سبائك التيتانيوم

📅 آخر تحديث: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 15 صور
الموسوعة الحرة
سبيكة التيتانيوم على شكل سبيكة

سبائك التيتانيوم هي سبائك تحتوي على مزيج من التيتانيوم وعناصر كيميائية أخرى . تتميز هذه السبائك بقوة شد ومتانة عاليتين للغاية (حتى في درجات الحرارة القصوى). كما أنها خفيفة الوزن، وتتمتع بمقاومة استثنائية للتآكل ، وقدرة على تحمل درجات الحرارة القصوى. مع ذلك، فإن التكلفة العالية للتصنيع تحد من استخدامها في التطبيقات العسكرية ، والطائرات ، والمركبات الفضائية ، والدراجات ، والأجهزة الطبية، والمجوهرات، والمكونات عالية الإجهاد مثل قضبان التوصيل في السيارات الرياضية الفاخرة ، وبعض المعدات الرياضية المتميزة ، والإلكترونيات الاستهلاكية .

على الرغم من أن التيتانيوم "النقي تجاريًا" يتمتع بخصائص ميكانيكية مقبولة ويُستخدم في زراعة العظام والأسنان ، إلا أنه في معظم التطبيقات يُخلط التيتانيوم بكميات صغيرة من الألومنيوم والفاناديوم ، عادةً بنسبة 6% و4% على التوالي من الوزن. يتميز هذا المزيج بذوبانية صلبة تتغير بشكل كبير مع درجة الحرارة، مما يسمح له بالخضوع لعملية تقوية بالترسيب . تُجرى هذه المعالجة الحرارية بعد تشكيل السبيكة إلى شكلها النهائي ولكن قبل استخدامها، مما يُسهّل تصنيع منتج عالي القوة.

فئات

مخطط فروست لسبائك التيتانيوم المختلفة
سطح كسر جزء مصنوع من سبيكة التيتانيوم
مخطط طور تركيب سبيكة التيتانيوم - طور ألفا بيريتكتويدي
مخطط طور تركيب سبيكة التيتانيوم - بيتا يوتكتويدي
مخطط طور تركيب سبيكة التيتانيوم - متماثل الشكل بيتا

تصنف سبائك التيتانيوم عمومًا إلى أربع فئات رئيسية، [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] مع فئة خامسة متنوعة شاملة.

  • سبائك ألفا التي تحتوي فقط على عناصر سبائك متعادلة (مثل القصدير ) و/أو مثبتات ألفا (مثل الألومنيوم أو الأكسجين ). هذه السبائك غير قابلة للمعالجة الحرارية. ومن أمثلتها: [ 5 ] Ti-5Al-2Sn-ELI، Ti-8Al-1Mo-1V.
  • تحتوي سبائك شبه ألفا على كمية ضئيلة من طور بيتا المطيل . وإلى جانب مثبتات طور ألفا، تُخلط سبائك شبه ألفا بنسبة 1-2% من مثبتات طور بيتا، مثل الموليبدينوم أو السيليكون أو الفاناديوم . ومن الأمثلة على ذلك [ 5 ] Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo وTi-5Al-5Sn-2Zr-2Mo وIMI 685 وTi 1100.
  • سبائك ألفا-بيتا، وهي سبائك غير مستقرة وتحتوي عمومًا على مزيج من مثبتات ألفا وبيتا، ويمكن معالجتها حراريًا. ومن أمثلتها: [ 5 ] Ti-6Al-4V ، وTi-6Al-4V-ELI، وTi-6Al-6V-2Sn، وTi-6Al-7Nb ، وTi62A. [ 6 ]
  • سبائك بيتا وما يقاربها، وهي سبائك غير مستقرة تحتوي على كميات كافية من عوامل تثبيت طور بيتا (مثل الموليبدينوم والسيليكون والفاناديوم) للحفاظ على طور بيتا عند التبريد السريع ، ويمكن معالجتها حرارياً بالمحلول وتقسيتها لتحسين قوتها. ومن الأمثلة عليها: [ 5 ] Ti-10V-2Fe-3Al ، وTi–29Nb–13Ta–4.6Zr، [ 7 ] Ti-13V-11Cr-3Al، وTi-8Mo-8V-2Fe-3Al، و Beta C ، وTi-15-3.
  • على الرغم من عدم تسويقها تجارياً في الغرب ، فقد تم إنتاج سبائك التيتانيوم الثنائية مع المغنيسيوم والبوتاسيوم والكالسيوم والليثيوم في وعاء ضغط صهر القوس الكهربائي عند ضغط يصل إلى 140 ضغط جوي . [ 8 ]

ألفا تيتانيوم

التيتانيوم النقي هو ألفا تيتانيوم.

بيتا تيتانيوم

تُظهر سبائك التيتانيوم بيتا الشكل التآصلي المكعب المتمركز في الجسم (المسمى بيتا). [ 9 ] العناصر المستخدمة في هذه السبيكة هي واحد أو أكثر من العناصر التالية بالإضافة إلى التيتانيوم بنسب متفاوتة: الموليبدينوم ، والفاناديوم ، والنيوبيوم ، والتنتالوم ، والزركونيوم ، والمنغنيز ، والحديد ، والكروم ، والكوبالت ، والنيكل ، والنحاس .

