ما هي درجة انصهار التيتانيوم بالمئوية

يذوب التيتانيوم النقي عند 1,668 درجة مئوية (3,034 درجة فهرنهايت؛ 1,941 كلفن) تحت ضغط قياسي.

لماذا تعتبر درجة الانصهار مهمة

وتحدّد درجة حرارة الانصهار حداً أعلى صلباً للمعالجة الحرارية، وتوجّه اختيار الأفران والمصاهر، وتتحكّم في طرق التشكيل أو الربط الممكنة لمنتج تيتانيوم معيّن. ويرتبط الأداء في درجات الحرارة العالية واستراتيجية التصنيع والتكلفة بسلوك انصهار العنصر. بالنسبة للممارسة الهندسية، يجب استخدام نقطة الانصهار أحادية الرقم مع نطاقات الصلابة/السائل للسبائك ومع درجات حرارة التحوّل الطوري.

الخلفية الذرية والأطوار البلورية

ينتمي التيتانيوم (العدد الذري 22) إلى المجموعة 4 من الجدول الدوري. ويتخذ في درجة حرارة الغرفة شبكة سداسية الشكل متقاربة الأضلاع (تسمى عادةً الطور α). عند تسخينه فوق عتبة أعلى تسمى بيتا ترانزوسيتحول إلى طور β المكعب المتمركز حول الجسم. ويؤثر هذا التحول على السلوك الميكانيكي وخصائص الانصهار لأن ترتيب الشبكة ومعدلات الانتشار وقابلية الذوبان لعناصر السبائك تختلف بشكل ملحوظ بين α وβ. تقع درجات حرارة الانتقال النموذجية لدرجات β النقية تجاريًا بالقرب من 880-970 درجة مئوية، بينما قد تُظهر سبائك معينة نقاط انتقال أعلى أو أقل.

القيمة (القيم) القياسية وطرق القياس

تشير معظم قواعد البيانات الموثوقة إلى أن درجة حرارة انصهار (اندماج) التيتانيوم هي 1,668 درجة مئوية (1,941 كلفن؛ 3,034 درجة فهرنهايت). هذا الرقم هو الرقم المتفق عليه من البيانات المرجعية الكيميائية الحرارية وتجميعات المعايير الوطنية؛ وهو القيمة المستخدمة في الجداول المرجعية القياسية. وترتكز القياسات الكيميائية الحرارية الأولية الرئيسية وتجميعات JANAF/NIST على هذا الرقم. وتشمل أساليب القياس تاريخيًا قياس البيرومترية الضوئية أثناء عمليات الذوبان في درجات الحرارة العالية والتحليل الحراري التفاضلي وطرق القياس الحراري؛ كما تستخدم الدراسات الحديثة أيضًا تصحيحات الإشعاع-درجة الحرارة والمعايرة الدقيقة للانبعاثية لتقليل الخطأ المنهجي. يلخص كتاب NIST WebBook والدراسات الفيزيائية الحرارية التي راجعها الأقران هذه التحديدات.

السلوك الصلب، والسائل وسلوك السبيكة

ذوبان العنصر النقي هو درجة حرارة واحدة. ومع ذلك، فإن السبائك الهندسية العملية تنصهر على مدى درجة حرارة واحدة: سوليدوس (حيث يبدأ الذوبان) إلى سائل (حيث يكتمل الانصهار). بالنسبة إلى سبيكة الفضاء الجوي الشائعة Ti-6Al-4V (الدرجة 5)، فإن قيم التصلب القريبة من 1,604 درجة مئوية (2,920 درجة فهرنهايت) والسائل بالقرب من 1,660 درجة مئوية (3,020 درجة فهرنهايت) عادةً؛ تنتج السبائك الأخرى وظروف الطاحونة نطاقات مختلفة قليلاً. لذلك يجب على المصممين استخدام بيانات السبيكة الصلبة/السائلة الخاصة بالسبائك بدلًا من درجة انصهار العنصر النقي عند تحديد معاملات الصب أو التسخين المسبق للحام أو التصنيع المضاف.

