر خوردگی در محیط‌های آبی، نمکی و حتی اسیدی ضعیف است. این لایه اکسیدی به‌صورت خودترمیم‌شونده عمل کرده و حتی در صورت آسیب مکانیکی، مجدداً در حضور اکسیژن بازسازی می‌شود.
رفتار آلیاژ تیتانیوم در محیط کلریدی
آلیاژ Ti-6Al-4V در محیط‌هایی که یون کلرید (Cl⁻) حضور دارد—مانند آب دریا یا عرق بدن انسان—رفتار مقاومتی بسیار خوبی از خود نشان می‌دهد. علت اصلی این مقاومت، وجود لایه‌ی پسیو و پایدار TiO₂ است که بر سطح آلیاژ تشکیل می‌شود. این لایه بسیار نازک، چسبنده و یکنواخت است و اجازه نفوذ اکسیژن و یون‌ها به سطح فلز را نمی‌دهد.
با این حال، در شرایط خاص مانند: دمای بالا، غلظت زیاد یون کلرید، کاهش سطح اکسیژن محلول یا وجود تنش‌های کششی در سطح (مانند خراش‌های ناشی از ماشین‌کاری) احتمال وقوع خوردگی حفره‌ای (Pitting) و در موارد خاص خوردگی تنشی (SCC) افزایش می‌یابد. در چنین مواردی، اختلال در لایه‌ی پسیو می‌تواند باعث تمرکز کلریدها و تشکیل نقاط آندی موضعی شود که به تدریج به ایجاد حفره منجر می‌شود. نرخ خوردگی این آلیاژ در آب دریا در دمای اتاق حدود 0.01–0.1 mm/year گزارش شده است که نشان‌دهنده رفتار مقاوم بسیار بالا در برابر خوردگی هستند.
زیست سازگاری در تیتانیوم 5
از نظر زیست‌سازگاری، Ti-6Al-4V یکی از پرکاربردترین آلیاژها در ایمپلنت‌های ارتوپدی و دندان‌پزشکی است. علت اصلی آن، نه‌فقط بی‌اثری شیمیایی، بلکه پاسخ مثبت سلول‌های انسانی (osteoblasts) به سطح آلیاژ است. همچنین، این آلیاژ فاقد عناصر سمی نظیر نیکل یا کروم است و در استانداردهایی مانند ISO 5832-3 و ASTM F136 برای کاربردهای زیستی تأیید شده است.
مقایسه مقاومت به خوردگی تیتانیوم گرید ۵ با سایر فلزات مهندسی
| فلز / آلیاژ | مقاومت به خوردگی در آب دریا | مقاومت در اسیدها | مقاومت در محیط‌های دما بالا | خوردگی حفره‌ای و شیاری |
| Ti-6Al-4V | عالی (تقریباً بدون خوردگی) | مقاوم در برابر بسیاری از اسیدهای معدنی ضعیف | متوسط (اکسیداسیون در دما بالا محتمل است) | بسیار مقاوم |
| فولاد ضدزنگ 316L | مقاوم ولی مستعد خوردگی حفره‌ای در محیط‌های کلریدی | مقاوم در برابر اسیدهای آلی و ملایم | ضعیف (زوال پوشش پسیو در دماهای بالا) | مستعد خوردگی شیاری |
| فولاد کربنی | شدیداً خورنده | حساس به اسیدهای معدنی قوی و ضعیف | متوسط، ولی سریعاً اکسید می‌شود | بسیار مستعد خوردگی |
| آلومینیوم 6061 | ضعیف، به‌ویژه در آب دریا | نسبتاً مقاوم در pH خنثی | مقاومت پایین در دمای بالا | مستعد خوردگی گالوانیکی |
| Inconel 625 | بسیار مقاوم | بسیار مقاوم (به‌ویژه در HCl، H₂SO₄) | عالی تا حدود 1000°C | مقاوم در برابر خوردگی موضعی |
کاربردهای صنعتی تیتانیوم گرید ۵ (Ti-6Al-4V)
برخی از مهم‌ترین کاربردهای صنعتی این آلیاژ عبارتند از:
صنایع هوافضا: آلیاژ Ti-6Al-4V یکی از پرکاربردترین مواد در صنعت هوافضا محسوب می‌شود. به دلیل نسبت بالای استحکام به وزن، مقاومت در برابر خوردگی و پایداری در دماهای متوسط (حدود 400 درجه سانتی‌گراد)، در ساخت قطعات حیاتی مانند پره‌های کمپرسور موتور جت، محفظه‌های احتراق، اجزای فرود و بدنه هواپیماها استفاده می‌شود.
