Ti-6Al-4V ELI (Grade 23)
مقدمة عن Ti-6Al-4V ELI (الدرجة 23)
Ti-6Al-4V ELI (Grade 23) هو إصدار منخفض الشوائب جدًا (ELI) من سبيكة Ti-6Al-4V الشائعة الاستخدام، ويوفر مطيلية محسّنة ومتانة كسر أعلى وتوافقًا حيويًا ممتازًا. تجعل هذه الخصائص السبيكة مثالية للغرسات الطبية الحرجة ومثبتات الطيران والمكونات المبردة (Cryogenic) التي تتطلب نقاءً استثنائيًا ومقاومة تعب عالية.
يُفضّل تصنيع الدرجة 23 عبر التشغيل الدقيق باستخدام خدمات التشغيل باستخدام CNC كسبائك تيتانيوم عالية الأداء. تُستخدم أجزاء التيتانيوم المُشغَّلة باستخدام CNC المصنوعة من Ti-6Al-4V ELI على نطاق واسع في تطبيقات عالية الحساسية مثل الغرسات الجراحية وحوامل المحركات ومعدات أعماق البحار، حيث لا مجال للتهاون في سلامة المادة.
الخصائص الكيميائية والفيزيائية والميكانيكية لـ Ti-6Al-4V ELI (الدرجة 23)
التركيب الكيميائي (النموذجي)
العنصر | نطاق التركيب (% وزني) | الدور الرئيسي |
|---|---|---|
التيتانيوم (Ti) | الباقي | العنصر الأساسي مع مقاومة تآكل ممتازة |
الألومنيوم (Al) | 5.5–6.5 | مثبّت للألفا، يحسن القوة والأداء الحراري |
الفاناديوم (V) | 3.5–4.5 | مثبّت للبيتا، يعزز القوة والمطيلية |
الأكسجين (O) | ≤0.13 | خفض المحتوى يحسن المطيلية ومتانة الكسر |
الحديد (Fe) | ≤0.25 | عنصر متبقٍ |
الكربون (C) | ≤0.08 | يُتحكم به للحفاظ على قابلية اللحام |
النيتروجين (N) | ≤0.05 | مخفض لتقليل الهشاشة |
الهيدروجين (H) | ≤0.0125 | منخفض جدًا للتوافق الحيوي والتحكم في التآكل |
الخصائص الفيزيائية
الخاصية | القيمة (نموذجية) | المعيار / شرط الاختبار |
|---|---|---|
الكثافة | 4.43 جم/سم³ | ASTM B311 |
نطاق الانصهار | 1604–1660°م | ASTM E1268 |
الموصلية الحرارية | 6.7 واط/م·ك عند 100°م | ASTM E1225 |
المقاومة الكهربائية | 1.65 ميكرو أوم·م عند 20°م | ASTM B193 |
التمدد الحراري | 8.8 ميكرومتر/م·°م | ASTM E228 |
السعة الحرارية النوعية | 560 جول/كجم·ك عند 20°م | ASTM E1269 |
معامل المرونة | 114 جيجا باسكال | ASTM E111 |
الخصائص الميكانيكية (حالة التلدين)
الخاصية | القيمة (نموذجية) | معيار الاختبار |
|---|---|---|
مقاومة الشد | 825–900 ميجا باسكال | ASTM E8/E8M |
مقاومة الخضوع (0.2%) | 795–860 ميجا باسكال | ASTM E8/E8M |
الاستطالة | ≥15% | ASTM E8/E8M |
الصلادة | 280–320 HB | ASTM E10 |
متانة الكسر | >75 ميجا باسكال√م | ASTM E399 |
مقاومة التعب | ممتازة | ASTM E466 |
الخصائص الرئيسية لـ Ti-6Al-4V ELI (الدرجة 23)
توافق حيوي عالٍ: انخفاض مستويات الأكسجين والهيدروجين يجعل الدرجة 23 مناسبة للغرسات الطبية وفق متطلبات ISO 10993 وASTM F136 الصارمة.
متانة كسر ممتازة: متانة محسنة عند درجات الحرارة المبردة وتحت الأحمال الديناميكية تضمن موثوقية عالية في التطبيقات الجراحية والطيران الحرجة.
مقاومة التآكل والأكسدة: مقاومة ممتازة للكلوريدات والمحاليل الملحية وسوائل الجسم، مع تكوّن طبقة أكسيد مستقرة.
قابلية اللحام والتشغيل: يمكن لحامه بسهولة مع حماية بغاز خامل، ويمكن تشغيله بتفاوتات ضيقة باستخدام أدوات وتبريد مناسبين.