تتميز سبائك التيتانيوم بيتا بقابلية تشكيل ممتازة ويمكن لحامها بسهولة. [ 10 ]

يُستخدم التيتانيوم بيتا على نطاق واسع في مجال تقويم الأسنان حاليًا ، وقد اعتُمد استخدامه في هذا المجال في ثمانينيات القرن الماضي. [ 10 ] وقد حلّ هذا النوع من السبائك محل الفولاذ المقاوم للصدأ في بعض الاستخدامات، إذ كان الفولاذ المقاوم للصدأ هو السائد في تقويم الأسنان منذ ستينيات القرن الماضي. يتميز التيتانيوم بيتا بنسبة قوة إلى معامل مرونة تبلغ ضعف نسبة الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ 18-8 تقريبًا، وانحرافات مرنة أكبر في النوابض، وقوة أقل لكل وحدة إزاحة بمقدار 2.2 مرة مقارنةً بأجهزة تقويم الأسنان المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ.

يمكن لبعض سبائك التيتانيوم بيتا أن تتحول إلى تيتانيوم أوميغا سداسي صلب وهش عند درجات حرارة منخفضة للغاية [ 11 ] أو تحت تأثير الإشعاع المؤين. [ 12 ]

أوميغا تيتانيوم

درجة حرارة الانتقال

يتميز التركيب البلوري للتيتانيوم عند درجة حرارة وضغط الغرفة ببنية سداسية متراصة من الطور α بنسبة ac/a تبلغ 1.587. عند حوالي 890  درجة مئوية، يخضع التيتانيوم لتحول تآصلي إلى الطور β المكعب ذي المركز الجسمي، والذي يظل مستقرًا حتى درجة الانصهار.

ترفع بعض عناصر السبائك، التي تُسمى مُثبِّتات ألفا، درجة حرارة التحول من طور ألفا إلى طور بيتا ، [ 1 ] بينما تُخفِّض عناصر أخرى ( مُثبِّتات بيتا ) درجة حرارة التحول. يُعدّ كلٌّ من الألومنيوم والغاليوم والجرمانيوم والكربون والأكسجين والنيتروجين من مُثبِّتات ألفا . أما الموليبدينوم والفاناديوم والتنتالوم والنيوبيوم والمنغنيز والحديد والكروم والكوبالت والنيكل والنحاس والسيليكون فهي من مُثبِّتات بيتا . [ 13 ]

ملكيات

بشكل عام، يُعدّ التيتانيوم في طور بيتا أكثر مرونة، بينما يتميز طور ألفا بقوة أكبر ولكنه أقل مرونة، وذلك بسبب العدد الأكبر من مستويات الانزلاق في بنية بيتا المكعبة المتمركزة في الجسم (bcc) مقارنةً ببنية ألفا السداسية المتراصة (hcp) . أما التيتانيوم في طور ألفا-بيتا، فيمتلك خصائص ميكانيكية متوسطة بين الطورين.

يذوب ثاني أكسيد التيتانيوم في المعدن عند درجات حرارة عالية، وتتطلب عملية تكوينه طاقة عالية. هذان العاملان يعنيان أن جميع أنواع التيتانيوم، باستثناء الأنواع الأكثر نقاءً، تحتوي على كمية كبيرة من الأكسجين المذاب ، وبالتالي يمكن اعتبارها سبيكة من التيتانيوم والأكسجين. توفر رواسب الأكسيد بعض القوة (كما ذُكر سابقًا)، لكنها لا تستجيب جيدًا للمعالجة الحرارية، ويمكن أن تُقلل بشكل كبير من متانة السبيكة.

تحتوي العديد من السبائك أيضًا على التيتانيوم كمادة مضافة ثانوية، ولكن نظرًا لأن السبائك تُصنف عادةً وفقًا للعنصر الذي يشكل الجزء الأكبر من المادة، فإنها لا تُعتبر عادةً "سبائك تيتانيوم" بالمعنى الدقيق للكلمة. انظر المقال الفرعي حول تطبيقات التيتانيوم .

التيتانيوم معدن قوي وخفيف الوزن. فهو أقوى من الفولاذ منخفض الكربون الشائع، ولكنه أخف بنسبة 45%. كما أنه أقوى بمرتين من سبائك الألومنيوم الضعيفة، ولكنه أثقل بنسبة 60% فقط. يتميز التيتانيوم بمقاومة فائقة للتآكل في مياه البحر، ولذلك يُستخدم في أعمدة المراوح، وحبال السفن، وأجزاء أخرى من القوارب المعرضة لمياه البحر. يُستخدم التيتانيوم وسبائكه في الطائرات والصواريخ، حيث تُعد القوة، وخفة الوزن، ومقاومة درجات الحرارة العالية من الخصائص المهمة. [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]

بما أن التيتانيوم لا يتفاعل داخل جسم الإنسان، فإنه وسبائكه تُستخدم في المفاصل الاصطناعية، والبراغي، والصفائح المستخدمة في علاج الكسور، وفي زراعة الأعضاء البيولوجية الأخرى. انظر: زراعة العظام المصنوعة من التيتانيوم .

