ما هو سبب صعوبة لحام سبائك التيتانيوم والألومنيوم؟

سبائك التيتانيوم هي مادة خفيفة الوزن وعالية القوة ومقاومة للتآكل. نظرا لخصائصه الممتازة، فإنه يستخدم على نطاق واسع في مجال الطيران والمعدات الطبية والصناعات الكيماوية وغيرها من المجالات. ومع ذلك، فإن أداء اللحام لسبائك التيتانيوم ضعيف نسبيًا، ويرجع ذلك أساسًا إلى الأسباب التالية:
تشكيل طبقة الأكسيد:يتم تشكيل طبقة أكسيد صلبة بسهولة على سطح سبائك التيتانيوم. لا تزيد طبقة الأكسيد هذه من الصعوبة أثناء عملية اللحام فحسب، بل تقلل أيضًا من قوة اللحام. قبل اللحام، عادة ما تكون هناك حاجة إلى بعض طرق المعالجة المسبقة الخاصة، مثل التخليل أو التلميع الميكانيكي، لإزالة طبقة الأكسيد وبالتالي تحسين أداء اللحام.
الموصلية الحرارية المنخفضة:الموصلية الحرارية لسبائك التيتانيوم منخفضة نسبيًا، مما يؤدي إلى تدرج كبير في درجة الحرارة بالقرب من اللحام، مما قد يتسبب بسهولة في تشوه اللحام والشقوق. من أجل تقليل التدرج في درجة الحرارة، غالبا ما يكون من الضروري اعتماد تدابير مثل التسخين المسبق والتحكم في سرعة اللحام، مما يزيد من تعقيد عملية اللحام.
حساسية الهيدروجين:سبائك التيتانيوم حساسة للهيدروجين وتمتص الهيدروجين بسهولة أثناء عملية اللحام، مما يؤدي إلى تقصف الهيدروجين. قد يتسبب التقصف الهيدروجيني في حدوث كسر هش في الوصلات الملحومة، لذلك يجب اتخاذ بعض التدابير، مثل التحكم في محتوى الهيدروجين في بيئة اللحام، لتقليل خطر التقصف الهيدروجيني.

الذوبان الانتقائي:سبائك التيتانيوم عرضة للتحلل الانتقائي مع بعض العناصر المعدنية عند درجات حرارة عالية، وتشكل مرحلة هشة، مما يؤثر على أداء الوصلات الملحومة. ولذلك، يجب إيلاء اهتمام خاص لتجنب هذا الذوبان الانتقائي عند اختيار مواد اللحام وعمليات اللحام.
نقطة انصهار عالية:تتطلب نقطة الانصهار المرتفعة نسبيًا لسبائك التيتانيوم درجات حرارة عالية لعملية اللحام، وبالتالي زيادة استهلاك الطاقة ومتطلبات معدات اللحام.
من أجل حل هذه المشاكل، عادة ما يتطلب لحام سبائك التيتانيوم استخدام عمليات اللحام المتخصصة، بما في ذلك اللحام المحمي بالغاز الخامل، واللحام بشعاع الإلكترون، واللحام بالليزر وغيرها من تقنيات اللحام المتقدمة. بالإضافة إلى ذلك، فإن اختيار مواد اللحام المناسبة، والتحكم في معلمات اللحام، واعتماد طرق المعالجة المسبقة هي أيضًا وسائل مهمة لتحسين جودة اللحام لسبائك التيتانيوم.

