الصف السابع التيتانيوم ، المعين رسميا على أنهTi-0.15pd(التيتانيوم -0.15 ٪ بالاديوم) ، هو متغير متخصص من التيتانيوم النقي التجاري (CP) الذي استقر بكمية صغيرة من البلاديوم. يندرج تحت فئة التيتانيوم غير المقيد (بدلاً من سبائك التيتانيوم متعددة العناصر مثل الصف 5 Ti-6AL-4V) ولكن تم تعديله لمعالجة القيد الحاسم لتيتانيوم CP القياسي: ضعف المقاومة للتآكل المترجم.
يتم تعريف هذا الدرجة من خلال معايير الصناعة مثل ASTM B265 (لألواح التيتانيوم والأوراق والشرائط) ، و AMS 4928 (مواصفات مواد الفضاء الجوي) ، و ISO 5832-7 ، والتي تحدد متطلبات تصنيعها واختبارها ومتطلبات الأداء. إن إضافة البلاديوم هو التمييز الرئيسي-يعزز قدرة المادة على تحمل البيئات المسببة للتآكل ، وخاصة الحالات التي تقلل من حالات حمض الكبريتيك ، وحلول كلوريد الساخن ، ومياه البحر الراكدة ، وبعض تيارات العمليات الكيميائية.
يحتفظ الصف السابع من التيتانيوم بالفوائد الأساسية لتيتانيوم CP ، بما في ذلك الكثافة المنخفضة (حوالي 4.51 جم/سم مكعب ، حوالي 60 ٪ من كثافة الصلب) ، والتوافق الحيوي الممتاز (مما يجعلها مناسبة للتطبيقات الطبية) ، والتشكيل الجيد (يمكن أن تكون على البرودة ، وملحومة ، ومؤلفة مع التقنيات المناسبة) ، والقوة المعتدلة. توجد تطبيقاتها الأولية في الصناعات التي تكون فيها مقاومة التآكل ذات أهمية قصوى ، مثل المعالجة الكيميائية (المفاعلات ، والمبادلات الحرارية ، والصمامات) ، والهندسة البحرية والهندسة البحرية (مكونات تحت سطح البحر ، والسحابات) ، والنفط والغاز (أدوات البئر ، والمعدات ذات الرأس البئر) ، والأجهزة الطبية (مكونات قابلة للزرع الناشئة على السوائل الجسدية). كما أنه يستخدم في الأنظمة المبردة ، حيث تظل خصائصها الميكانيكية مستقرة في درجات حرارة منخفضة للغاية (وصولاً إلى -253 درجة).
يتم التحكم في التركيب الكيميائي للصف السابع من التيتانيوم بإحكام من خلال المعايير الدولية (على سبيل المثال ، ASTM B265 ، ISO 5832-7) لضمان أداء ثابت ، خاصة فيما يتعلق بمقاومة التآكل والاستقرار الميكانيكي. تهيمن التيتانيوم على التكوين ، مع البلاديوم كعنصر السبائك الأساسي (والوحيد المتعمد) ، وكميات ضئيلة من الشوائب التي تقتصر تمامًا على تجنب التنازل عن خصائص المواد.
النطاقات النموذجية والأكثر المسموح بها لمكوناتها الرئيسية (حسب نسبة الوزن) هي كما يلي:
التيتانيوم (TI):المعدن الأساسي ، الذي يمثل بقية التكوين (حوالي 99.78-99.88 ٪). يضمن محتوى التيتانيوم العالي أن المواد تحتفظ بالخصائص المتأصلة في التيتانيوم CP ، مثل الكثافة المنخفضة والتوافق الحيوي.
بالاديوم (PD):عنصر السبائك الحرجة ، الموجود في حدود 0.12-0.20 ٪. هذه الإضافة الصغيرة ولكن الدقيقة هي ما يميز الصف السابع عن درجات CP القياسية (على سبيل المثال ، الصف 2). يعمل البلاديوم كمثبت التآكل من خلال تعزيز تكوين طبقة أكسيد أكثر استقرارًا على سطح التيتانيوم-هذه الطبقة تمنع التآكل المترجمة (مثل التآكل أو التآكل) في بيئات تقليل القاسية.
