Ti-6Al-4V (TC4)
टाइटेनियम Ti-6Al-4V (TC4) का परिचय
Ti-6Al-4V (TC4 या ग्रेड 5 टाइटेनियम) एक α-β टाइटेनियम मिश्रधातु है, जिसमें 6% एल्युमिनियम और 4% वैनेडियम के माध्यम से मजबूती बढ़ाई जाती है। यह सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली टाइटेनियम मिश्रधातु है क्योंकि इसमें उच्च शक्ति, उत्कृष्ट संक्षारण प्रतिरोध और अच्छी तापीय स्थिरता का बेहतरीन संयोजन मिलता है। अपनी श्रेष्ठ शक्ति-से-भार अनुपात (strength-to-weight ratio) के कारण TC4 का उपयोग एयरोस्पेस, डिफेंस, मोटरस्पोर्ट्स और मेडिकल उद्योगों में व्यापक रूप से किया जाता है।
इसके उच्च-प्रदर्शन गुणों के कारण TC4 उन महत्वपूर्ण घटकों के लिए एक पसंदीदा सामग्री है जिन्हें CNC मशीनिंग सेवाओं द्वारा तैयार किया जाता है। संतुलित यांत्रिक और तापीय गुणों के कारण TC4 से बने CNC-मशीन्ड टाइटेनियम पार्ट्स अत्यधिक ऑपरेटिंग परिस्थितियों में भी स्थिर और भरोसेमंद प्रदर्शन देते हैं।
Ti-6Al-4V (TC4) के रासायनिक, भौतिक और यांत्रिक गुण
रासायनिक संरचना (सामान्य)
तत्व | संरचना सीमा (wt.%) | मुख्य भूमिका |
|---|---|---|
टाइटेनियम (Ti) | शेष (~90) | संक्षारण प्रतिरोध के साथ बेस मैट्रिक्स |
एल्युमिनियम (Al) | 5.5–6.75 | α-स्टैबिलाइज़र, शक्ति बढ़ाता है |
वैनेडियम (V) | 3.5–4.5 | β-स्टैबिलाइज़र, टफनेस और हार्डनेबिलिटी बढ़ाता है |
लोहा (Fe) | ≤0.40 | अवशिष्ट; शक्ति को प्रभावित करता है |
ऑक्सीजन (O) | ≤0.20 | शक्ति बढ़ाता है, नम्यता को प्रभावित करता है |
कार्बन (C) | ≤0.08 | ग्रेन रिफाइनमेंट, घिसाव प्रतिरोध बढ़ाता है |
नाइट्रोजन (N) | ≤0.05 | अवशिष्ट तत्व, कठोरता बढ़ाता है |
हाइड्रोजन (H) | ≤0.015 | भंगुरता से बचने हेतु नियंत्रण आवश्यक |
भौतिक गुण
गुण | मान (सामान्य) | परीक्षण मानक/स्थिति |
|---|---|---|
घनत्व | 4.43 g/cm³ | ASTM B311 |
गलन सीमा | 1604–1660°C | ASTM E1268 |
तापीय चालकता | 6.7 W/m·K (100°C पर) | ASTM E1225 |
विद्युत प्रतिरोधकता | 1.71 µΩ·m (20°C पर) | ASTM B193 |
तापीय प्रसार | 8.6 µm/m·°C | ASTM E228 |
विशिष्ट ऊष्मा क्षमता | 560 J/kg·K (20°C पर) | ASTM E1269 |
लोच मापांक | 113.8 GPa | ASTM E111 |
यांत्रिक गुण (एनील्ड अवस्था)
गुण | मान (सामान्य) | परीक्षण मानक |
|---|---|---|
तन्यता शक्ति | 895–960 MPa | ASTM E8/E8M |
यील्ड शक्ति (0.2%) | 830–900 MPa | ASTM E8/E8M |
विस्तार | ≥10% | ASTM E8/E8M |
कठोरता | 330–360 HB | ASTM E10 |
क्रीप प्रतिरोध | उच्च | ASTM E139 |
थकान प्रतिरोध | उत्कृष्ट | ASTM E466 |