باختصار، الأسباب التي تجعل من الصعب لحام سبائك التيتانيوم والألومنيوم هي كما يلي:
1. يتفاعل الألمنيوم والتيتانيوم بسهولة مع الأكسجين
⑴ يتفاعل الألومنيوم مع الأكسجين لتكوين Al2O3 (فيلم أكسيد) كثيف ومقاوم للحرارة مع نقطة انصهار تصل إلى 2050 درجة، مما يعيق الجمع بين المادتين الأساسيتين ويجعل اللحام عرضة للشوائب.
⑵يبدأ التيتانيوم في التأكسد عند 600 درجة. كلما ارتفعت درجة الحرارة، زادت خطورة الأكسدة، وتشكل TiO2 (ثاني أكسيد التيتانيوم)، وتشكل طبقة متوسطة هشة في اللحام، مما يقلل من اللدونة والمتانة.
2. يتفاعل الألمنيوم والتيتانيوم بشكل مختلف عند درجات حرارة مختلفة
⑴. عند 1460 درجة، يشكل الألومنيوم والتيتانيوم مركب TiAl (ألومينيد التيتانيوم) الذي يحتوي على 36.03% من كتلة الألومنيوم، مما يزيد من هشاشة المعدن.
⑵ يشكل الألومنيوم والتيتانيوم مركب TiAl3 (ثلاثي ألومينيد التيتانيوم) الذي يحتوي على 60% إلى 64% من كتلة الألومنيوم عند 1340 درجة.
⑶ بعد صهر الألومنيوم والتيتانيوم، عندما تكون نسبة كتلة التيتانيوم 0.15%، يتكون محلول صلب من التيتانيوم في الألومنيوم.
3. الذوبان المتبادل للألمنيوم والتيتانيوم صغير جدًا
⑴عند 665 درجة، تكون قابلية ذوبان التيتانيوم في الألومنيوم 0.26%~0.28%. مع انخفاض درجة الحرارة، تنخفض الذوبان.
⑵عندما تنخفض درجة الحرارة إلى 20 درجة، تنخفض قابلية ذوبان التيتانيوم في الألومنيوم إلى 0.07%، مما يجعل من الصعب دمج المادتين الأساسيتين.
إن قابلية ذوبان الألومنيوم في التيتانيوم محدودة للغاية، مما يجعل تكوين اللحامات بين المادتين الأساسيتين أمرًا صعبًا للغاية.
4. يتمتع الألومنيوم والتيتانيوم بامتصاص قوي للماء عند درجات الحرارة العالية.
⑴يمكن للألمنيوم السائل أن يذيب كمية كبيرة من الهيدروجين، لكنه غير قابل للذوبان تقريبًا في الحالة الصلبة. عندما يتصلب اللحام، لا يتوفر للهيدروجين وقت للهروب وتكوين المسام.
⑵ يتمتع الهيدروجين بقابلية ذوبان عالية في التيتانيوم. في درجات الحرارة المنخفضة، يتراكم الهيدروجين في المسام، مما يقلل من مرونة وصلابة اللحام ويسبب بسهولة شقوقًا هشة.
5. يشكل الألومنيوم مركبات هشة مع التيتانيوم والشوائب الأخرى
⑴. يزيد الأكسيد الناتج عن الألومنيوم والأكسجين من هشاشة المعدن ويجعل عملية اللحام صعبة.
⑵ يشكل التيتانيوم والنيتروجين نيتريد التيتانيوم، مما يقلل من مرونة المعدن.
⑶التيتانيوم والكربون على شكل كربيدات. عندما يكون الجزء الكتلي من الكربون أكبر من 0.28%، فإن قابلية اللحام لكلا المعدنين الأساسيين سوف تتدهور بشكل ملحوظ.
6. يتفاعل الألمنيوم والتيتانيوم بشكل مختلف عند درجات حرارة مختلفة
⑴تختلف التوصيل الحراري للألمنيوم والتيتانيوم اختلافًا كبيرًا. الألومنيوم (206.9 واط · م -2 · كلفن -1) أكبر بحوالي 16 مرة من التيتانيوم (13.8 واط · م -2 · كلفن -1).
⑵تختلف معاملات التمدد الخطي للألمنيوم والتيتانيوم اختلافًا كبيرًا، والألومنيوم أكبر بحوالي 3 مرات من التيتانيوم. عرضة للتشقق تحت الضغط.
7. عناصر السبائك الموجودة في الألومنيوم والتيتانيوم تحترق وتتبخر
⑴عندما يذوب الألومنيوم أو سبائك الألومنيوم، تبدأ العناصر ذات نقاط انصهار أقل منها، مثل المغنيسيوم والزنك وما إلى ذلك، في الاحتراق أو التبخر.
⑵ عند الوصول إلى نقطة انصهار التيتانيوم أو سبائك التيتانيوم (1677 درجة)، تحترق عناصر السبائك مثل الألومنيوم وتتبخر أكثر، مما يؤدي إلى التركيب الكيميائي غير المتساوي للحام وانخفاض القوة.