درجات التيتانيوم

منتجات سبائك التيتانيوم

يشير معيار ASTM الدولي بشأن الأنابيب غير الملحومة المصنوعة من التيتانيوم وسبائك التيتانيوم إلى السبائك التالية، والتي تتطلب المعالجة التالية: [ 17 ]

  • الدرجات 5، 23، 24، 25، 29، 35، أو 36: مُلدّن أو مُعتّق.
  • الدرجات 9، 18، 28، أو 38: تم تشكيلها على البارد وتخفيف الإجهاد أو تلدينها.
  • الصفوف 9، 18، 23، 28، أو 29: حالة بيتا المحولة.
  • الدرجات 19 أو 20 أو 21: معالجة بالمحلول أو معالجة بالمحلول ومتقادمة.

المواد التي تحمل الحرف H في اسم الدرجة (2H، 7H، 16H، 26H) مُحددة. وهي مطابقة للدرجة المرقمة المقابلة لها، ولكن بحد أدنى أعلى لقوة الشد القصوى . وهي مُخصصة بشكل أساسي للاستخدام في أوعية الضغط. [ 17 ]

تُستخدم سبائك التيتانيوم في صناعة منتجات خفيفة الوزن مثل السكاكين الجيبية.
الصف الأول
يُعدّ هذا النوع من سبائك التيتانيوم الأكثر ليونة ومرونةً. وهو حلٌّ مثاليٌّ للتشكيل على البارد والبيئات المسببة للتآكل. يُقدّم معيار ASTM/ASME SB-265 معايير صفائح وألواح التيتانيوم النقي تجاريًا. [ 18 ]
الصف الثاني و 2H
التيتانيوم غير المخلوط، الأكسجين القياسي. يتميز النوع 2H بقوة شد قصوى لا تقل عن 58 كيلوباسكال (400 ميجاباسكال) .  
الصف الثالث
التيتانيوم النقي، متوسط ​​الأكسجين.
الصف الرابع
غير مخلوط.
الصف الخامس
يُعرف أيضًا باسم Ti6Al4V أو Ti-6Al-4V أو Ti 6-4.
شفرة التوربين مصنوعة من سبيكة التيتانيوم
لا ينبغي الخلط بينه وبين سبيكة Ti-6Al-4V-ELI (الدرجة 23)، فهذه السبيكة هي الأكثر استخدامًا. تتكون من 6% ألومنيوم، و4% فاناديوم، و0.25% (كحد أقصى) حديد ، و0.2% (كحد أقصى) أكسجين ، والباقي تيتانيوم. [ 19 ] وهي أقوى بكثير من التيتانيوم النقي تجاريًا (الدرجات 1-4) مع امتلاكها نفس الصلابة والخواص الحرارية (باستثناء الموصلية الحرارية، التي تقل بنحو 60% في الدرجة 5 من التيتانيوم مقارنةً بالتيتانيوم النقي تجاريًا). [ 20 ] ومن بين مزاياها العديدة، إمكانية معالجتها حراريًا. تجمع هذه الدرجة بين القوة، ومقاومة التآكل، وقابلية اللحام، وسهولة التشكيل. عمومًا، تُستخدم سبيكة Ti-6Al-4V في تطبيقات تصل درجة حرارتها إلى 400 درجة مئوية (752 درجة فهرنهايت) .  
الصف السادس
يحتوي على 5% ألومنيوم و2.5% قصدير. يُعرف أيضاً باسم Ti-5Al-2.5Sn. تُستخدم هذه السبيكة في هياكل الطائرات ومحركاتها النفاثة نظراً لسهولة لحامها، وثباتها، وقوتها في درجات الحرارة المرتفعة. [ 21 ]
استُخدم المقطع العرضي للسكك الحديدية للإعلان عن سبائك التيتانيوم في وقت مبكر من عام 1913
الصف السابع والصف السابع أ
يحتوي على نسبة بلاديوم تتراوح بين 0.12 و0.25% . هذه الدرجة مشابهة للدرجة 2. تمنحها الكمية الضئيلة من البلاديوم المضافة مقاومة محسّنة للتآكل الشقوقي في درجات الحرارة المنخفضة ودرجة الحموضة العالية . تتميز الدرجة 7H بقوة شد قصوى لا تقل عن 58 كيلوباسكال (400 ميجاباسكال) . [ 22 ]  
الصف التاسع
يحتوي على 3.0% ألومنيوم و2.5% فاناديوم. يمثل هذا النوع حلاً وسطاً بين سهولة اللحام والتصنيع التي تتميز بها الأنواع "الخالصة" وقوة النوع 5 العالية. ويُستخدم عادةً في أنابيب الطائرات الهيدروليكية وفي المعدات الرياضية.
الصف الحادي عشر
يحتوي على نسبة بلاديوم تتراوح بين 0.12 و 0.25%. يتميز هذا النوع بمقاومة محسّنة للتآكل. [ 23 ]
الصف الثاني عشر
يحتوي على 0.3% من الموليبدينوم و0.8% من النيكل. تتميز هذه السبيكة بقابلية لحام ممتازة. [ 23 ]
الصفوف 13 و14 و15
جميعها تحتوي على 0.5% نيكل و0.05% روثينيوم .
الصف السادس عشر والصف السادس عشر هـ