صنایع نفت و گاز: Ti-6Al-4V در تجهیزات نفت و گاز، به‌ویژه در سیستم‌های زیرسطحی (subsea) و خطوط انتقال استفاده می‌شود. این آلیاژ در برابر محیط‌های حاوی یون کلرید و سولفید هیدروژن (H₂S) که عامل خوردگی شدید هستند، مقاومت بسیار بالایی دارد. همچنین در استاندارد ISO 15156-3 به‌عنوان آلیاژ قابل استفاده در محیط‌های ترش تایید شده و در برخی موارد جایگزینی مناسب برای آلیاژهای نیکل در محیط‌های خورنده شدید است.
صنعت خودروهای لوکس: اگرچه کاربرد این آلیاژ در خودروسازی به‌دلیل هزینه بالا محدود است، اما در خودروهای مسابقه‌ای، لوکس و فرمول یک استفاده فراوان دارد. از جمله کاربردهای آن می‌توان به تولید سوپاپ‌ها، میل‌لنگ، قطعات سیستم تعلیق و فنرهای سبک اشاره کرد. هدف از این کاربردها، کاهش وزن بدون افت استحکام، و در نتیجه افزایش سرعت و بهره‌وری سوخت است.
15
دقیــقه مطالعه
تیتانیم ؛ فلز لوکس صنعت خودروسازی!
در سال های اخیر، تقاضا برای وسایل نقلیۀ جاده ای کم مصرف و سازگار با محیط زیست تا...
سایر کاربردها: از دیگر مصارف صنعتی Ti-6Al-4V می‌توان به استفاده در مبدل‌های حرارتی در صنایع شیمیایی، تجهیزات دریایی، قطعات خاص مقاوم در برابر خوردگی و تجهیزات ورزشی سبک و مقاوم (مانند دوچرخه‌های حرفه‌ای و تجهیزات کوهنوردی) اشاره کرد. پایداری آن در محیط‌های شیمیایی و دریایی این کاربردها را توجیه‌پذیر می‌سازد.
کاربردهای پزشکی آلیاژ Ti-6Al-4V
ایمپلنت‌های ارتوپدی: Ti-6Al-4V پرکاربردترین آلیاژ تیتانیوم در ساخت ایمپلنت‌های ارتوپدی است. این آلیاژ در ساخت مفاصل مصنوعی ران و زانو، پلیت‌ها، پیچ‌ها و میله‌های ارتوپدی مورد استفاده قرار می‌گیرد. دلیل این انتخاب، زیست‌سازگاری عالی، بی‌اثر بودن شیمیایی در بدن، و توانایی تحریک رشد استخوانی در اطراف ایمپلنت است. همچنین فاقد عناصر سمی نظیر نیکل بوده و در استانداردهای ISO 5832-3 و ASTM F136 برای استفاده زیستی تأیید شده است.
دندان‌پزشکی: در ایمپلنت‌های دندانی، Ti-6Al-4V به‌دلیل مقاومت مکانیکی بالا و واکنش‌پذیری کم با بافت‌های دهان، گزینه‌ای ایده‌آل است. پایه‌های ایمپلنت ساخته‌شده از این آلیاژ به خوبی در استخوان فک تثبیت می‌شوند و از واکنش‌های التهابی یا دفع توسط بدن جلوگیری می‌کنند. این ویژگی، آن را به جایگزینی مطمئن برای آلیاژهای حاوی نیکل تبدیل کرده است.
ابزارهای جراحی: ابزارهای دقیق جراحی مانند اره‌های ارتوپدی، مته‌های جراحی، و تجهیزات مینی‌مال اینویزیو از این آلیاژ ساخته می‌شوند. سبک بودن، مقاومت به خوردگی در محیط‌های استریل، و قابلیت تحمل سیکل‌های متعدد استریلیزاسیون (مانند اتوکلاو) از جمله دلایل اصلی انتخاب Ti-6Al-4V در این زمینه است. طول عمر بالا و حفظ کیفیت عملکردی در طول زمان، استفاده گسترده آن را در ابزارهای پزشکی تضمین کرده است.