تحديات وحلول التشغيل باستخدام CNC لتيتانيوم الدرجة 23
تحديات التشغيل
توليد الحرارة وانخفاض الموصلية: مثل أغلب سبائك التيتانيوم، يتراكم الحرارة في منطقة القطع مما يسرّع تآكل الأداة.
الاسترجاع المرن: معامل المرونة (114 جيجا باسكال) يسبب ارتدادًا أثناء التشطيب قد يؤثر على دقة الأبعاد في المقاطع الرقيقة.
التغلغل والتشرّخ الحافي (Galling/Notching): قد يحدث تغلغل على حواف القطع أثناء التشغيل الجاف أو عند نقص التبريد.
متطلبات تشطيب سطحي صارمة: غالبًا ما تتطلب الأجزاء الطبية والطيران Ra < 0.4 ميكرومتر، ما يستلزم قطعًا محسّنًا ومعالجات لاحقة دقيقة.
استراتيجيات تشغيل محسّنة
اختيار الأدوات
المعامل | التوصية | المبرر |
|---|---|---|
مادة الأداة | كربيد دقيق الحبيبات أو كربيد مطلي | يحافظ على حافة القطع ويقاوم الحرارة |
الطلاء | AlTiN أو TiCN (≥3 ميكرومتر) | يقلل الالتصاق وأكسدة الأداة |
الهندسة | حافة حادة، زاوية ميل موجبة | تقلل قوى القطع وتراكم الحرارة |
سرعة القطع | 20–45 م/دقيقة | تقلل الإجهاد الحراري |
معدل التغذية | 0.10–0.20 مم/دورة | يضمن تكوّن رايش مستقر |
سائل التبريد | مستحلب مائي ≥100 بار | يحسن التبريد وسلامة السطح |
معلمات القطع لـ Ti-6Al-4V ELI (الدرجة 23) (وفق ISO 3685)
العملية | السرعة (م/دقيقة) | التغذية (مم/دورة) | عمق القطع (مم) | ضغط سائل التبريد (بار) |
|---|---|---|---|---|
تشغيل خشن | 20–30 | 0.15–0.20 | 2.0–3.0 | 80–100 (من خلال الأداة) |
تشطيب | 40–50 | 0.05–0.10 | 0.2–0.5 | 100–150 |
المعالجة السطحية لأجزاء تيتانيوم الدرجة 23
الكبس المتساوي الضغط الساخن (HIP) يحسن مقاومة التعب ويزيل المسامية الداخلية، وهو أمر بالغ الأهمية للغرسات الطبية وقطع الطيران.
المعالجة الحرارية تشمل إزالة الإجهاد والتعتيق عند حوالي ~700°م لتعزيز الاتساق الميكانيكي والاستقرار البُعدي.
لحام السبائك الفائقة يضمن لحامات عالية السلامة لأدوات جراحية أو حاويات طيران باستخدام حماية بغاز خامل.
الطلاء الحاجز للحرارة (TBC) يوفر حماية في حوامل المحركات والهياكل المعرضة لدورات حرارية قاسية.
التشغيل باستخدام CNC يدعم تفاوتات ±0.01 مم للغرسات والوصلات التي تتطلب دقة أبعاد عالية.
التشغيل بالتفريغ الكهربائي (EDM) يتيح إنشاء ميزات ميكروية معقدة دون إجهاد ميكانيكي.
حفر الثقوب العميقة يمكّن من حفر ثقوب دقيقة بتشطيب Ra ≤1.6 µm ونسبة L/D > 30:1 في غرسات العظام أو مشغلات الطيران.
اختبار المواد يشمل اختبارات الشد وتقييم البنية المجهرية وكشف العيوب بالموجات فوق الصوتية وفق ASTM F136 وAMS 4930.
اختبار المواد والتحليل
تخضع الدرجة 23 لعمليات تحقق صارمة تشمل اختبارات الشد وتقييم متانة الكسر وفحص SEM واختبارات التآكل وكشف العيوب بالموجات فوق الصوتية لتلبية معايير الاعتماد في الطيران والطب.
التطبيقات الصناعية لـ Ti-6Al-4V ELI (الدرجة 23)
الأجهزة الطبية: غرسات جراحية، ومسامير عظمية، وهياكل سنية تتطلب مقاومة تعب عالية وتوافقًا حيويًا ممتازًا.
الطيران والفضاء: دعامات محركات نفاثة، ومثبتات هيكلية، وأنظمة وقود مبردة.
توليد الطاقة: مكونات عالية الضغط مقاومة للتآكل في التوربينات والأنابيب.
المعدات الصناعية: مكونات لأنظمة غرف نظيفة، ومفاعلات كيميائية، وبيئات بحرية.
استكشف المدونات ذات الصلة