Ti-6Al-4V (TC4) की प्रमुख विशेषताएँ
उच्च शक्ति-से-भार अनुपात: TC4 लगभग 4.43 g/cm³ के कम घनत्व पर 960 MPa तक की तन्यता शक्ति दे सकता है, इसलिए यह एयरोस्पेस संरचनाओं, फास्टनर्स और परफॉर्मेंस पार्ट्स के लिए आदर्श है।
श्रेष्ठ संक्षारण और ऑक्सीकरण प्रतिरोध: टाइटेनियम ऑक्साइड की पैसिव परत क्लोराइड, मरीन और हल्के अम्लीय वातावरण में उत्कृष्ट प्रतिरोध देती है, तथा हवा में ~400°C तक स्थिर प्रदर्शन बनाए रखती है।
तापीय स्थिरता और क्रीप प्रतिरोध: TC4 उच्च तापमान पर (लगातार सेवा हेतु ~400°C तक) यांत्रिक अखंडता बनाए रखता है, जिससे यह जेट इंजन घटकों और एग्जॉस्ट सिस्टम्स के लिए उपयुक्त है।
वेल्डेबिलिटी और जैव-संगतता: यह मिश्रधातु TIG/MIG वेल्डिंग के लिए उपयुक्त है और गैर-विषैली है, इसलिए इसे एयरोस्पेस फ्रेम्स और दीर्घकालिक इम्प्लांटेबल मेडिकल डिवाइसेज़—दोनों में उपयोग किया जाता है।
Ti-6Al-4V (TC4) के लिए CNC मशीनिंग चुनौतियाँ और समाधान
मशीनिंग चुनौतियाँ
अत्यंत कम तापीय चालकता: केवल 6.7 W/m·K होने के कारण गर्मी कटिंग एज पर जमा होती है, जिससे टूल का तेजी से क्षरण और आयामी अस्थिरता होती है।
गंभीर वर्क हार्डनिंग: यदि चिप लोड अपर्याप्त हो, तो TC4 टूलपाथ के नीचे जल्दी हार्डन लेयर बना देता है; इसलिए निरंतर एंगेजमेंट और स्थिर चिप थिकनेस आवश्यक है।
उच्च टूल वियर: इंटरमेटालिक फेज़ और ऑक्साइड फॉर्मेशन टूल एज चिपिंग और क्रेटर वियर बढ़ाते हैं, खासकर ड्राई या कम-कूलेंट स्थितियों में।
लोच मापांक से उत्पन्न स्प्रिंगबैक: 113.8 GPa के कारण डिफ्लेक्शन और इलास्टिक रिकवरी टाइट-टॉलरेंस ऑपरेशंस में चुनौती बनती है, विशेषकर थिन-वॉल ज्योमेट्री में।
अनुकूलित मशीनिंग रणनीतियाँ
टूल चयन
पैरामीटर | सिफारिश | तर्क |
|---|---|---|
टूल सामग्री | कोटेड कार्बाइड या सेरामिक इंसर्ट | उच्च तापमान और एब्रैसिव वियर को सहन करता है |
कोटिंग | AlTiN या TiSiN (PVD, 3–5 µm) | थर्मल रेसिस्टेंस सुधारता है और BUE कम करता है |
ज्यामिति | तीक्ष्ण एज, पॉजिटिव रेक | कटिंग बल और हीट इनपुट कम करता है |
कटिंग स्पीड | 30–70 m/min (रफिंग), 50–100 m/min (फिनिशिंग) | वर्क हार्डनिंग घटाता है और टूल लाइफ बनाए रखता है |
फीड रेट | 0.05–0.25 mm/rev | ग्लेज़िंग से बचने हेतु चिप थिकनेस बनाए रखता है |
कूलेंट | इमल्सीफाइड कूलेंट 100–150 bar | चिप फ्लशिंग और थर्मल कंट्रोल सुनिश्चित करता है |
Ti-6Al-4V (TC4) कटिंग पैरामीटर (ISO 3685 अनुरूप)
ऑपरेशन | गति (m/min) | फीड (mm/rev) | कट की गहराई (mm) | कूलेंट दबाव (bar) |
|---|---|---|---|---|