انواع روش‌های تولید تیتانیوم گرید ۵ و کاربرد هر کدام
تولید آلیاژ Ti-6Al-4V به‌دلیل ساختار دوفازی (α + β) و با توجه به حساسیت‌های متالورژیکی و واکنش‌پذیری بالای تیتانیوم، نیازمند مراحل خاصی در ذوب، پالایش و شکل‌دهی است. این مراحل به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که ترکیب شیمیایی، ساختار میکروسکوپی و خواص مکانیکی مطلوب حاصل شود.
1-استخراج و ذوب اولیه (PAM، EB)
تولید این آلیاژ در مرحله نخست با استخراج تیتانیوم خالص اولیه از سنگ معدن روتیل یا ایلمنیت انجام می‌شود. متداول‌ترین روش صنعتی برای این‌کار، فرآیند کرول (Kroll Process) است که در آن تتراکلرید تیتانیوم (TiCl₄) در دمای 800–900°C با منیزیم احیا می‌شود و تیتانیوم اسفنجی (Titanium Sponge) تولید می‌شود. سپس تیتانیوم اسفنجی حاصل، همراه با آلومینیوم و وانادیوم، در دمای حدود 1700–1800°C به‌روش‌هایی مانند ذوب با قوس پلاسما (PAM) یا پرتو الکترونی (EBM) ذوب می‌شود. این مرحله معمولاً برای تهیه شمش‌های اولیه جهت شکل‌دهی یا ذوب پالایشی استفاده می‌شود.
کاربرد: تولید شمش‌های آلیاژی اولیه (Ingot) جهت فورج یا نورد، یا خوراک برای چاپ سه‌بعدی.
2- ذوب نهایی و پالایش (Refining – Final Melting)
برای دستیابی به ترکیب یکنواخت، چگالی بالا و کاهش ناخالصی‌های گازی، شمش اولیه با روش‌هایی مانند ذوب قوس خلأ (VAR) یا در برخی موارد ذوب مجدد الکترواسلاک (ESR) تولید می‌شود که در آن‌ها دمای ذوب در محدوده 1604–1660 درجه سانتی‌گراد است و در خلأ یا اتمسفر بی‌اثر برای کاهش ناخالصی‌ها (مانند O، H، N) انجام می‌گیرد. به‌دلیل ساختار دوفازی، فرآیند ریخته‌گری نیازمند کنترل دقیق نرخ انجماد و همگن‌سازی پس از ذوب است تا از جدایش ترکیب شیمیایی و رشد نامطلوب دانه‌های β جلوگیری شود. ریخته‌گری این آلیاژ، برخلاف آلیاژهای تک‌فازی مانند آلومینیوم، به تجهیزات خاص، کنترل حرارتی دقیق و اغلب عملیات همگن‌سازی پس از ذوب نیاز دارد.
کاربرد: تولید شمش‌های نهایی مورد استفاده در قطعات حساس هوافضا، پزشکی، تجهیزات نظامی یا چاپ سه‌بعدی با خلوص بالا.
۳- شکل‌دهی مکانیکی (Forging, Rolling, Extrusion)
پس از ذوب نهایی، آلیاژ به قطعات نیمه‌نهایی تبدیل می‌شود. فرآیندهای شکل‌دهی مکانیکی عبارت‌اند از:
- فورجینگ (Forging): در این روش، شمش در دمای 700–950°C تحت فشار بالا قرار گرفته و به شکل قالب مورد نظر تغییر شکل می‌دهد. فرآیند زیر دمای β-transus انجام می‌شود تا ساختار α+β حفظ شود و در نتیجه، تعادل خوبی میان چقرمگی و استحکام حاصل می‌گردد. در این حالت، با کنترل نرخ خنک‌کاری و میزان کرنش، می‌توان ساختارهای هم‌محور (equiaxed) یا لایه‌ای (lamellar) ایجاد کرد.
کاربرد: قطعات هوافضا (Landing gear, Engine parts)، ایمپلنت‌های ارتوپدی و دیسک‌های کمپرسور - نورد گرم (Hot Rolling): در این فرآیند، شمش تحت فشار در دمای بالا به صفحات، ورق یا نوار تبدیل می‌شود. نورد معمولاً در چندین مرحله و همراه با عملیات حرارتی و آنیلینگ انجام می‌شود تا استحکام و انعطاف‌پذیری محصول حفظ شود.
