מה הסיבה שקשה לרתך סגסוגת טיטניום ואלומיניום?

סגסוגת טיטניום היא חומר קל משקל, בעל חוזק גבוה ועמיד בפני קורוזיה. בשל תכונותיו המצוינות, הוא נמצא בשימוש נרחב בתעופה וחלל, ציוד רפואי, תעשייה כימית ותחומים אחרים. עם זאת, ביצועי הריתוך של סגסוגות טיטניום גרועים יחסית, בעיקר מהסיבות הבאות:
היווצרות שכבת תחמוצת:שכבת תחמוצת מוצקה נוצרת בקלות על פני השטח של סגסוגת טיטניום. שכבת תחמוצת זו לא רק מגבירה את הקושי במהלך תהליך הריתוך, אלא גם מפחיתה את חוזק הריתוך. לפני הריתוך, נדרשות בדרך כלל כמה שיטות טיפול מוקדם מיוחדות, כגון כבישה או ליטוש מכני, כדי להסיר את שכבת התחמוצת ובכך לשפר את ביצועי הריתוך.
מוליכות תרמית נמוכה:המוליכות התרמית של סגסוגת טיטניום נמוכה יחסית, וכתוצאה מכך שיפוע טמפרטורה גדול ליד הריתוך, שעלול לגרום בקלות לעיוות ריתוך ולסדקים. על מנת להפחית את שיפוע הטמפרטורה, לעיתים קרובות יש צורך לנקוט באמצעים כגון חימום מוקדם ובקרה על מהירות הריתוך, מה שמגביר את מורכבות תהליך הריתוך.
רגישות למימן:סגסוגת טיטניום רגישה למימן וסופגת בקלות מימן במהלך תהליך הריתוך, וכתוצאה מכך להתפרקות מימן. שבירות המימן עלולה לגרום לשבר שביר של מפרקים מרותכים, ולכן יש לנקוט באמצעים מסוימים, כגון שליטה בתכולת המימן בסביבת הריתוך, כדי להפחית את הסיכון לשבירות מימן.

פירוק סלקטיבי:סגסוגת טיטניום נוטה להתמוססות סלקטיבית עם כמה אלמנטים מתכתיים בטמפרטורות גבוהות, ויוצרת שלב שביר, המשפיע על הביצועים של מפרקים מרותכים. לכן, יש להקדיש תשומת לב מיוחדת להימנעות מהתמוססות סלקטיבית זו בעת בחירת חומרי ריתוך ותהליכי ריתוך.
נקודת התכה גבוהה:נקודת ההיתוך הגבוהה יחסית של סגסוגות טיטניום דורשת טמפרטורות גבוהות לתהליך הריתוך, ובכך מגדילה את צריכת האנרגיה ודרישות ציוד הריתוך.
על מנת לפתור בעיות אלו, ריתוך סגסוגות טיטניום מצריך בדרך כלל שימוש בתהליכי ריתוך מיוחדים, לרבות ריתוך מוגן גז אינרטי, ריתוך קרן אלקטרונים, ריתוך לייזר וטכנולוגיות ריתוך מתקדמות אחרות. בנוסף, בחירת חומרי ריתוך מתאימים, שליטה בפרמטרים של ריתוך ואימוץ שיטות טיפול מקדים הם גם אמצעים חשובים לשיפור איכות הריתוך של סגסוגות טיטניום.

