كم عدد درجات سبائك التيتانيوم؟ تذكر الأدبيات رقماً: أكثر من 100. منها 40–50 تُستخدم فعلياً في الصناعة، واثنتا عشرة فقط أو نحو ذلك شائعة الاستخدام. مع هذا العدد الكبير من السبائك، لن يوصلك حفظ تسميات الدرجات وحدها إلى هناك أبداً. لذلك فعل علماء المعادن أبسط شيء ممكن — صنّفوها حسب البنية المجهرية.

تشير "البنية المجهرية" هنا إلى أي بنية بلورية تهيمن فعليًا في سبيكة التيتانيوم عند درجة حرارة الغرفة: طور ألفا السداسي المتراص، أو طور بيتا المكعب مركزي الجسم، أو مزيج من كليهما. لا تستهن بهذا التصنيف — فالبنية المجهرية عند درجة حرارة الغرفة تحدد بشكل أساسي ما إذا كانت السبيكة تُلحم جيدًا، ويمكن تشكيلها على البارد، وتقاوم درجات الحرارة العالية، وإلى أي مدى يمكن أن تصل قوتها. يمكن القول إن البنية المجهرية هي الطابع الفطري للتيتانيوم.

اليوم سنقوم بتصنيف المدارس الأربع لسبائك التيتانيوم — α، وشبه α، وα+β، وβ — دفعة واحدة. في المعيار الوطني الصيني يستخدمون البادئات TA، وTC، وTB على التوالي (التيتانيوم النقي تجاريًا ونوع α يستخدمان TA؛ ونوع α+β يستخدم TC؛ ونوع β يستخدم TB)، متبوعة برقم تسجيل، مثل TA7، وTC4، وTB2.

خذ دقيقة لتتذكر المنطق الأساسي الذي تمت تغطيته سابقًا. يخضع التيتانيوم لتحول تآصلي عند 882 °م: عند درجة حرارة عالية يكون طور β المكعب مركزي الجسم، وعند درجة حرارة منخفضة يكون طور α السداسي متراص. إضافة عناصر السبك تغير مجالات تأثير هذين الطورين:

•      α-stabilizing elements (aluminum, oxygen, nitrogen, etc.) expand the α

مجال الطور، مما يجعل البنية المجهرية عند درجة حرارة الغرفة predominantly α؛

• عناصر مثبتة لطور β (الموليبدينوم، الفاناديوم، النيوبيوم، الحديد،

الكروم، إلخ)

توسيع مجال طور β؛ أضف ما يكفي منها ويمكن الاحتفاظ بطور β

حتى عند درجة حرارة الغرفة؛

• أضف كليهما، مع نسبة طور β تتراوح بين 10%–50%، وستحصل على

سبيكة ثنائية الطور α+β.

وبالتالي، عند الترتيب حسب محتوى طور β عند درجة حرارة الغرفة من الأقل إلى الأعلى، تنقسم سبائك التيتانيوم بشكل طبيعي إلى أربع مدارس: α (α بالكامل تقريبًا) → قريبة من α (β لا يتجاوز 10%) → α+β (β بين 10%–50%) → β (β كامل عند درجة حرارة الغرفة). هذا الخط هو في الأساس خط تزايد المكافئ الموليبديني من الأقل إلى الأعلى.

وطبائع طوري α و β متباعدة جدًا: طور α سداسي متراص مع عدد قليل من أنظمة الانزلاق، مما يمنحه قوة عالية ومقاومة لدرجات الحرارة العالية ومقاومة للتآكل وقابلية جيدة للحام — لكنه صعب التشكيل على البارد. طور β مكعب مركزي الجسم مع العديد من أنظمة الانزلاق، لذا فهو طري ومتين وسهل التشكيل على البارد ويمكن تقويته بشكل كبير بالمعالجة الحرارية. أيًا كان الطور السائد، تتبع السبيكة طبعه.

تحتوي سبائك التيتانيوم α بشكل رئيسي على عناصر مثبتة لطور α، وفي حالة درجة حرارة الغرفة المستقرة تكون أساسًا 100% طور α. والممثلون هم التيتانيوم النقي تجاريًا (TA0، TA1، TA2، TA3) و TA7 (Ti-5Al-2.5Sn).

الكلمات المفتاحية المميزة لهذه المدرسة: مقاومة للتآكل، قابلة للحام بسهولة، قابلية جيدة للتشكيل الساخن — لكنها غير قابلة للمعالجة الحرارية للتقوية، ومنخفضة نسبيًا في القوة، ومتوسطة فقط في قابلية التشكيل البارد.