الحديد (FE):شوائب شائعة ، تقتصر على الحد الأقصى 0.25 ٪. الحديد الزائد يمكن أن يقلل من مقاومة التآكل ويزيد من هشاشة ، لذلك يتم التحكم في تركيزه بشكل صارم.
الكربون (ج):يقتصر على الحد الأقصى 0.08 ٪. يمكن أن يشكل الكربون كربيد مع التيتانيوم ، مما قد يضعف المادة ويقلل من ليونة ، لذلك يتم الاحتفاظ به عند مستويات منخفضة.
النيتروجين (ن):يقتصر على الحد الأقصى 0.05 ٪. يمكن أن يزيد النيتروجين من القوة ولكنه يقلل أيضًا من ليونة ومقاومة التآكل ، وبالتالي فإن محتواه مقيد.
الهيدروجين (ح):يقتصر على الحد الأقصى 0.015 ٪. يعتبر الهيدروجين ضارًا للغاية بالتيتانيوم ، حيث يمكن أن يسبب "احتضان الهيدروجين"-ظاهرة تجعل المادة هشة وعرضة للتصدع تحت الضغط. وبالتالي فإن السيطرة الصارمة على الهيدروجين أمر بالغ الأهمية للنزاهة الهيكلية.
الأكسجين (س):يقتصر على الحد الأقصى 0.20 ٪. الأكسجين هو شوائب شائعة في التيتانيوم تزيد قليلاً من القوة ولكنها يمكن أن تقلل من ليونة ؛ تركيزه متوازنة للحفاظ على نسبة بقاء القوة الجيدة.
لا توجد عناصر سبائك متعمدة أخرى في تركيبة التيتانيوم من الدرجة 7 ، تكون بسيطة عن عمد للحفاظ على نقاء وتوافق التيتانيوم CP مع الاستفادة من البلاديوم لحماية التآكل المحسنة.
تم تصميم الخصائص الميكانيكية للصف السابع من التيتانيوم لتحقيق التوازن بين القوة والليونة والقدرة على التشكيل ، مع الحفاظ على مقاومة التآكل التي تمكينها بالاديوم. يتم قياس هذه الخصائص في ظل الظروف القياسية (درجة حرارة الغرفة ، ما لم يتم تحديدها خلاف ذلك) ويتم تعريفها بمعايير مثل ASTM B265 و AMS 4928.
قوة الشد (UTS):يتراوح عادة من 483 ميجا باسكال إلى 621 ميجا باسكال (70،000 إلى 90،000 رطل). هذه القوة المعتدلة أعلى من قوة التيتانيوم من الدرجة الأولى CP ولكنها أقل قليلاً من الصف 2 ، بسبب محتوى الأكسجين الذي يتم التحكم فيه وإضافة البلاديوم. إنه كافٍ لمعظم التطبيقات الكيميائية والتطبيقات البحرية ، حيث تتوازن احتياجات القوة بمقاومة التآكل والقدرة على التشكيل.
قوة العائد (0.2 ٪ إزاحة):يتراوح عادة من 345 ميجا باسكال إلى 483 ميجا باسكال (50000 إلى 70،000 رطل). قوة العائد هي الإجهاد الذي تبدأ به المادة في التشوه بشكل دائم ؛ يضمن هذا النطاق أن يتمكن الصف السابع من تحمل الأحمال التشغيلية دون تشوه مفرط.
استطالة عند الاستراحة:عادة 20-25 ٪ (للألواح أو اللوحة مع سمك أكبر من أو تساوي 1.6 مم). يشير الاستطالة العالية إلى ليونة جيدة ، مما يعني أنه يمكن تمديد المادة أو ثنيها أو تشكلها في أشكال معقدة دون تكسير-وهذا أمر بالغ الأهمية لعمليات التصنيع مثل اللحام ، المتداول ، والانحناء.