לסיכום, הסיבות לכך שקשה לרתך סגסוגת טיטניום ואלומיניום הן כדלקמן:
1. אלומיניום וטיטניום מגיבים בקלות עם חמצן
⑴ אלומיניום מגיב עם חמצן ליצירת Al2O3 (סרט תחמוצת) צפוף ועמיד עם נקודת התכה של עד 2050 מעלות, מה שמפריע לשילוב של שני חומרי הבסיס והופך את הריתוך לנטייה לתכלילים.
⑵טיטניום מתחיל להתחמצן ב-600 מעלות. ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, החמצון יהיה חמור יותר, יצירת TiO2 (טיטניום דו-חמצני), יצירת שכבת ביניים שבירה בריתוך, הפחתת הפלסטיות והקשיחות.
2. אלומיניום וטיטניום מגיבים בצורה שונה בטמפרטורות שונות
⑴. ב-1460 מעלות, אלומיניום וטיטניום יוצרים תרכובת TiAl (טיטניום אלומיניד) המכילה 36.03% חלק מסה מאלומיניום, מה שמגביר את שבירות המתכת.
⑵ אלומיניום וטיטניום יוצרים תרכובת TiAl3 (טיטניום trialuminide) המכילה 60% עד 64% חלק מסה מאלומיניום ב-1340 מעלות.
⑶ לאחר המסת אלומיניום וטיטניום, כאשר חלק המסה של טיטניום הוא 0.15%, נוצרת תמיסה מוצקה של טיטניום באלומיניום.
3. המסיסות ההדדית של אלומיניום וטיטניום קטנה מאוד
⑴ב-665 מעלות, המסיסות של טיטניום באלומיניום היא 0.26%~0.28%. ככל שהטמפרטורה יורדת, המסיסות יורדת.
⑵כשהטמפרטורה יורדת ל-20 מעלות, המסיסות של טיטניום באלומיניום יורדת ל-0.07%, מה שמקשה על שילוב שני חומרי הבסיס.
המסיסות של האלומיניום בטיטניום מוגבלת יותר, מה שמקשה מאוד על יצירת ריתוכים בין שני חומרי הבסיס.
4. אלומיניום וטיטניום בעלי ספיגת מים חזקה בטמפרטורות גבוהות.
⑴ אלומיניום נוזלי יכול להמיס כמות גדולה של מימן, אך הוא כמעט בלתי מסיס במצב מוצק. כאשר הריתוך מתמצק, למימן אין זמן לברוח וליצור נקבוביות.
⑵מימן מסיסות גבוהה בטיטניום. בטמפרטורות נמוכות, מימן מצטבר בנקבוביות, מפחית את הפלסטיות והקשיחות של הריתוך וגורם בקלות לסדקים שבירים.
5. אלומיניום יוצר תרכובות שבירות עם טיטניום וזיהומים אחרים
⑴. התחמוצת הנוצרת מאלומיניום וחמצן מגבירה את שבירות המתכת ומקשה על הריתוך.
⑵טיטניום וחנקן יוצרים טיטניום ניטריד, מה שמפחית את הפלסטיות של המתכת.
⑶טיטניום ופחמן יוצרים קרבידים. כאשר חלק המסה של הפחמן גדול מ-0.28%, יכולת הריתוך של שתי המתכות הבסיסיות תתדרדר משמעותית.
6. אלומיניום וטיטניום מגיבים בצורה שונה בטמפרטורות שונות
⑴המוליכות התרמית של אלומיניום וטיטניום שונה מאוד. אלומיניום (206.9W·m-2·K-1) גדול פי 16 בערך מטיטניום (13.8W·m-2·K-1).
⑵מקדמי ההתפשטות הליניאריים של אלומיניום וטיטניום שונים מאוד, ואלומיניום גדול בערך פי 3 מטיטניום. נוטה להיסדק תחת לחץ.
7. יסודות הסגסוגת באלומיניום ובטיטניום נשרפים ומתאדים
⑴כאשר אלומיניום או סגסוגת אלומיניום נמסים, אלמנטים עם נקודות התכה נמוכות ממנו, כגון מגנזיום, אבץ וכו', מתחילים להישרף או להתאדות.
⑵ כאשר מגיעים לנקודת ההיתוך של טיטניום או סגסוגת טיטניום (1677 מעלות), אלמנטים מסגסוגת כגון אלומיניום נשרפים ומתאדים יותר, וכתוצאה מכך הרכב כימי לא אחיד של הריתוך וחוזק מופחת.