نظرًا لأن البنية المجهرية هي طور α أحادي الطور بتركيب متجانس وبدون أي من التعقيدات الناتجة عن التحولات الطورية، فإن سبائك α تمتلك أفضل أداء لحام بين سبائك التيتانيوم — إذ يمكن أن يقترب معامل قوة الوصلة الملحومة من 100%. وبسبب كونها أحادية الطور ولا يمكن تقويتها من خلال التحول الطوري، فإن قوتها تأتي بشكل رئيسي من العناصر البينية (الأكسجين والنيتروجين) والتقوية بالمحلول الصلب للألمنيوم والقصدير، لذا فإن سقفها ليس عاليًا.

تشير الأدبيات تحديدًا إلى أن سبائك α تُستخدم بشكل أساسي في الصناعات الكيميائية والبتروكيميائية وصناعات العمليات، حيث لا يكون الاعتبار الأول هو القوة بل مقاومة التآكل وقابلية التشكيل. لذلك يُعد التيتانيوم النقي تجاريًا (TA0–TA3) الخيار الأول، وكذلك النسخ المعززة المقاومة للتآكل مثل TA9 المحتوي على البلاديوم (Ti-0.2Pd) وTA10 (Ti-0.3Mo-0.8Ni) مع إضافات صغيرة من الموليبدينوم والنيكل — وهذه هي العلاج المحدد لحمض الهيدروكلوريك الساخن وحمض الكبريتيك والأحماض الأخرى شديدة الاختزال، وهي المادة الأساسية للمفاعلات والمبادلات الحرارية وأنابيب التوصيل ومعدات الكلور والقلويات.

في جملة واحدة: مدرسة α لا تسعى إلى القوة الغاشمة؛ بل تسعى إلى "عدم الصدأ أبدًا، واللحام السليم، والأداء المستقر مدى الحياة".

تضيف سبائك التيتانيوم القريبة من α كميات صغيرة من العناصر المثبتة لطور β على قاعدة α؛ في البنية المجهرية الملدنة، لا يتجاوز طور β أو المركبات بين الفلزية عمومًا 10%. لا تحتقر هذه النسبة الأقل من 10% من طور β: فهي تتيح للسبيكة، مع الحفاظ على مقاومة مدرسة α لدرجات الحرارة العالية وقابلية اللحام، رفع القوة عند درجات الحرارة العالية ومقاومة الزحف إلى مستوى أعلى.

توجد هذه المدرسة تقريبًا بالكامل من أجل الأجزاء الساخنة في محركات الطائرات. تذكر الأدبيات ثلاثة ممثلين:

– TA11 (Ti-8Al-1Mo-1V): تم تطويره في الولايات

المتحدة، مخصص للخدمة في درجات الحرارة العالية. لكن محتواه من الألومنيوم يصل

إلى 8%، مما يجلب مشاكل التآكل الإجهادي بالملح الساخن — فهو عرضة

للتشقق في البيئات المحتوية على الملح عند درجات الحرارة العالية.

– TA15 (Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr): هذا هو سبيكة BT20

الروسية. إنها "سبيكة مشابهة" لـ TA11، لكنها تخفض الألومنيوم بذكاء وتضيف

الزركونيوم، مما يحافظ على مقاومة الحرارة مع تحسين سلوك التآكل الإجهادي بالملح الساخن.

إنها سبيكة تيتانيوم كلاسيكية لدرجات الحرارة العالية للخدمة طويلة الأمد

عند حوالي 500 درجة مئوية، يُستخدم على نطاق واسع في هياكل الطائرات وأجزاء المحركات

الحاملة للأحمال.

– TA13 (Ti-2.5Cu): سبيكة IMI230 البريطانية، من

النوع "α + مركب"، مقواة بترسيب Ti₂Cu — واحدة من القلائل

من سبائك قريبة من α التي يمكن تقويتها بالمعالجة الحرارية.

المدرسة القريبة من α لديها أيضًا ركيزة معاصرة — TA19 (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo، التسمية الدولية Ti-6242S). مع مصفوفة α بالإضافة إلى القصدير والزركونيوم والموليبدينوم والسيليكون النزري، يمكن أن تصل درجة حرارة الخدمة طويلة الأمد إلى 550 درجة مئوية؛ يمكن الحفاظ على انفعال الزحف عند 550 درجة مئوية على مدى 100 ساعة ضمن 0.1%، بينما تحتفظ بقابلية اللحام الجيدة لمدرسة α (يمكن أن يصل معامل قوة الوصلة الملحومة بقوس الأرجون إلى 100%). اليوم تُستخدم في أغلفة ضواغط الضغط العالي للمحركات الجوية، والريش، والأقراص المدمجة، حيث تحل محل السبائك الفائقة القائمة على النيكل في المحركات المحلية وفي الهياكل المرتبطة بـ C919/C929، مما يحقق تخفيضات في الوزن بنسبة 25%–30% (وفقًا للبيانات الفنية من Litai Metal وKehui Titanium).

