כמה קשה סגסוגת טיטניום?
בלהבי מנועי תעופה וחלל, בגוף הלחץ של בדיקות ים-עמוקות ובמבנים המורכבים של מפרקים מלאכותיים, סגסוגות טיטניום, עם מאפייני הקשיות הייחודיים שלהן, תומכות בדרישות הקיצוניות של התעשייה המודרנית. לחומר הזה, המכונה "מתכת חלל", אין ערך מספרי אחד לקשיות, אלא שטיח מורכב שנארג מהרכב סגסוגת, מיקרו-מבנה ותהליכי טיפול בחום. מהרכות של טיטניום טהור תעשייתי ועד לקשיחות של סגסוגת טיטניום TC4, המגוון הרחב של קשיות סגסוגת טיטניום חושף את פריצות הדרך המתמשכות במדעי החומרים לעבר גבולות הביצועים.
הקשיות של סגסוגות טיטניום נובעת ממבנה הגביש שלהן ומעיצוב הסגסוגת שלהן. טיטניום טהור מציג מבנה משושה (HCP) צמוד- בטמפרטורת החדר, וכתוצאה מכך קשיות ראשונית נמוכה יחסית; קשיות ויקרס של טיטניום טהור תעשייתי היא בדרך כלל בטווח של 70-120 HV. כאשר מוסיפים יסודות סגסוגת כגון אלומיניום ונדיום, הרכב הפאזה של סגסוגות טיטניום עובר שינוי מהותי: -היסוד המייצבי אלומיניום מקדם את היציבות של מבנה ה-HCP, בעוד שהאלמנט המייצב ונדיום מרחיב את טווח הטמפרטורות היציב של המבנה המעוקב-הגוף (BCC). אם לוקחים את TC4 (Ti-6Al-4V) כדוגמה, קשיות החישול שלו יכולה להגיע ל-32-38 HRC, ולאחר טיפול ההזדקנות, ניתן להגדיל אותה עוד יותר ל-36-44 HRC. קפיצת קשיות זו מקורה במבנה ה"דמוי נוצה" הנוצר על ידי סידור לסירוגין של עדין ופאזות, אשר מעכב למעשה את תנועת הנקע.
טיפול בחום הוא המפתח לשליטה בקשיות של סגסוגות טיטניום. טיפול בתמיסה ממיס את השלב בטמפרטורות גבוהות, ואחריו קירור מהיר לקבלת תמיסה מוצקה על-רוויה, מה שמניח את הבסיס להתקשות הגיל הבאה. לאחר טיפול בתמיסה ב-950 מעלות, סגסוגת טיטניום TC4 עוברת יישון ב-550 מעלות למשך 4 שעות, ומגדילה את הקשיות שלה מ-32 HRC במצב חישול ל-42 HRC. עלייה זו נובעת ממשקעים אחידים של שלבים ננומטריים במטריצה. עבור סגסוגות טיטניום מסוג -כגון TB6, טיפול קריוגני (-196 מעלות ) יכול לגרום לשינוי פאזה מרטנסיטית, להגדיל את הקשיות מ-38 HRC ל-45 HRC תוך שמירה על התארכות של למעלה מ-12%. האיזון הזה בין קשיות וקשיחות הופך אותו לבחירה אידיאלית עבור רכיבים נושאי-עומס- גבוהים כגון ציוד נחיתה. טכנולוגיות טיפול פני השטח פתחו מימדים חדשים עבור הקשיות של סגסוגות טיטניום. השתלת יונים יכולה ליצור שכבת טיטניום ניטריד בעובי 0.5 מיקרומטר על פני השטח TC4, להגדיל את קשיות פני השטח מ-400HV ל-1200HV ולשפר את עמידות הבלאי ביותר מפי שלושה. טכנולוגיית חיפוי לייזר, על ידי היתוך של ציפוי מחוזק TiC-על פני השטח של סגסוגת טיטניום TA15, משיגה קשיות מקומית של 60HRC, העומדת בדרישות העמידות בפני שחיקה של כלי קידוח. בתחום הביו-רפואי, ראשי מפרקים מלאכותיים מצופים טיטניום ניטריד- משיגים לא רק קשיות העולה על 2000HV אלא גם מפחיתים את קצב הבלאי ל-1/10 מזה של סגסוגות קובלט-כרום, מה שמאריך משמעותית את אורך חיי השתל.
יישומים שונים מציבים דרישות משתנות לקשיות של סגסוגות טיטניום. תעשיית התעופה והחלל דורשת חומרים כדי לשמור על קשיות מעל HRC40 תוך חוזק-טמפרטורות גבוה מעל 600 מעלות. סגסוגת טיטניום TC18 משיגה מטרה זו באמצעות תהליך חישול כפול, תוך שמירה על קשיות יציבה של 42HRC וחוזק זחילה של 350MPa ב-650 מעלות. הנדסה ימית דורשת חומרים כדי לשמור על יציבות קשיות בסביבות מי ים. סגסוגת טיטניום TA17, בתוספת של 0.1% פלדיום, הראתה רק ירידה של 5% בקשיות לאחר טבילה בתמיסת 3.5% NaCl למשך 1000 שעות, עדיפה בהרבה מהירידה של 20% שרואים בסגסוגות טיטניום רגילות. באלקטרוניקה לצרכן, סגסוגות טיטניום מסוג -, באמצעות עיוות גלגול קר, משיגות קשיות- גבוהה במיוחד העולה על 800 HV תוך שמירה על קיבולת מתח אלסטי של 20%, ועומדות בדרישות המחמירות של צירי טלפון מתקפלים למסך.
מהים העמוק לחלל העמוק, מגוף האדם למכונות, מאפייני הקשיות של סגסוגות טיטניום ממשיכות להרחיב את גבולות היישום של חומרים. כאשר להבי מנוע העשויים מסגסוגת טיטניום TC4 שומרים על יציבות קשיות של 1500 מעלות, כאשר שתלים מצופים בטיטניום ניטריד מציגים עמידות לבלאי-לטווח ארוך בסביבת גוף האדם, וכאשר רכיבים מבניים מסגסוגת טיטניום מודפסים בתלת-ממד משיגים התאמה מדויקת של הגיאומטריות המורכבות והקשיחות המורכבות, לא רק החומרים התקיפים והקשיות, הגעתו של עידן- בעל ביצועים גבוהים המשולבים עמוק עם סגסוגות טיטניום. עם השילוב של טכנולוגיות חדשות כמו ייצור תוסף וטיפול חום מושכל, בקרת הקשיות של סגסוגות טיטניום תיכנס לעידן של דיוק ברמה-מולקולרית, ויספק תמיכה חומרית מוצקה יותר לאנושות לחקור את הלא נודע.
