Ti-6Al-4V (TC4)
مقدمة عن Ti-6Al-4V (TC4)
Ti-6Al-4V، المعروف أيضًا باسم TC4 أو تيتانيوم الدرجة 5 (Grade 5 Titanium)، هو سبيكة تيتانيوم من نوع ألفا-بيتا (α-β) مُقوّاة بنسبة 6% ألومنيوم و4% فاناديوم. تُعد أكثر سبائك التيتانيوم استخدامًا بفضل مزيجها الممتاز من القوة ومقاومة التآكل والاستقرار الحراري. وبفضل نسبة القوة إلى الوزن العالية، تُستخدم TC4 على نطاق واسع في صناعات الطيران والدفاع ورياضة السيارات والقطاع الطبي.
وتجعل خصائصها عالية الأداء TC4 المادة المفضلة للمكونات الحرجة المُنتجة عبر خدمات التشغيل باستخدام CNC. وبفضل توازن خصائصها الميكانيكية والحرارية، فإن أجزاء التيتانيوم المُشغَّلة باستخدام CNC المصنوعة من TC4 توفر أداءً ثابتًا وموثوقًا في ظروف تشغيل قاسية.
الخواص الكيميائية والفيزيائية والميكانيكية لـ Ti-6Al-4V (TC4)
التركيب الكيميائي (نموذجي)
العنصر | نطاق التركيب (٪ بالوزن) | الدور الرئيسي |
|---|---|---|
التيتانيوم (Ti) | التوازن (~90) | مصفوفة أساسية بمقاومة للتآكل |
الألومنيوم (Al) | 5.5–6.75 | مثبّت طور ألفا، يزيد القوة |
الفاناديوم (V) | 3.5–4.5 | مثبّت طور بيتا، يعزز المتانة وقابلية التقسية |
الحديد (Fe) | ≤0.40 | عنصر متبقٍ، يؤثر في القوة |
الأكسجين (O) | ≤0.20 | يحسن القوة وقد يؤثر في المطيلية |
الكربون (C) | ≤0.08 | تنقية الحبيبات وتحسين مقاومة التآكل/الاهتراء |
النيتروجين (N) | ≤0.05 | عنصر متبقٍ يزيد الصلادة |
الهيدروجين (H) | ≤0.015 | يجب التحكم به لتجنب التقصف |
الخواص الفيزيائية
الخاصية | القيمة (نموذجية) | المعيار/شرط الاختبار |
|---|---|---|
الكثافة | 4.43 غ/سم³ | ASTM B311 |
نطاق الانصهار | 1604–1660°C | ASTM E1268 |
الموصلية الحرارية | 6.7 واط/م·ك عند 100°C | ASTM E1225 |
المقاومة الكهربائية | 1.71 µΩ·م عند 20°C | ASTM B193 |
التمدد الحراري | 8.6 µم/م·°C | ASTM E228 |
السعة الحرارية النوعية | 560 جول/كغ·ك عند 20°C | ASTM E1269 |
معامل المرونة | 113.8 غيغاباسكال | ASTM E111 |
الخواص الميكانيكية (في حالة التخمير)
الخاصية | القيمة (نموذجية) | معيار الاختبار |
|---|---|---|
مقاومة الشد | 895–960 ميغاباسكال | ASTM E8/E8M |
حد الخضوع (0.2%) | 830–900 ميغاباسكال | ASTM E8/E8M |
الاستطالة | ≥10% | ASTM E8/E8M |
الصلادة | 330–360 HB | ASTM E10 |
مقاومة الزحف | عالية | ASTM E139 |
مقاومة التعب | ممتازة | ASTM E466 |
الخصائص الرئيسية لـ Ti-6Al-4V (TC4)
نسبة قوة إلى وزن عالية: توفر TC4 مقاومة شد تصل إلى 960 ميغاباسكال بكثافة 4.43 غ/سم³ فقط، ما يجعلها مثالية لهياكل الطيران والمثبتات وقطع الأداء العالي.
مقاومة فائقة للتآكل والأكسدة: تضمن طبقة أكسيد التيتانيوم السلبية مقاومة في البيئات الكلورية والبحرية والحمضية الخفيفة، مع أداء مستقر حتى 400°C في الهواء.
استقرار حراري ومقاومة للزحف: تحافظ TC4 على سلامتها الميكانيكية عند درجات حرارة مرتفعة (حتى 400°C للخدمة المستمرة)، ما يجعلها مناسبة لمكونات محركات الطائرات وأنظمة العادم.
قابلية لحام وتوافق حيوي: تدعم السبيكة لحام TIG/MIG وهي غير سامة، لذا تُستخدم في هياكل الطيران وكذلك في الأجهزة الطبية القابلة للزرع طويل الأمد.
تحديات وحلول التشغيل باستخدام CNC لـ Ti-6Al-4V (TC4)
تحديات التشغيل
موصلية حرارية منخفضة جدًا: بموصلية 6.7 واط/م·ك فقط، تتراكم الحرارة عند حافة القطع، ما يسرّع تدهور الأداة ويؤثر على الاستقرار البعدي.
تصلّب تشغيلي شديد: قد تتكوّن طبقة متصلبة بسرعة تحت مسار الأداة إذا كان حمل الرقاقة غير كافٍ، ما يتطلب تعشيقًا مستمرًا وسماكة رقاقة ثابتة.