فلسفة تصميم مدرسة شبه-α واضحة جدًا: الحفاظ على طور β بنسبة ضئيلة جدًا (أقل من 10%)، والاحتفاظ بمصفوفة α المقاومة لدرجات الحرارة العالية بالكامل تقريبًا، واستخدام عناصر مثل القصدير والزركونيوم والموليبدينوم والسيليكون لتقوية المحلول الصلب ومقاومة الزحف عند درجات الحرارة العالية. إنه الحل الأمثل لـ "الحاجة إلى مقاومة الحرارة، بالإضافة إلى قابلية اللحام، بالإضافة إلى قوة أكبر قليلاً".

تحتوي سبائك التيتانيوم α+β على كمية كبيرة نسبيًا من العناصر المثبتة لطور β؛ في درجة حرارة الغرفة يتواجد الطوران α و β معًا، مع محتوى β يتراوح عمومًا بين 10% و50%. هذه هي المدرسة الأكثر أهمية والأكثر استخدامًا بين سبائك التيتانيوم.

كلماتها المفتاحية: قوة متوسطة، قابلة للمعالجة الحرارية للتقوية، أداء شامل ممتاز — لكن قابلية اللحام ضعيفة نسبيًا.

نظرًا لوجود مرحلتين، يمكن "ضبط" سبائك α+β على نطاق واسع بين القوة واللدونة والمتانة من خلال تعديل المعالجة الحرارية (المعالجة بالمحلول + التعتيق / التلدين المزدوج) ونسبة الطورين — وهو أمر لا يمكن لسبائك α أحادية الطور القيام به. في الجدول 6-1، تمتلك هذه المدرسة تشكيلة فاخرة:

– TC1 (Ti-2Al-1.5Mn): حالة مُلدَّنة، تكلفة منخفضة،

قابلية تشكيل جيدة؛

– TC4 (Ti-6Al-4V): حالة مُلدَّنة،

النجم المطلق؛

– TC6 (Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.35Si): مُلدَّن مزدوج؛

– TC10 (Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Cu-0.5Fe): مُلدَّن

الحالة، قوة أعلى؛

– TC11 (Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si): مُلدَّن مزدوج،

نوع مقاوم للحرارة.

يجب قول بضع كلمات إضافية عن TC4: تم تطوير Ti-6Al-4V بنجاح من قبل ترسانة ووترتاون في الولايات المتحدة عام 1954 ويُستخدم على نطاق واسع في صناعة الطيران والفضاء؛ وتمثل منتجاته 55%–65% من إجمالي إنتاج سبائك التيتانيوم، ويمكن إنتاجه كمطروقات طيران كبيرة الحجم من كل نوع. يتمتع بأداء شامل ممتاز، وهو الأكثر بحثًا بشكل مستفيض، والأطول خدمة، والأوسع نطاقًا في التطبيقات — "بعد نصف قرن من ولادته لا يزال يحتفظ بحيوية نابضة."

وهو أيضًا مواطن دولي "من درجة واحدة يجول العالم"، وله درجة مقابلة في كل بلد:

• الصين: TC4

• قسم Timet، الولايات المتحدة الأمريكية: Ti-6Al-4V؛ Reactive Metals Inc.، الولايات المتحدة الأمريكية:

RMI 6Al-4V؛ الموافق لـ ASTM Grade 5

• المملكة المتحدة، IMI: IMI 318

• روسيا: BT6

• اليابان، سوميتومو: ST-A140

• فرنسا: TA6V

• ألمانيا، كروب: LT31

لماذا يستخدمه العالم كله؟ 6% من الألومنيوم يثبّت α و4% من الفاناديوم يثبّت β، مما يعطي نسبة طورين مناسبة تمامًا — قوة عالية بما يكفي (قوة شد بعد التلدين ≥ 895 ميجاباسكال)، ليونة جيدة بما يكفي، مقاومة للتآكل، قابلية للحام (وإن لم تكن بجودة سبائك α)، قابلية للمعالجة الحرارية، وتوافق حيوي: لا يكاد يكون له عيوب. إنه "الطالب المتفوق في جميع المواد" لسبائك التيتانيوم.

ومع ذلك، يشير الكتاب المدرسي أيضًا إلى نقطة الضعف لدى عائلة α+β: قابلية لحام ضعيفة نسبيًا. لأنه تحت التسخين والتبريد السريعين أثناء اللحام، يخضع طور β في البنية المجهرية ثنائية الطور لتحول مارتنسيتي، مما يجعل الوصلة عرضة للتقصف وفقدان الليونة. لهذا السبب، غالبًا ما تُفضّل الأجزاء الملحومة الحرجة سبائك α / شبه α، أو تتطلب معالجة حرارية مخصصة بعد اللحام.