रफिंग | 20–30 | 0.15–0.25 | 2.0–3.0 | 70–100 (थ्रू-टूल) |
फिनिशिंग | 50–80 | 0.05–0.10 | 0.2–0.5 | 100–150 |
Ti-6Al-4V (TC4) भागों के लिए सतह उपचार
हॉट आइसोस्टैटिक प्रेसिंग (HIP) आंतरिक पोरोसिटी हटाकर थकान आयु (fatigue life) बढ़ाता है, जो प्रेशर वेसल्स और एयरोस्पेस केसिंग्स के लिए महत्वपूर्ण है।
हीट ट्रीटमेंट 700–850°C पर एनीलिंग/एजिंग के माध्यम से तन्यता शक्ति और स्ट्रेस-रिलीफ को अनुकूलित करता है।
सुपरएलॉय वेल्डिंग TC4 एयरोस्पेस असेंबली के लिए दोष-मुक्त (defect-free) जॉइंट्स प्रदान करती है, जहाँ फिलर वायर (Ti-6Al-4V) बेस कम्पोज़िशन से मेल खाता है।
थर्मल बैरियर कोटिंग (TBC) (YSZ सेरामिक लेयर्स) 600°C से ऊपर ऑपरेट करने वाले इंजन/एग्जॉस्ट भागों में ऑक्सीकरण सुरक्षा बढ़ाती है।
CNC मशीनिंग TC4 एयरोस्पेस और मेडिकल-ग्रेड पार्ट्स के लिए <±0.01 mm तक की डाइमेंशनल टॉलरेंस के साथ सटीक ज्योमेट्री सुनिश्चित करती है।
इलेक्ट्रिकल डिस्चार्ज मशीनिंग (EDM) TC4 में माइक्रो-होल्स और स्लॉट्स के लिए उपयुक्त है, जहाँ मैकेनिकल टूल्स थर्मल क्रैक्स उत्पन्न कर सकते हैं।
डीप होल ड्रिलिंग फ्यूल इंजेक्टर्स के लिए हाई L/D रेशियो चैनल्स बनाने में सक्षम है, जहाँ आंतरिक Ra ≤1.6 µm प्राप्त किया जा सकता है।
सामग्री परीक्षण (थकान, कठोरता, SEM माइक्रोस्ट्रक्चर, अल्ट्रासोनिक फ्लॉ डिटेक्शन) TC4 क्रिटिकल पार्ट्स की संरचनात्मक अखंडता सत्यापित करता है।
सामग्री परीक्षण और विश्लेषण
Ti-6Al-4V परीक्षण में कठोरता सत्यापन, थकान आयु विश्लेषण, कमरे के तापमान तथा ऊँचे तापमान पर तन्यता गुण, और ASTM/ISO एयरोस्पेस मानकों के अनुरूप नॉन-डिस्ट्रक्टिव इंस्पेक्शन शामिल होते हैं।
Ti-6Al-4V (TC4) के औद्योगिक अनुप्रयोग
एयरोस्पेस: इंजन कंपोनेंट्स, लैंडिंग गियर, स्ट्रक्चरल फ्रेम्स और एयरफ्रेम कनेक्टर्स में उपयोग, उत्कृष्ट प्रदर्शन-से-भार अनुपात के कारण।
डिफेंस: आर्मर प्लेट्स, मिसाइल केसिंग्स और UAV स्ट्रक्चर्स में निर्माण, जहाँ इम्पैक्ट के तहत हल्का और टिकाऊ प्रदर्शन चाहिए।
मेडिकल: ऑर्थोपेडिक इम्प्लांट्स, स्पाइनल हार्डवेयर और डेंटल प्रोस्थेटिक्स में उपयोग, जैव-संगतता और ऑसियोइंटीग्रेशन के कारण।
मोटरस्पोर्ट्स: वॉल्व स्प्रिंग्स, सस्पेंशन सिस्टम्स और एग्जॉस्ट जैसे भागों में उपयोग, जहाँ थर्मल फटीग रेसिस्टेंस और हल्का टिकाऊपन चाहिए।
ऊर्जा: गैस टर्बाइन कंपोनेंट्स, हीट एक्सचेंजर ट्यूब्स और केमिकल प्लांट भागों में उपयोग, संक्षारण और क्रीप प्रतिरोध के कारण।
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