کاربرد: ورق‌های جراحی، صفحات ایمپلنت، پوسته مخازن سبک‌وزن، تیغه توربین. - اکستروژن (Hot Extrusion): در فرآیند اکستروژن، شمش‌های تیتانیومی از طریق یک قالب با مقطع مشخص تحت فشار بالا عبور داده می‌شوند تا به میله‌ها، لوله‌ها و پروفیل‌های توخالی تبدیل شوند. دمای فرآیند در حدود 850–950°C است.
کاربرد: تولید لوله‌های دقیق، میله‌های ارتوپدی، قطعات انتقال نیرو در هوافضا. - تولید افزایشی (Additive Manufacturing-چاپ سه بعدی): چاپ سه‌بعدی پیشرفته‌ترین روش تولید قطعات از Ti-6Al-4V است و برای تولید قطعات سبک، پیچیده و سفارشی بدون نیاز به ماشین‌کاری گسترده استفاده می‌شود. روش‌های رایج شامل ذوب لیزری انتخابی (SLM)، ذوب پرتو الکترونی (EBM) و رسوب‌دهی انرژی مستقیم (DED) هستند. در این روش‌ها، پودر آلیاژ به‌صورت لایه‌به‌لایه ذوب و جامد می‌شود. با تابش لیزر یا پرتو الکترونی، دمای موضعی ذرات تا حدود 1700–1900°C می‌رسد و سپس با نرخ بسیار بالایی سرد می‌شوند. این نرخ سردسازی باعث ایجاد ساختار مارتنزیتی (α’) می‌شود که بسیار سخت اما نسبتاً ترد است؛ برای بهبود خواص، معمولاً پس از چاپ، عملیات حرارتی آنیل یا پیرسازی انجام می‌شود.
کاربرد: ایمپلنت‌های سفارشی، قطعات سبک با هندسه پیچیده در هوافضا، قطعات موتور ماهواره، تجهیزات خاص پزشکی و نظامی.
4-عملیات حرارتی
Ti-6Al-4V پس از تولید یا شکل‌دهی، معمولاً تحت عملیات حرارتی قرار می‌گیرد تا تنش‌زدایی، بهبود ریزساختار و افزایش خواص مکانیکی صورت گیرد:
- آنیلینگ: در دمای 700–800°C برای تنش‌زدایی و بهبود شکل‌پذیری انجام می‌شود.
- عملیات محلول‌سازی و پیرسازی: شامل حرارت‌دهی در محدوده 940–970°C (حل‌سازی فازها) و خنک‌سازی سریع، سپس پیرسازی در دمای 480–620°C برای بهینه‌سازی استحکام نهایی است.
این عملیات باید در محیط خلأ یا گاز بی‌اثر انجام شود تا از نفوذ اکسیژن یا نیتروژن و ایجاد لایه‌های شکننده سطحی جلوگیری شود.
قیمت تیتانیوم گرید ۵ (Ti-6Al-4V) و عوامل مؤثر بر آن
۱- محدوده قیمت در بازار جهانی
این آلیاژ یکی از گران‌ترین آلیاژهای مهندسی محسوب می‌شود و قیمت آن بسته به عوامل متعددی مانند روش تولید، تقاضای بازار، خلوص، عملیات حرارتی و شکل نهایی محصول متغیر است و ممکن است در بازارهای مختلف و با توجه به شرایط اقتصادی جهانی متغیر باشد. به طور کلی، قیمت این آلیاژ به شکل تقریبی بر حسب دلار/کیلوگرم به‌صورت زیر هستند:
- پودر برای چاپ سه‌بعدی: 150-300
- شمش (Ingot): 20-50
- ورق و صفحه: 40-100
- میله و میلگرد: 50-150
- لوله صنعتی: 60-200
این قیمت‌ها بسته به کیفیت، ابعاد، عملیات حرارتی، استاندارد تولید، منطقه جغرافیایی و شرایط بازار متغیر هستند.
۲. عوامل مؤثر بر قیمت آلیاژ Ti-6Al-4V
۱. مواد اولیه و فرآیند تولید
- تولید تیتانیوم خالص به روش کرول (Kroll) از روتیل فرآیندی انرژی‌بر و پرهزینه است.