تآكل مرتفع للأداة: تسبب الأطوار البينية الكاشطة وتكوّن الأكاسيد تقشر الحافة وتآكلًا حفريًا، خصوصًا عند التشغيل الجاف أو ضعف التبريد.
ارتداد مرن بسبب معامل المرونة: مع معامل مرونة 113.8 غيغاباسكال، تؤدي الانحرافات والاسترجاع المرن إلى تحديات في التفاوتات الضيقة، خاصة في الأجزاء رقيقة الجدران.
استراتيجيات التشغيل المُحسّنة
اختيار الأدوات
المعيار | التوصية | المبرر |
|---|---|---|
مادة الأداة | كربيد مطلي أو إدخالات سيراميكية | تتحمل درجات الحرارة العالية والتآكل الكاشط |
الطلاء | AlTiN أو TiSiN (PVD، 3–5 µm) | يحسن المقاومة الحرارية ويقلل الحافة المتراكمة (BUE) |
الهندسة | حافة حادة، ميل موجب (Positive rake) | يقلل قوة القطع وإدخال الحرارة |
سرعة القطع | 30–70 م/دقيقة (خشن)، 50–100 م/دقيقة (نهائي) | يقلل التصلب التشغيلي ويحافظ على عمر الأداة |
معدل التغذية | 0.05–0.25 مم/دورة | يحافظ على سماكة الرقاقة لتجنب التزجيج/التلميع |
سائل التبريد | سائل تبريد مستحلب بضغط 100–150 بار | يضمن طرد الرقائق والتحكم الحراري بفعالية |
معلمات قطع Ti-6Al-4V (TC4) (متوافقة مع ISO 3685)
العملية | السرعة (م/دقيقة) | التغذية (مم/دورة) | عمق القطع (مم) | ضغط سائل التبريد (بار) |
|---|---|---|---|---|
التشغيل الخشن | 20–30 | 0.15–0.25 | 2.0–3.0 | 70–100 (عبر الأداة) |
التشغيل النهائي | 50–80 | 0.05–0.10 | 0.2–0.5 | 100–150 |
المعالجة السطحية لأجزاء Ti-6Al-4V (TC4)
الكبس المتساوي الحرارة الساخن (HIP) يحسن عمر التعب عبر إزالة المسامية الداخلية، وهو أمر بالغ الأهمية لأوعية الضغط وأغلفة الطيران.
المعالجة الحرارية تتيح التعتيق والتخمير عند 700–850°C لتحسين مقاومة الشد وإزالة الإجهاد في الأجزاء عالية التحميل.
لحام السبائك الفائقة يوفر وصلات خالية من العيوب لتجميعات TC4 الخاصة بالطيران، مع استخدام سلك حشو (Ti-6Al-4V) مطابق لتركيب المعدن الأساس.
الطلاء الحاجز للحرارة (TBC) باستخدام طبقات خزفية من YSZ يعزز الحماية من الأكسدة في أجزاء المحرك أو العادم التي تعمل فوق 600°C.
التشغيل باستخدام CNC يضمن هندسيات دقيقة وتفاوتات أبعاد <±0.01 مم لأجزاء TC4 الخاصة بالطيران والقطاع الطبي.
التشغيل بالتفريغ الكهربائي (EDM) مثالي للثقوب الدقيقة والشقوق في TC4 عندما قد تُحدث الأدوات الميكانيكية تشققات حرارية.
حفر الثقوب العميقة يتيح قنوات بنسبة طول إلى قطر عالية (L/D) لحقّانات الوقود بقيم خشونة داخلية Ra ≤ 1.6 µm.
اختبارات المواد بما في ذلك التعب والصلادة وبنية SEM والفحص بالموجات فوق الصوتية، تتحقق من السلامة البنيوية لأجزاء TC4 الحرجة.
اختبارات وتحليل المواد
تشمل اختبارات Ti-6Al-4V التحقق من الصلادة وتحليل عمر التعب وخصائص الشد في درجات الحرارة العادية والمرتفعة، إضافةً إلى الفحص غير الإتلافي وفق معايير ASTM وISO الخاصة بالطيران.
التطبيقات الصناعية لـ Ti-6Al-4V (TC4)
الطيران: يُستخدم في مكونات المحركات ومعدات الهبوط والهياكل والوصلات بفضل نسبة الأداء إلى الوزن الممتازة.
الدفاع: يُصنَّع إلى صفائح تدريع وأغلفة صواريخ وهياكل طائرات بدون طيار تتطلب متانة خفيفة الوزن تحت الصدمات.
الطب: يُستخدم في غرسات العظام ومثبتات العمود الفقري وتركيبات الأسنان بفضل التوافق الحيوي والاندماج العظمي.
رياضة السيارات: مكونات مثل نوابض الصمامات وأنظمة التعليق والعادم تستفيد من مقاومة الإجهاد الحراري وخفة الوزن.
الطاقة: تستفيد شفرات التوربينات الغازية وأنابيب المبادلات الحرارية ومكونات المصانع الكيميائية من مقاومة TC4 للتآكل والزحف.
استكشف المدونات ذات الصلة