معامل المرونة (معامل يونغ):ما يقرب من 110 GPA (16 × 10⁶ PSI). تشبه هذه القيمة الدرجات الأخرى CP Titanium وهي حوالي نصف معامل الصلب ، مما يعني أن الصف 7 أكثر مرونة تحت الإجهاد (مفيد للتطبيقات حيث هناك حاجة إلى تخميد الاهتزاز أو انحراف محدود).
صلابة:عادة ما يكون 150-180 HV (صلابة فيكرز) أو 80-90 HRB (Rockwell B). تضمن صلابةها المعتدلة أنها ليست هشة للغاية ويمكن تشكيلها بالأدوات المناسبة (على سبيل المثال ، أدوات قطع كربيد) ، مع عدم تقديم مقاومة كافية للارتداء للبيئات غير الكاشطة.
قوة التعب:في 10 ⁷ دورات (درجة حرارة الغرفة ، التحميل المنعكس بالكامل) ، تتمتع الصف السابع بقوة التعب النموذجية من 172-207 ميجا باسكال (25000 إلى 30،000 رطل). هذا يجعلها مناسبة للتطبيقات الخاضعة للأحمال المتكررة أو الدورية ، مثل السحابات البحرية أو المكونات الدوارة في المضخات الكيميائية.
الخصائص المبردة:على عكس بعض المعادن ، يحتفظ الصف السابع من التيتانيوم ليونة وصبغه في درجات حرارة منخفضة للغاية (وصولاً إلى -253 درجة). تزداد قوة الشد وقوة العائد بشكل طفيف في درجات الحرارة المبردة ، في حين أن الاستطالة لا تزال عالية-وهذا يجعلها مثالية لخزانات التخزين المبردة أو مكونات الطيران المعرضة للبيئات الباردة.
والجدير بالذكر أن الخواص الميكانيكية للصف 7 أقل حساسية للمعالجة الحرارية مقارنة بدرجات التيتانيوم الملبوسة (على سبيل المثال ، الصف 5) ، حيث يتم استخدامها في المقام الأول في حالة الصلب لزيادة ليونة ومقاومة التآكل. يمكن أن يزيد العمل البارد من قوتها (على سبيل المثال ، قوة الشد تصل إلى 700 ميجا باسكال) ولكن قد يقلل من ليونة ، لذلك يتم ذلك فقط لتطبيقات محددة ذات قوة عالية.
يتم تصنيف كل من التيتانيوم من الدرجة الثانية والصف السابعة على أنهما التيتانيوم النقي التجاري (CP) ، مما يعني أنهما يتكونان بشكل أساسي من التيتانيوم مع الحد الأدنى من عناصر صناعة السبائك ، ولكنها تختلف اختلافًا كبيرًا في التكوين ، ومقاومة التآكل ، والخصائص الميكانيكية ، والتطبيقات. تنشأ هذه الاختلافات عن الإضافة المتعمدة للبلاديوم إلى الصف 7 ، وهو غائب في الصف الثاني. فيما يلي انهيار مفصل لتمييزهم الرئيسي:
أولا ، فيالتكوين الكيميائي، الصف الثاني هو "قياسي" من التيتانيوم غير محتمل مع عدم وجود عناصر من العناصر المتعمدة-هي 99.6 ٪ من التيتانيوم ، مع شوائب تتبع (الحديد أقل من 0.30 ٪ ، أو الأكسجين أقل من أو يساوي 0.25 ٪). في المقابل ، الصف 7 هو أبالاديوم المستقرCP التيتانيوم ، الذي يحتوي على 0.12-0.20 ٪ البلاديوم (العنصر الوحيد المتعمد) بالإضافة إلى نفس الشوائب التتبع (مع حدود أكثر تشددا ، على سبيل المثال ، الحديد أقل من أو يساوي 0.25 ٪ ، والأكسجين أقل من أو يساوي 0.20 ٪). هذه الإضافة البلاديوم هي الفرق التأسيسي بين الدرجتين.