يحتوي على نسبة بلاديوم تتراوح بين 0.04 و 0.08%. يتميز هذا النوع بمقاومة محسّنة للتآكل. [ 24 ]
الصف السابع عشر
يحتوي على نسبة بلاديوم تتراوح بين 0.04 و 0.08%. يتميز هذا النوع بمقاومة محسّنة للتآكل. [ 24 ]
الصف الثامن عشر
يحتوي على 3% ألومنيوم، و2.5% فاناديوم، و0.04 إلى 0.08% بلاديوم. هذه الدرجة مطابقة للدرجة 9 من حيث الخصائص الميكانيكية. يمنحها إضافة البلاديوم مقاومةً معززةً للتآكل. [ 24 ]
الصف التاسع عشر
يحتوي على 3% ألومنيوم، 8% فاناديوم، 6% كروم، 4% زركونيوم، و4% موليبدينوم.
الصف 20
يحتوي على 3% ألومنيوم، 8% فاناديوم، 6% كروم، 4% زركونيوم، 4% موليبدينوم و0.04% إلى 0.08% بلاديوم.
الصف 21
يحتوي على 15% موليبدينوم، 3% ألومنيوم، 2.7% نيوبيوم ، و0.25% سيليكون.
الصف 23
يُعرف أيضًا باسم Ti-6Al-4V-ELI أو TAV-ELI.
قرص العمود الفقري مطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد من سبيكة التيتانيوم
يحتوي على 6% ألومنيوم، و4% فاناديوم، و0.13% (كحد أقصى) أكسجين. يشير اختصار ELI إلى "منخفض جدًا في العناصر البينية". يؤدي انخفاض نسبة الأكسجين والحديد في العناصر البينية إلى تحسين الليونة ومقاومة الكسر مع انخفاض طفيف في القوة. [ 23 ] يُعدّ سبيكة التيتانيوم TAV-ELI الأكثر شيوعًا في زراعة الأجهزة الطبية. [ 23 ] [ 25 ] نظرًا لتوافقه الحيوي العالي، ومقاومته للتآكل، ومقاومته للإجهاد، ومعامل مرونته المنخفض الذي يُطابق عظام الإنسان، تُعدّ سبيكة التيتانيوم TAV-ELI الأكثر شيوعًا في زراعة الأجهزة الطبية. [ 26 ] [ 27 ]
تشمل المواصفات القياسية لسبائك Ti-6Al-4V-ELI ما يلي: [ 25 ]
  • AMS: 4907، 4930، 6932، T9046، T9047
  • ASTM: B265، B348، F136
  • MIL: T9046 T9047
الصف 24
يحتوي على 6% ألومنيوم، 4% فاناديوم، و0.04% إلى 0.08% بلاديوم.
الصف 25
يحتوي على 6% ألومنيوم، 4% فاناديوم، و0.3% إلى 0.8% نيكل، و0.04% إلى 0.08% بلاديوم.
الصفوف 26 و26H و27
شكل سداسي ناتج عن اللحام الحراري بالتحريك لسبيكة التيتانيوم
جميعها تحتوي على نسبة تتراوح بين 0.08 و 0.14% من الروثينيوم.
الصف 28
يحتوي على 3% ألومنيوم، 2.5% فاناديوم، و0.08 إلى 0.14% روثينيوم.
الصف 29
يحتوي على 6% ألومنيوم، 4% فاناديوم، و0.08 إلى 0.14% روثينيوم.
الصفان 30 و 31
يحتوي على 0.3% كوبالت و0.05% بلاديوم.
الصف 32
يحتوي على 5% ألومنيوم، 1% قصدير، 1% زركونيوم، 1% فاناديوم، و0.8% موليبدينوم.
الصفان 33 و 34
يحتوي على 0.4% نيكل، و0.015% بلاديوم، و0.025% روثينيوم، و0.15% كروم. كلا النوعين متطابقان باستثناء اختلافات طفيفة في محتوى الأكسجين والنيتروجين. [ 24 ] يحتوي هذان النوعان على بلاديوم أقل من النوع 7 بمقدار 6 إلى 25 مرة، وبالتالي فهما أقل تكلفة، ولكنهما يوفران أداءً مماثلاً في مقاومة التآكل بفضل إضافة الروثينيوم. [ 28 ]
الدرجة 35
يحتوي على 4.5% ألومنيوم، 2% موليبدينوم، 1.6% فاناديوم، 0.5% حديد، و0.3% سيليكون.
الصف 36
يحتوي على 45% من النيوبيوم.
الدرجة 37
يحتوي على 1.5% من الألومنيوم.
الدرجة 38
يحتوي على 4% ألومنيوم، و2.5% فاناديوم، و1.5% حديد. طُوِّر هذا النوع في التسعينيات لاستخدامه كطبقة واقية. يقلل الحديد من كمية الفاناديوم اللازمة كمثبت لطور بيتا. خصائصه الميكانيكية مشابهة جدًا للنوع 5، ولكنه يتميز بقابلية تشكيل جيدة على البارد، مماثلة للنوع 9. [ 29 ]

المعالجة الحرارية

سبيكة التيتانيوم المستخدمة في إطار النظارات الشمسية

تُعالج سبائك التيتانيوم حرارياً لعدد من الأسباب، أهمها زيادة القوة عن طريق المعالجة الحرارية والتقادم، فضلاً عن تحسين الخصائص الخاصة، مثل مقاومة الكسر، ومقاومة الإجهاد، ومقاومة الزحف في درجات الحرارة العالية.