تحتوي سبائك التيتانيوم β على ما يكفي من العناصر المثبتة لطور β بحيث يمكن أن تكون البنية المجهرية عند درجة حرارة الغرفة طور β بالكامل، وذلك عند معدل تبريد مناسب. ويقسمها الكتاب المدرسي كذلك إلى فئتين: سبائك التيتانيوم β القابلة للمعالجة الحرارية (β شبه المستقرة) وسبائك التيتانيوم β المستقرة حرارياً.

تتمتع هذه المدرسة بأكثر الخصائص "انقساماً" وأكثرها إثارة للإعجاب:

بعد التبريد السريع، تصبح سبائك β شبه المستقرة طورًا β ناعمًا أحاديًا عند درجة حرارة الغرفة، مع لدونة تصنيع ممتازة؛ يمكن تشكيل الصفائح على البارد وثنيها على البارد وسحبها على البارد تمامًا مثل سبائك الألومنيوم، ويمكن أن يقترب نصف قطر الانحناء من 0.5 مرة من سمك الصفيحة (عادةً ما يحتاج α+β TC4 إلى 3–4 مرات من سمك الصفيحة ولا يزال عرضة للتشقق). بالنسبة للأجزاء المعدنية الصفائحية ذات الأشكال المعقدة، والنوابض، والمثبتات، فهذه أخبار رائعة للغاية.

بعد التشكيل، تسمح المعالجة بالتعتيق لطور α النانوي بالترسب المشتت من مصفوفة β، ويمكن أن تصل القوة إلى مقاومة شد عند درجة حرارة الغرفة تبلغ 1,300–1,400 ميجاباسكال — وهي الأعلى بين المدارس الأربع.

الممثل في الجدول 6-1 من الكتاب المدرسي هو TB2 (Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al)، الذي تُوصف حالته بأنها "مُطفأ / مُطفأ ومُعتّق" — وهو النموذج الأمثل لـ "شكّله طرياً أولاً، ثم صلّبه بالتعتيق".

التطبيقات الكلاسيكية لعائلة بيتا هي النوابض والمثبتات. خذ سبيكة بيتا سي الشهيرة (Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr، الدرجة الأمريكية 19): طُوِّرت في الستينيات لتحل محل Ti-13V-11Cr-3Al صعبة المعالجة، وهي شديدة الطراوة في حالة المعالجة بالمحلول ويمكن لفّها على البارد لتشكيلها؛ وبعد التعتيق يمكن أن تصل مقاومة الشدّ لديها إلى 1,100–1,200 ميغاباسكال. وبكونها أخفّ من نوابض الفولاذ بنسبة 40%–50% ومع كثافة تخزين طاقة أعلى، تُستخدم على نطاق واسع في نوابض معدات الهبوط في الطائرات، ونوابض الصمامات عالية الأداء، والمكوّنات عالية القوة المقاومة للتآكل لآبار النفط والغاز (التي تلبي متطلبات NACE MR0175 لبيئات H₂S الحمضية). حتى أن ناسا تحققت، في مهمة إعادة عيّنات من المريخ، من أن نوابض بيتا سي ظلت موثوقة بعد 3,000 دورة عند درجة حرارة منخفضة في الفضاء السحيق تبلغ −135 °م (وفقًا للتقارير الفنية لناسا وبيانات Titanium Industries).

الثمن الذي تدفعه مدرسة بيتا: العديد من عناصر السبك (الموليبدينوم والفاناديوم والكروم كلها مكلفة)، وكثافة عالية نسبيًا، وتكلفة مرتفعة، وحساسية لممارسات المعالجة الحرارية. لذلك تُستخدم حيث تكون "الأداء يستحق دفع الثمن".

بمجرد أن تفهم هذا الجدول، تكون قد أمسكت بـ"المبادئ الأولى" لاختيار سبائك التيتانيوم: لمقاومة التآكل وقابلية اللحام اختر α؛ لمقاومة درجات الحرارة العالية اختر near-α؛ للأداء الشامل اختر α+β (مع TC4 كخيار آمن افتراضي)؛ لقابلية التشكيل البارد مع القوة الفائقة اختر β.

من حرارة Ti-6Al-4V في ووترتاون أرسنال عام 1954 إلى سبائك بيتا تيتانيوم من فئة 1,400 ميجاباسكال المصممة بالذكاء الاصطناعي اليوم، ما يتغير هو أرقام القوة وعمليات التصنيع — وما لا يتغير هو هذا المنطق الأساسي للتصنيف حسب البنية المجهرية. بين المدارس الأربع لا يوجد عالٍ أو منخفض، ولا نبيل أو وضيع؛ يوجد فقط "استخدامه في المكان المناسب".