ثانية،مقاومة التآكلهو التمييز الأكثر تأثيرا. يوفر الصف الثاني مقاومة جيدة للتآكل في البيئات المعتدلة ، مثل الهواء ، والمياه العذبة ، والأحماض المخففة (على سبيل المثال ، حمض الأسيتيك) ، ومعظم السوائل الجسدية-وهذا هو السبب في أنه يستخدم على نطاق واسع في عمليات الزرع الطبية (على سبيل المثال ، لوحات العظام) والتطبيقات المعمارية. ومع ذلك ، فهو عرضة لالتآكل المترجمة(Pitting ، تآكل الشقوق) في بيئات تقليل قاسية ، مثل محاليل كلوريد الساخن (على سبيل المثال ، مياه البحر في درجات حرارة عالية) ، حمض الكبريتيك ، أو حمض الفوسفوريك. على النقيض من ذلك ، فإن الصف السابع ، قد عززت بشكل كبير مقاومة لهذه البيئات العدوانية: يعدل البلاديوم طبقة أكسيد سطح التيتانيوم ، مما يجعلها أكثر استقرارًا ومقاومة للانهيار ، حتى في وسائل الإعلام الراكدة أو عالية التركيز. هذا يجعل الصف السابع هو الاختيار المفضل للمعالجة الكيميائية ، والتطبيقات الخارجية ، والتطبيقات النفطية والغاز حيث ستفشل الصف 2.
ثالثا ، لهمالخصائص الميكانيكيةتختلف قليلا ، على الرغم من أن كلاهما يعتبر "قوة معتدلة" CP التيتانيوم. يتمتع الصف 2 بقوة شد أعلى قليلاً (عادةً 552-689 MPa مقابل . 483 - 621 MPa للصف 7) وقوة العائد (عادةً 414-552 MPa vs . 345 - 483 MPa للصف 7) بسبب محتوى الأكسجين المسموح به بشكل طفيف (زيادة الأكسجين في CPEN. ومع ذلك ، فإن الصف 7 يوفر ليونة أفضل بشكل هامشي (استطالة 20-25 ٪ مقابل . 18 - 22 ٪ للصف 2) في حالة الصلب ، مما يجعل من الأسهل قليلاً تكوينها في أشكال معقدة. كلتا الدرجتين لها معامل مماثلة من المرونة (~ 110 GPA) والصلابة (الصف 2: 160-190 HV ؛ الصف 7: 150-180 HV) ، وبالتالي فإن مرونتها وقابليتها للآلات قابلة للمقارنة لمعظم الأغراض.
أخيراً،التطبيقات والتكلفةتعكس هذه الاختلافات. الصف 2 هو درجة CP الأكثر استخدامًا على نطاق واسع بسبب توازن التكلفة ، والقدرة على التشكيل ، ومقاومة التآكل العامة. وتشمل تطبيقاتها زراعة الطبية (البراغي ، واللوحات) ، والسلع الاستهلاكية (حالات الساعات ، والمجوهرات) ، والتكتل المعماري ، والمعدات الكيميائية ذات الضغط المنخفض. الصف السابع ، بسبب البلاديوم المضافة (معدن نادر ومكلف) ، هو أكثر تكلفة بكثير من الصف 2 (عادة 20-50 ٪ ، اعتمادا على ظروف السوق). تبرر تكلفةها الأعلى من خلال مقاومة التآكل الفائقة ، لذلك فهي مخصصة لتطبيقات المخاطر العالية: مفاعلات المعالجة الكيميائية ، والمبادلات الحرارية ، والمكونات البحرية تحت سطح البحر ، وأدوات ثقب النفط والغاز ، والأجهزة الطبية المعرضة للسوائل الجسدية المسببة للتآكل (مثل المضخات القابلة للزرع).
باختصار ، على الرغم من أن الصف الثاني يعتبر من التيتانيوم CP متعدد الاستخدامات وفعال من حيث التكلفة للبيئات المعتدلة ، إلا أن الصف 7 هو متغير متخصص ومقاوم للتآكل محسّن لظروف الحد القاسية ، مع إضافة البلاديوم كونه العامل الأساسي الذي يقود جميع الاختلافات الأخرى.