لا يمكن تغيير سبائك ألفا وما يقاربها بشكل جذري بالمعالجة الحرارية. وتُعدّ معالجة تخفيف الإجهاد والتلدين العمليتين الوحيدتين المتاحتين لهذه الفئة من سبائك التيتانيوم. تختلف دورات المعالجة الحرارية لسبائك بيتا اختلافًا كبيرًا عن تلك الخاصة بسبائك ألفا وألفا-بيتا. لا تقتصر معالجة سبائك بيتا على تخفيف الإجهاد أو التلدين فحسب، بل يمكن أيضًا معالجتها بالمحلول وتعتيقها. تُصنّف سبائك ألفا-بيتا كسبائك ثنائية الطور، إذ تتكون من طوري ألفا وبيتا عند درجة حرارة الغرفة. ويمكن التحكم في تركيب الأطوار وأحجامها وتوزيعها في سبائك ألفا-بيتا ضمن حدود معينة عن طريق المعالجة الحرارية، مما يسمح بتخصيص خصائصها.

سبائك ألفا وما يقاربها
لا يمكن التحكم بشكل كبير في البنية المجهرية لسبائك ألفا عن طريق المعالجة الحرارية، لأنها لا تخضع لتغيرات طورية ملحوظة. ونتيجة لذلك، لا يمكن الحصول على قوة عالية لسبائك ألفا بالمعالجة الحرارية. مع ذلك، يمكن تخفيف الإجهاد في سبائك التيتانيوم ألفا وما يقاربها، ثم تلدينها.
سبائك ألفا-بيتا
من خلال معالجة سبائك ألفا-بيتا حراريًا، سواءً عند درجات حرارة أقل أو أعلى من درجة حرارة التحول بين ألفا وبيتا، يمكن إحداث تغييرات كبيرة في بنيتها المجهرية، مما قد يؤدي إلى زيادة ملحوظة في صلابة المادة. تُستخدم المعالجة الحرارية بالمحلول بالإضافة إلى التقسية لإنتاج أقصى قدر من القوة في سبائك ألفا-بيتا. كما تُطبق معالجات حرارية أخرى، بما في ذلك معالجات تخفيف الإجهاد، على هذه المجموعة من سبائك التيتانيوم.
سبائك بيتا
في سبائك بيتا التجارية، يمكن الجمع بين معالجات تخفيف الإجهاد ومعالجة التقادم.

التطبيقات

هياكل الفضاء الجوي

يُستخدم التيتانيوم بشكل منتظم في صناعة الطيران لمقاومته للتآكل والحرارة، ونسبة قوته العالية إلى وزنه. تتميز سبائك التيتانيوم عمومًا بقوة أكبر من سبائك الألومنيوم ووزن أخف من الفولاذ . وقد استُخدم في برنامج أبولو المبكر ومشروع ميركوري . [ 30 ]

صُممت سبيكة Ti-3Al-2.5V، التي تتكون من 3% ألومنيوم و2.5% فاناديوم ، للعمل في بيئات درجات الحرارة المنخفضة، حيث تحافظ على صلابة عالية وليونة حتى في ظروف التبريد الشديد في الفضاء. [ 31 ] وتُستخدم هذه السبيكة في مكونات صناعة الطيران والفضاء، مثل هياكل الطائرات وعجلات الهبوط . [ 32 ]

الاستخدامات المعمارية

كسوة التيتانيوم لمتحف غوغنهايم الذي صممه فرانك غيري في بلباو

وقد تم استخدام سبائك التيتانيوم في بعض الأحيان في الهندسة المعمارية، كما هو الحال مع كسوة متحف غوغنهايم ، الذي صممه المهندس المعماري فرانك جيري .

الطب الحيوي

صفيحة تيتانيوم للمعصم

تُستخدم سبائك التيتانيوم على نطاق واسع في تصنيع بدائل المفاصل المعدنية في جراحة العظام، وفي عمليات تثبيت الصفائح العظمية. تُنتج هذه السبائك عادةً من قضبان مطروقة أو مصبوبة باستخدام تقنيات التصنيع باستخدام الحاسوب (CNC )، أو التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) ، أو تقنية تعدين المساحيق . ولكل تقنية من هذه التقنيات مزاياها وعيوبها. ففي حالة المنتجات المطروقة، يحدث فقدان كبير للمادة أثناء تشكيلها إلى الشكل النهائي، أما في حالة العينات المصبوبة، فإن الحصول على المنتج بشكله النهائي يحدّ نوعًا ما من عمليات المعالجة اللاحقة (مثل التصليد بالترسيب )، ومع ذلك، يُعدّ الصب أكثر كفاءة في استخدام المواد. كما أن طرق تعدين المساحيق التقليدية أكثر كفاءة في استخدام المواد، إلا أن الحصول على منتجات كاملة الكثافة قد يُمثّل مشكلة شائعة. [ 33 ]

مع ظهور تقنية التصنيع الحر ثلاثي الأبعاد ، أصبح من الممكن إنتاج غرسات طبية حيوية مصممة خصيصًا (مثل مفاصل الورك). تُظهر الاختبارات أنها أقوى بنسبة 50% من أقوى سبيكة أخرى ذات كثافة مماثلة تُستخدم في تطبيقات الفضاء. [ 34 ] على الرغم من عدم تطبيقها حاليًا على نطاق واسع، فإن طرق التصنيع الحر تُتيح إمكانية إعادة تدوير مسحوق النفايات (من عملية التصنيع) وتُمكّن من تخصيص الخصائص المرغوبة، وبالتالي أداء الغرسة. يُعدّ كل من صهر الحزمة الإلكترونية (EBM) والصهر الانتقائي بالليزر (SLM) طريقتين قابلتين للتطبيق في التصنيع الحر لسبائك التيتانيوم. تؤثر معايير التصنيع بشكل كبير على البنية المجهرية للمنتج، حيث يؤدي معدل التبريد السريع مع درجة انصهار منخفضة في تقنية SLM، على سبيل المثال، إلى التكوين السائد لطور ألفا-برايم المارتنسيتي، مما يُنتج منتجًا شديد الصلابة. [ 33 ]