تحولات بيتا ترانسوس والتحولات في درجات الحرارة العالية

إن بيتا ترانزوس يشير إلى الانتقال α → → عند التسخين. وتعتمد قيمته الدقيقة على التركيب والمعالجة الحرارية؛ وغالبًا ما تحتوي درجات التيتانيوم النقي تجاريًا على بيتا ترانسوس بالقرب من 880-950 °Cبينما تغيّر أنظمة الألومنيوم المستقر أو أنظمة السبائك الأخرى هذه العتبة. يتميز الطور β بتماثل أعلى وسلوك مذاب مختلف، لذلك تعتمد معدلات نمو الحبوب وإعادة التبلور والبنى المجهرية للتصلب اللاحق على ما إذا كانت المعالجة تعبر العتبة العابرة. يضمن التحكّم السليم في دورات التسخين/التبريد الهياكل المجهرية المقصودة ويمنع حدوث خشونة أو تقصف غير مرغوب فيه.

الخواص الفيزيائية الحرارية عند الذوبان وقرب الذوبان

الأرقام الرئيسية المفيدة للحسابات الحرارية:

• نقطة الانصهار (Ti النقي): 1,668 درجة مئوية (1,941 كلفن).

• حرارة الانصهار (تقريبًا): ~14.15 كيلوجول-مول-¹ (تجميعات JANAF/NIST المنشورة).

• كثافة السوائل عند ضغط الأم: عادةً حوالي 4.1 جم-سم مكعب (مقارنةً بحوالي 4.5 جم-سم مكعب من المادة الصلبة عند درجة حرارة 20 درجة مئوية). هذه القيم مهمة لتوقعات الصب والانكماش.

استخدم هذه الأرقام في نماذج توازن الطاقة لأفران الصهر، وحسابات الاحتفاظ بالحث أو تقديرات مدخلات الحرارة بالليزر.

تأثير الشوائب والسبائك على سلوك الانصهار

تغير الكميات الصغيرة من العناصر مثل الأكسجين أو النيتروجين أو الكربون أو الحديد أو الألومنيوم سلوك الانصهار بطريقتين:

• خفض/رفع مدى انصهار المذيبات: تخفض بعض المواد المذابة سائل/مصلب معين بينما يوسع البعض الآخر الفترة الزمنية. على سبيل المثال، يغير كل من V وAl استقرار الطور، مما يؤثر على نافذة الانصهار العملي لـ Ti-6Al-4V.

• تكوين سهل الانصهار المنخفض: قد يؤدي التلوث بالحديد أو النحاس إلى تكوين جيوب سهلة الانصهار صغيرة الحجم تذوب عند درجة حرارة منخفضة، مما قد يؤدي إلى خطر الانصهار الموضعي أثناء الدورات الحرارية. لذلك، يعد التحكم في كيمياء المواد الأولية والتعامل مع الأكسجين المنخفض أمرًا بالغ الأهمية أثناء الصهر واللحام.

الآثار العملية: يجب إجراء عملية الصهر وإعادة الصهر في أجواء محكومة وبكيمياء شحن صارمة لتجنب المراحل غير المرغوب فيها منخفضة الذوبان.

طرق الصهر والتكرير الصناعي

نظرًا لأن التيتانيوم يتفاعل بقوة مع الأكسجين والنيتروجين والهيدروجين في درجات الحرارة المرتفعة، فإن الإنتاج التجاري وإعادة الصهر يعتمدان بيئات واقية:

• إعادة الصهر بالقوس الهوائي (VAR) و الصهر بالحزمة الإلكترونية (EBM) تُستخدم على نطاق واسع لتكرير وإنتاج سبائك ذات غازات ذائبة منخفضة ومركب متحكم فيه.

• ذوبان البلازما و ذوبان الموقد البارد تُستخدم أيضًا للتحكم في الفصل وإزالة التضمين.

• عمليات كرول وهنتر إنتاج التيتانيوم الإسفنجي قبل الصهر؛ ثم يستخدم الدمج بعد ذلك الصهر بالحث الفراغي (VIM) أو VAR لصنع السبائك.

وتؤثر كل طريقة على تعداد التضمين والمحتوى الغازي والتجانس - وكلها عوامل تؤثر على سلوك الذوبان في المعالجة الحرارية النهائية والتصنيع.

الممارسة المرجعية: يجب أن تشتمل الأفران ومعدات الصهر على مستويات تفريغ الهواء، ومواد البوتقة، وأنظمة التدريع المصممة لكيمياء التيتانيوم.