- عناصر آلیاژی (Al, V) نیز تأثیر مستقیمی بر قیمت دارند.
- فرآیندهای پالایشی مانند ذوب قوس خلأ (VAR) و ذوب الکترواسلاک (ESR) به تجهیزات خاص و کنترل دقیق نیاز دارند و هزینه‌بر هستند.
۲. نوع محصول و شکل نهایی
- پودرهایی که برای چاپ سه‌بعدی استفاده می‌شوند، به دلیل نیاز به خلوص بالا، کرویت مناسب و توزیع دقیق اندازه ذرات، گران‌ترین شکل این آلیاژ محسوب می‌شوند.
- محصولات نورد شده، فورج‌شده یا اکسترودشده معمولاً ارزان‌تر از قطعات ماشین‌کاری‌شده یا پرینت‌شده هستند.
- عملیات حرارتی (مثل آنیلینگ، HIP) نیز هزینه نهایی را افزایش می‌دهد.
۳. استانداردها و گواهینامه‌ها
- محصولات با گواهینامه‌های پزشکی (ASTM F136) یا هوافضایی (AMS 4928) به دلیل الزامات کیفیتی دقیق‌تر، قیمت بالاتری دارند.
- در مقابل، گریدهای صنعتی یا نیمه‌صنعتی ارزان‌تر هستند.
۴. نوسانات بازار و شرایط جهانی
- افزایش تقاضا در صنایع کلیدی مانند هوافضا، پزشکی، انرژی و دفاعی باعث بالا رفتن قیمت می‌شود.
- هزینه‌های جهانی انرژی، حمل‌ونقل، و تحریم‌های بین‌المللی نیز از جمله عوامل نوسان قیمت هستند.
۵. موقعیت جغرافیایی و واردات
- قیمت در کشورهایی با دسترسی محدود به منابع اولیه یا تولید داخلی کمتر، بیشتر است.
- هزینه‌های واردات، تعرفه‌ها و دسترسی به تولیدکنندگان معتبر (چین، روسیه، آمریکا، ژاپن) نیز تعیین‌کننده هستند.
جمع‌بندی
آلیاژ تیتانیوم گرید ۵ (Ti-6Al-4V) با ساختار دوفازی α+β، ترکیب منحصربه‌فردی از استحکام کششی بالا، چگالی پایین، پایداری حرارتی و مقاومت به خوردگی برخوردار است. خواص مکانیکی برجسته آن، مانند استحکام کششی تا حدود ۱۰۰۰ مگاپاسکال، مقاومت به خستگی بالا و مدول الاستیک متوسط، سبب استفاده گسترده آن در قطعات حساس مانند پره‌های موتور هواپیما، مفاصل مصنوعی و تجهیزات تحت تنش شده است.
مقاومت این آلیاژ در برابر خوردگی ناشی از محیط‌های کلریدی، اسیدی و شیمیایی، ناشی از تشکیل لایه اکسیدی خودترمیم‌شونده (TiO₂) است. این ویژگی، همراه با زیست‌سازگاری فوق‌العاده و رفتار خنثی در تماس با بافت‌های زنده، دلیل انتخاب گسترده آن در ساخت ایمپلنت‌های ارتوپدی، ابزارهای جراحی و پایه‌های دندانی است. همچنین، قابلیت تولید به روش‌های افزایشی مانند SLM و EBM، امکان ساخت قطعات پیچیده با بازده بالا را در صنایع هوافضا و پزشکی فراهم کرده است.
اگرچه قیمت این آلیاژ بالاتر از فولادهای زنگ‌نزن و آلومینیوم است (حدود ۴۰ تا ۱۵۰ دلار به ازای هر کیلوگرم)، اما در مقایسه با سوپرآلیاژهای نیکل یا کبالت-کروم، از نظر عملکرد–قیمت گزینه‌ای به‌صرفه‌تر محسوب می‌شود. در نهایت، تیتانیوم گرید ۵ با ترکیب استثنایی خواص مکانیکی، مقاومت محیطی و زیستی، در کاربردهایی که نیاز به استحکام بالا و عملکرد در شرایط سخت دارند، جایگزین‌ناپذیر است؛ گرچه در کاربردهای عمومی به دلیل قیمت، استفاده از آن محدود باقی می‌ماند.
دیدگاه کاربران