Ti-6Al-4V / Ti-6Al-4V-ELI
تتميز هذه السبيكة بتوافق حيوي جيد، وهي غير سامة للخلايا وغير سامة للجينات. [ 35 ] تعاني سبيكة Ti-6Al-4V من ضعف مقاومة القص وضعف خصائص مقاومة التآكل السطحي في ظروف تحميل معينة: [ 19 ]

التوافق الحيوي : ممتاز، خاصةً عند الحاجة إلى التلامس المباشر مع الأنسجة أو العظام. يُعدّ ضعف مقاومة القص لسبائك التيتانيوم Ti-6Al-4V سببًا لعدم ملاءمتها لبراغي أو صفائح العظام. كما أنها تتميز بمقاومة ضعيفة لتآكل السطح، وتميل إلى التصلب عند احتكاكها الانزلاقي مع نفسها أو مع معادن أخرى. يمكن تحسين مقاومة تآكل السطح من خلال معالجات سطحية مثل النتردة والأكسدة. [ 19 ]

Ti-6Al-7Nb
طُوِّرت هذه السبيكة كبديل حيوي طبي لسبيكة Ti-6Al-4V، لأن Ti-6Al-4V تحتوي على الفاناديوم، وهو عنصر أظهر تأثيرات سامة للخلايا عند عزله. [ 36 ] : 1 تحتوي سبيكة Ti-6Al-7Nb على 6% ألومنيوم و7% نيوبيوم. [ 36 ] : 18

سبيكة التيتانيوم Ti6Al7Nb هي سبيكة تيتانيوم عالية القوة ومخصصة للاستخدام في الزرعات الجراحية، وتتميز بتوافق حيوي ممتاز. تُستخدم هذه السبيكة في استبدال مفاصل الورك، وهي قيد الاستخدام السريري منذ أوائل عام 1986. [ 37 ]

صناعة السيارات

تُستخدم سبائك التيتانيوم في صناعة السيارات نظرًا لخصائصها المتميزة. تشمل تطبيقاتها الرئيسية مكونات المحرك مثل الصمامات وقضبان التوصيل ، وأنظمة العادم ، ونوابض التعليق، والمثبتات . [ 38 ] [ 39 ] تُسهم هذه السبائك في تقليل وزن السيارة، مما يؤدي إلى تحسين كفاءة استهلاك الوقود والأداء. [ 40 ] بالإضافة إلى ذلك، تُطيل متانة التيتانيوم ومقاومته للتآكل عمر قطع غيار السيارات. مع ذلك، فإن التكلفة العالية للتيتانيوم وتعقيد تصنيعه يحدّان من استخدامه في الغالب على السيارات عالية الأداء والفاخرة . [ 41 ]