اللحام، والتصنيع المضاف، وضوابط العمليات المتعلقة باللحام والتصنيع المضاف والصهر

يعتمد اللحام والتصنيع الإضافي القائم على الليزر على التحكم الدقيق في حوض الذوبان:

• التدريع: يعد الغاز الخامل (الأرجون أو الهيليوم) أو التفريغ إلزاميًا لمنع التقاط الأكسجين/النيتروجين والمراحل البينية الهشة المستقرة.

• مدخلات الحرارة: يجب ضبط طاقة الليزر، وسرعة الشعاع، واستراتيجيات الطبقات في اندماج طبقة المسحوق لإنتاج تجمعات ذوبان تدمج المسحوق/المسار بالكامل مع تجنب حدوث انصهار أو تبخير مفرط.

• البنية المجهرية للتصلب: ويميل التبريد السريع في AM إلى إنتاج ألفا مارتينسيتية دقيقة في العديد من سبائك Ti؛ ويمكن للمعالجة الحرارية بعد المعالجة أن تلطّف وتخفف من الإجهادات المتبقية.

يجب أن توجّه بيانات السبيكة الصلبة/السائلة للسبيكة المحددة نوافذ المعالجة لضمان انصهار متسق دون تبخر مفرط لعناصر السبائك المتطايرة (على سبيل المثال، الأل في Ti-6Al-4V).

منظور مقارن (جدول)

فيما يلي مقارنة مدمجة لدرجات حرارة انصهار التيتانيوم والعديد من المعادن الهندسية شائعة الاستخدام لوضع التيتانيوم في سياق اختيار المواد.

استخدم هذا الجدول عند المفاضلة بين الوزن والقدرة على تحمل درجات الحرارة العالية والتكلفة.

عدم اليقين في القياس والمعايرة وأفضل الممارسات

تتطلب قياسات الانصهار في درجات الحرارة العالية:

• قياس الحرارة بالحرارة المعايرة أو قياس الحرارة بالملامسة مرتبطة بمعايير النقطة الثابتة.

• تصحيح الانبعاثية عند استخدام الطرق الضوئية؛ يجب أن تأخذ الطرق الإشعاعية في الحسبان تغيرات الانبعاثية المعتمدة على الطول الموجي على أسطح المعادن المنصهرة.

• هندسة العينة القابلة للتكرار والتحكم في الغلاف الجوي لتجنب أكاسيد السطح التي تغير درجة حرارة الإشعاع الظاهرية.

تناقش دراسات NIST ودراسات القياس الحراري التي راجعها الأقران تصحيحات الإشعاع-درجة الحرارة التي قللت من الإزاحات المنهجية في درجات الذوبان المبلغ عنها. للاطلاع على العمل الدقيق، يمكن الرجوع إلى مجموعات بيانات JANAF/NIST وتقارير القياس الحراري الفيزيائي الحديثة.

الجداول العملية

الجدول أ - الأرقام الأساسية للتيتانيوم النقي

الجدول باء - السبيكة التمثيلية الصلبة/السائلة (النطاقات النموذجية)

الجدول جيم - درجات حرارة الطور المشترك (توضيحي)

الأسئلة الشائعة

1. ما درجة انصهار التيتانيوم النقي تجاريًّا؟
يذوب التيتانيوم النقي عادةً عند 1,668 درجة مئوية (3,034 درجة فهرنهايت). بالنسبة للأعمال الهندسية، راجع بيانات السبيكة الصلبة/السائلة الخاصة بالسبائك.

2. هل ينصهر Ti-6Al-4V عند نفس درجة حرارة التيتانيوم النقي؟
يُظهر رقم Ti-6Al-4V فترة انصهار: صلابة بالقرب من 1,604 °C والسائل بالقرب من 1,660 °C؛ يجب أن تستخدم نوافذ المعالجة بيانات السبيكة.

3. كيف يؤدي التلوث بالأكسجين والنيتروجين إلى تغيير الذوبان؟
فهي لا تغير بشكل كبير من نقطة انصهار العناصر النقية ولكنها تسبب التقصف وقد تعزز المعادن البينية منخفضة الانصهار مع الشوائب. التحكم في الغلاف الجوي ونقاء المادة الأولية لمنع الانصهار الموضعي أو المناطق الضعيفة.

4. ما طريقة الصهر التي تنتج أنظف سبيكة تيتانيوم؟
تُعد إعادة الصهر بالقوس الخوائي (VAR) والصهر بالحزمة الإلكترونية (EBM) معيارًا للسبائك منخفضة الغازات ومنخفضة الشوائب. كما يساعد الصهر على البارد على إزالة الشوائب عالية الكثافة.