مراجع

ملحوظات
  1. ↑ في التيتانيوم أو سبيكة التيتانيوم، درجة حرارة التحول من ألفا إلى بيتا هي درجة الحرارة التي تصبح عندها المرحلة بيتا مفضلة من الناحية الديناميكية الحرارية.
مصادر
  1. ↑ "خصائص سبائك التيتانيوم ألفا، ألفا بيتا، وبيتا" . مواد AZO. 17 أغسطس 2004.
  2. ↑ "التيتانيوم ألفا مقابل التيتانيوم بيتا مقابل التيتانيوم النقي تجارياً" .
  3. ↑ سيمياتين، إس إل (2020). "نظرة عامة على المعالجة الحرارية الميكانيكية لسبائك التيتانيوم α/β: الوضع الحالي وفرص البحث المستقبلية". مجلة المعادن والمواد، الجزء أ . 51 (6): 2593-2625 . رمز Bibcode : 2020MMTA...51.2593S . doi : 10.1007/s11661-020-05625-3 .
  4. ↑ ياو، شين (2016). "تبريد التيتانيوم والتحكم في الإجهادات المتبقية". المعالجة الحرارية للسبائك غير الحديدية . ص 546-554 . doi : 10.31399/asm.hb.v04e.a0006286 . ISBN  978-1-62708-169-6.
  5. 1 2 3 4 التيتانيوم - دليل فني . الجمعية الأمريكية للمعادن الدولية. 2000. ISBN 978-1-61503-062-0.
  6. ↑ وانغ، ب.؛ تشو، ل.؛ دو، ج.؛ كاو، ي. (يناير 2023). "تحليل الإجهادات المتبقية في لحام شعاع الإلكترون باستخدام سلك حشو من سبيكة Ti62A" . مجلة أبحاث وتكنولوجيا المواد . 23 : 985-997 . doi : 10.1016/j.jmrt.2023.01.081 .
  7. ↑ نجد أحمدي، أ.؛ زارعي حنزاكي، أ.؛ فرغداني، إ. (1 فبراير 2014). "تحسين الخواص الميكانيكية في سبيكة Ti–29Nb–13Ta–4.6Zr عن طريق المعالجة الحرارية دون أي تأثير سلبي على توافقها الحيوي". المواد والتصميم . 54 : 786-791 . doi : 10.1016/j.matdes.2013.09.007 . ISSN 0261-3069 . 
  8. ↑ "دراسة سلوك المغنيسيوم في صهر سبائك التيتانيوم بالقوس الكهربائي عند ضغوط تصل إلى 140 ضغط جوي" (ملف PDF) . سلوك المغنيسيوم في الصهر بالقوس الكهربائي . 1980.
  9. ↑ شميدت، ف.ف.؛ وود، ر.أ. (1965). المعالجة الحرارية للتيتانيوم وسبائك التيتانيوم (ملف PDF) (مذكرة فنية X-53445 ). مركز جورج سي. مارشال لرحلات الفضاء: ناسا. 
  10. 1 2 غولدبيرغ، جون؛ بورستون، تشارلز جيه. (1979). "تقييم سبائك التيتانيوم بيتا لاستخدامها في أجهزة تقويم الأسنان". مجلة أبحاث طب الأسنان . 58 (2): 593-599 . doi : 10.1177/00220345790580020901 . PMID 283089. S2CID 29064479 .  
  11. ^ دي فونتين§§، د.؛ باتون، NE؛ ويليامز، جي سي (نوفمبر 1971). "تحول مرحلة أوميغا في تحالفات التيتانيوم كمثال للتفاعلات التي يتم التحكم فيها من خلال الإزاحة، حيث يتم التحكم في مراحل أوميغا في تيتانليجيرونجن كرد فعل مختلف" . اكتا ميتالورجيكا . 19 (11): 1153–1162 . دوى : 10.1016/0001-6160(71)90047-2 . تم الاسترجاع في 27 أبريل 2020 .
  12. ^ إيشيدا، تاكو؛ واكاي، إيتشي؛ ماكيمورا، شونسوكي؛ كاسيلا، أندرو م. إدواردز، داني ج.؛ سينور، ديفيد ج. أميجان، كافين؛ هوره، باتريك G.؛ دينشام، كريستوفر ج. فيتون، مايكل د.؛ بينيت، جو م. كيم، دوهيون؛ سيموس، نيكولاوس؛ هاجيوارا، ماسايوكي؛ كاوامورا، ناريتوشي؛ ميجو، شين إيشيرو؛ يوههارا ، كاتسويا (2020). “سلوك الشد لسبائك التيتانيوم ثنائية الطور تحت التعرض لشعاع البروتون عالي الكثافة: تحول مرحلة أوميغا الناجم عن الإشعاع في Ti-6Al-4V”. مجلة المواد النووية . 541 152413. أرخايف : 2004.11562 . بيب كود : 2020JNuM..54152413I . doi : 10.1016/j.jnucmat.2020.152413 . S2CID 216144772 . 
  13. ↑ فايدهي أرون جوشي. سبائك التيتانيوم: أطلس للهياكل وخصائص الكسر . مطبعة سي آر سي، 2006. doi : 10.1201/9781420006063 ISBN 978-0-429-12327-6
  14. ↑ نياميكي، باتريشيا؛ رحيمبور غولرودباري، سعيد؛ بيلي، هايدي؛ لوكا، باسي؛ كراسلافسكي، أندريه (2023-05-01). "تأثير التصنيع الإضافي على سلسلة توريد التيتانيوم: حالة سبائك التيتانيوم في صناعات السيارات والفضاء" . التقدم في الهندسة الصناعية والتصنيعية . 6 100112. doi : 10.1016/j.aime.2023.100112 . ISSN 2666-9129 . 
  15. ↑ جيردمان، ستيفن ج. (2001-07-01). "التيتانيوم: تقنيات المعالجة" . المواد والعمليات المتقدمة . 159 (7): 41.
  16. ↑ "التيتانيوم (Ti) - الخصائص الكيميائية، والآثار الصحية والبيئية" . www.lenntech.com . تاريخ الاطلاع: 11 مايو 2023 .
  17. 1 2 ASTM B861 – 10 المواصفات القياسية للأنابيب غير الملحومة من التيتانيوم وسبائك التيتانيوم (الدرجات من 1 إلى 38)
  18. ↑ درجات التيتانيوم، التطبيقات
  19. 1 2 3 "Titanium-6-4" . تم الاسترجاع في 19-02-2009 .
  20. ↑ مقارنة المواد: التيتانيوم النقي تجاريًا والتيتانيوم 6Al-4V (الدرجة 5)