5. هل التيتانيوم تفاعلي عند الانصهار؟
نعم. يتفاعل التيتانيوم المنصهر بسهولة مع الأكسجين والنيتروجين والكربون؛ يجب أن يحدث الصهر تحت التفريغ أو الغاز الخامل لتجنب التلوث.

6. ما هي حرارة انصهار التيتانيوم وما أهمية ذلك؟
تقريبًا 14.15 كيلو جول-مول-¹. يُستخدم هذا الرقم في حسابات الطاقة لتحديد حجم الفرن وميزان الحرارة بالليزر/اللحام.

7. هل يمكن استخدام أفران الفولاذ المقاوم للصدأ القياسية لصهر التيتانيوم؟
فقط مع التصميم الدقيق: يلزم وجود بطانات حرارية وأجواء خالية من الأكسجين. الأفران التي تعمل بالهواء العادي أو الأفران المفتوحة غير مناسبة.

8. ما علاقة بيتا ترانسسوس بالذوبان؟
يكون بيتا ترانزوس أقل بكثير من نقطة الانصهار ولكنه يحدد السلوك الميكانيكي في درجات الحرارة العالية وبنية الحبيبات التي تؤثر على نتائج الصب واللحام.

9. هل عمليات تصنيع المواد المضافة تذيب مساحيق التيتانيوم بالكامل؟
تنتج العديد من عمليات AM أحواض ذوبان كاملة عندما تكون المعلمات صحيحة؛ وعادةً ما يحقق الاندماج في قاع المسحوق (شعاع الليزر أو شعاع الإلكترون) الاندماج الكامل ولكنه يتطلب التحكم لتجنب المسامية وتبخر المكونات منخفضة الغليان.

10. أين يمكنني العثور على أرقام فيزيائية حرارية موثوقة للتيتانيوم؟
تشمل المصادر الأساسية جداول NIST JANAF، وكتيبات المختبرات الوطنية، وأوراق بيانات المواد ASM/MatWeb. استخدمها للتحقق من صحة الحسابات الهندسية.

ما تقوله الأدبيات عن دقة القياس

أنتجت تجارب درجة حرارة الإشعاع-الإشعاع عالية الجودة درجات حرارة انصهار في حدود بضعة كلفن من القيمة المتفق عليها؛ ويقلل التصحيح الدقيق للانبعاث والمعايرة بمعايير النقطة الثابتة من التشتت. تُعد تقارير ومجموعات القياس الفيزيائية الحرارية الحديثة (NIST/JANAF؛ وأوراق القياس التي راجعها الأقران) نقطة البداية الموصى بها للعمل الدقيق.

الملخص الختامي

نقطة انصهار التيتانيوم النقي عند 1,668 °C هو مسند فيزيائي حراري أساسي. بالنسبة للهندسة التطبيقية، يجب استخدام هذا الرقم إلى جانب بيانات السبيكة الصلبة/السائلة، ودرجات حرارة بيتا ترانسوس، والخصائص الكيميائية الحرارية (حرارة الانصهار، وتغير الكثافة) لتحديد نوافذ المعالجة، واختيار معدات الصهر، وتصميم عمليات الربط أو العمليات المضافة. استخدم قواعد البيانات الموثوقة (NIST، وASM/MatWeb، والدراسات الفيزيائية الحرارية التي راجعها الأقران) عندما تكون الأرقام الدقيقة مطلوبة للمحاكاة أو الشراء.

مراجع موثوقة

• كتاب ويب كيمياء NIST للكيمياء - التيتانيوم (بيانات كيميائية حرارية وجداول JANAF)
• PubChem / NCBI - ملخص عنصر التيتانيوم (درجة الانصهار والبيانات الفيزيائية)
• ASM / MatWeb - صحائف بيانات درجة التيتانيوم (الذوبان النموذجي، الصلب/السائل، بيتا ترانسوس)
• مجلة NIST للأبحاث - قياسات درجة حرارة الإشعاع ودراسات درجة انصهار التيتانيوم
• القياسات الفيزيائية الحرارية التي تمت مراجعتها من قِبل الأقران (مقالة مفتوحة الوصول عن الخواص الفيزيائية الحرارية عالية الدقة)