  21. ↑ "تيتانيوم Ti-5Al-2.5Sn (الدرجة 6) - شبكة المواد" .
  22. ↑ "معادن وسبائك وأهداف الترسيب بالرش من التيتانيوم من الدرجة 7 (سبيكة التيتانيوم والبلاديوم، Ti-IIPd)" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 26-04-2012 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 19-12-2011 .
  23. 1 2 3 4 "نظرة عامة على درجة التيتانيوم" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2023-03-26.
  24. 1 2 3 4 "مواد الذرات النشطة - مجموعة التيتانيوم" .
  25. 1 2 "6Al-4V-ELI تيتانيوم" . مجموعة تيتانيوم الأداء . 15 مايو 2015.
  26. ↑ دالاغو، م.؛ فونتاناري، ف. (2018). "الإجهاد والخصائص البيولوجية للهياكل الخلوية من سبيكة التيتانيوم Ti-6Al-4V ELI ذات الخلايا المكعبة ذات الترتيبات المختلفة المصنعة بتقنية الصهر الانتقائي بالليزر". مجلة السلوك الميكانيكي للمواد الطبية الحيوية . 78 : 381-394 . doi : 10.1016/j.jmbbm.2017.11.044 . hdl : 11572/190389 . PMID 29220822 . 
  27. ↑ "الهندسة الدقيقة باستخدام التيتانيوم من الدرجة 23: دور سبيكة Ti-6Al-4V-ELI في الآلات عالية الأداء" . ستانفورد باودرز . تم الاطلاع عليه بتاريخ 25 أغسطس 2024 .
  28. ↑ تي. ليان؛ تي. ياشيكي؛ تي. ناكاياما؛ تي. ناكانيشي؛ آر. بي. ريباك (23-07-2006). سلوك التآكل المقارن لسبائك التيتانيوم المحتوية على البلاديوم . مؤتمر الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين لأوعية الضغط والأنابيب. فانكوفر.
  29. ↑ "التيتانيوم من الدرجة 38: سبيكة عالية القوة ومقاومة للتآكل" . ستانفورد للمواد المتقدمة .
  30. ↑ "الاستعدادات لأول مهمة أبولو مأهولة" . ناسا . تم الاطلاع عليه بتاريخ 26 يونيو 2024 .
  31. ↑ ترينتو، تشين (12 أبريل 2024). "استخدام التيتانيوم في صناعة الطيران والفضاء" . مواد ستانفورد المتقدمة . تم الاطلاع عليه في 26 يونيو 2024 .
  32. ↑ تشاو ، تشينيان؛ صن، تشياويان (2022). "سبائك التيتانيوم عالية القوة لتطبيقات هندسة الطيران: مراجعة لعملية الصهر والتشكيل". علوم وهندسة المواد . 845. doi : 10.1016/j.msea.2022.143260 .
  33. مور ، إل إي ؛ كينونيس، إس إيه؛ جايتان، إس إم؛ لوبيز، إم آي؛ روديلا، إيه؛ مارتينيز، إي واي؛ هيرنانديز، دي إتش؛ مارتينيز، إي؛ ميدينا، إف. (2009-01-01). "البنية المجهرية والسلوك الميكانيكي لسبائك التيتانيوم Ti-6Al-4V المُنتجة بتقنية التصنيع الطبقي السريع، للتطبيقات الطبية الحيوية". مجلة السلوك الميكانيكي للمواد الطبية الحيوية . 2 (1): 20-32 . doi : 10.1016/j.jmbbm.2008.05.004 . PMID 19627804 . 
  34. ↑ نورونها، جوردان؛ داش، جيسون؛ روجرز، جيسون؛ ليري، مارتن؛ براندت، ميلان؛ تشيان، ما (2024-01-07). "مواد فائقة متعددة الطوبولوجيا من التيتانيوم ذات قوة استثنائية" . المواد المتقدمة . 36 (34) e2308715. Bibcode : 2024AdM....3608715N . doi : 10.1002/adma.202308715 . ISSN 0935-9648 . PMID 38160263 .  
  35. ↑ فيلاسكو-أورتيغا، إي (سبتمبر 2010). "التقييم المختبري للسمية الخلوية والسمية الجينية لسبائك التيتانيوم التجارية المستخدمة في زراعة الأسنان". Mutat. Res . 702 (1): 17–23 . Bibcode : 2010MRGTE.702...17V . doi : 10.1016/j.mrgentox.2010.06.013 . PMID 20615479 . 
  36. 1 2 مقاومة التعب للتيتانيوم النقي تجاريًا (الدرجة الثانية)، وسبائك التيتانيوم (Ti6Al7Nb) والمشابك التقليدية المصبوبة بالكوبالت والكروم من Mali Palanuwech؛ أطروحة افتتاحية zur Erlangung des Doktorgrades der Zahnheilkunde der Medizinschen Fakultät der Eberhard-Karls-Universität zu Tübingenvorgelegt؛ ميونيخ (2003). تم الاسترجاع 8 سبتمبر 2012
  37. ↑ سبائك التيتانيوم – Ti6Al7Nb: الخصائص والتطبيقات. تم الاطلاع عليه بتاريخ 8 سبتمبر 2012
  38. ↑ "تطبيقات سبائك التيتانيوم في صناعة السيارات" . المعادن الحرارية المتقدمة . مارس 2018. تم الاطلاع عليه في 6 يوليو 2024 .
  39. ↑ إيان بولمير (2005). السبائك الخفيفة: من السبائك التقليدية إلى البلورات النانوية . إلسيفير. ص 361. ISBN  978-0-7506-6371-7.
  40. ↑ ياماشيتا، يوشيتو؛ تاكاياما، إيسامو (2002). "تطبيقات وخصائص التيتانيوم في صناعة السيارات" (ملف PDF) . نيبون ستيل . تم الاطلاع عليه في 6 يوليو 2024 .
  41. ↑ نياميكي، باتريشيا؛ غولرودباري، إس آر ( 2023). "تأثير التصنيع الإضافي على سلسلة توريد التيتانيوم: حالة سبائك التيتانيوم في صناعات السيارات والفضاء" . التقدم في الهندسة الصناعية والتصنيعية . 6. doi : 10.1016/j.aime.2023.100112 .