בתעופה וחלל, במכשירים רפואיים, בייצור-ציוד מתקדם ובתחומים אחרים, סגסוגת טיטניום הפכה לחומר מפתח הכרחי בשל החוזק המצוין, העמידות בפני קורוזיה ותכונותיו הקלות. הביצועים המצוינים של סגסוגות טיטניום אינם ניתנים להפרדה מוויסות תהליך טיפול החום המדויק ומהשינויים המבניים המורכבים המתרחשים במהלך התהליך. היום, נתעמק בידע המרכזי של טיפול בחום מסגסוגת טיטניום ושינוי רקמות, ונגלה את הקוד הטכני מאחורי "מתכת החלל" הזו.
חוק טרנספורמציה מכנית בטיפול בחום של סגסוגות טיטניום
המהות של טיפול בחום היא להנחות את השינוי המסודר של המבנה הפנימי של סגסוגת טיטניום באמצעות ויסות הטמפרטורה ומהירות הקירור. מחימום לקירור ועד ליישון, המבנה של סגסוגות טיטניום עובר סדרה של שינויים מורכבים הקובעים ישירות את התכונות הסופיות של החומר.
1. תהליך חימום: ה"שלישיה" של התאוששות, גיבוש מחדש ומעבר פאזה
בחימום, סגסוגות טיטניום בדרך כלל עוברות טרנספורמציה של צורת גביש (מעבר בין פאזה לפאזה) בו זמנית, ואם מדובר בסגסוגת טיטניום קרה-, היא תעבור גם תהליכי התאוששות והתגבשות מחדש, המעצבים יחד את המבנה המיקרו לאחר החימום.
(1) שיקום והתגבשות מחדש: תיקון המבנה המעוות וייעול מבנה התבואה
לאחר עבודה קרה, לסגסוגת טיטניום יש מספר רב של פגמים הנגרמים על ידי עיוות (כגון נקע וריקנות), ולאחר חימום לטמפרטורה מסוימת, "התאוששות" תתרחש לראשונה: ב-450 ~ 640 מעלות (טמפרטורת ההתאוששות נמוכה יותר מטמפרטורת ההתגבשות), חלק מהלחץ הפנימי מתבטל באמצעות התנועה האיטית של החומר הפנוי, אך הצורה הבסיסית של החומר נשארת ללא ניתוק.
כשהטמפרטורה ממשיכה לעלות, מתחילה להתרחש "התגבשות מחדש": גרגרים חדשים ללא-עיוות- מופיעים בהדרגה במבנה המעוות, והגרגרים החדשים הללו יחליפו בהדרגה את הגרגרים המעוותים, ובסופו של דבר יפחיתו את קשיות החומר וישחזרו את הפלסטיות שלו. מאפייני ההתגבשות מחדש של סוגים שונים של סגסוגות טיטניום שונות כמובן:
• סגסוגת טיטניום: יכולת דפורמציה קרה מוגבלת, קשה לעדן גרגרים באמצעות דפורמציה והתגבשות מחדש;
• סגסוגת טיטניום: יכולת דפורמציה קרה חזקה, שיכולה להשיג מידה מסוימת של עידון תבואה באמצעות דפורמציה והתגבשות מחדש;
• סגסוגת טיטניום דופלקס: בעזרת דפורמציה והתגבשות מחדש, היא יכולה לא רק לעדן את המבנה, אלא גם לשפר עוד יותר את הפלסטיות.
(2) מעבר פאזה לשלב: "מתג הטמפרטורה" של צורת גביש
כאשר טמפרטורת החימום עולה על ← נקודת מעבר פאזה, סגסוגות טיטניום יוזמות מעבר גבישי משלב לשלב. אם לוקחים לדוגמא טיטניום טהור, טמפרטורת מעבר הפאזה שלו היא בערך 875±5 מעלות. ראוי לציין שיחסי המיקום של Burgers נשארים ללא שינוי לאורך מעבר הפאזה ↔, מה שמספק בסיס חשוב למבנה הניתן לכוונון של סגסוגות טיטניום.
2. תהליך קירור: המהירות קובעת רקמות, ורקמה קובעת את הביצועים
מהירות הקירור היא גורם מפתח המשפיע על המבנה הסופי של סגסוגות טיטניום, ותחת מהירויות קירור שונות, סגסוגות טיטניום יהוו מורפולוגיה מיקרו-מבנה שונה לחלוטין, אשר בתורה מציגה תכונות שונות באופן משמעותי.
(1) קירור איטי: מעבר מסודר, יצירת שלב יציב
כאשר סגסוגת הטיטניום מתקררת באיטיות מהאזור החד-פאזי לאזור הדו-פאזי, הפאזה משתנה בהדרגה לפאזה, והשניים עוקבים בקפדנות אחר יחסי הכיוון של Burgers: (110) //(0001) ; [111] //[11₂0] . המבנה שנוצר במעבר מסודר זה הינו יציב ביותר, המתאים לתרחישים עם דרישות יציבות חומר גבוהות.
(2) קירור מהיר: גרמו לשלב מט-יציב כדי לסלול את הדרך לחיזוק
קירור מהיר (כגון כיבוי מים) יכול לשבש את תהליך המעבר בשיווי המשקל של מבנה סגסוגת טיטניום, מה שעשוי לגרום למעברי פאזה מרטנסיטית, היווצרות פאזה ω מרווה, יצירת פאזה על-רוויה ושארית שימור פאזה-בטמפרטורה גבוהה. מוצרי הטרנספורמציה הסופיים (כגון ′, ", ω, שלב מקורר-על, שלב מט-יציב, שלב-על-רווי) תלויים בעיקר בתכולת היסודות היציבים בסגסוגת הטיטניום, שהם "חומרי הגלם הליבה" לחיזוק ההזדקנות הבאים.
3. טרנספורמציה של הזדקנות: "טרנספורמציה" של פאזה מט-יציבה להשגת קפיצת מדרגה בביצועים
השלב המט-יציבי המיוצר על ידי קירור מהיר אינו יציב, והוא ישתנה בהדרגה לשלב שיווי משקל במהלך תהליך ההזדקנות, מלווה בפירוק פאזה גרורתי, פירוק פאזה על-רווי ותגובות אחרות. תהליך זה הוא הסיבה הבסיסית לכך שסגסוגות טיטניום יכולות להשיג שיפור חוזק וקשיות באמצעות טיפול בחום, והוא גם חוליה מרכזית בהפיכת סגסוגות טיטניום מ"צורה בסיסית" ל"צורה-גבוהה.
4. ניתוח שיתוף- ושינוי: "רוצח הפלסטיק" שצריך להיזהר ממנו
המעבר האוטקטי של סגסוגות טיטניום נמצא בדרך כלל בסגסוגות המורכבות מיסודות יציבים של טיטניום וסגסוגות אוטקטיות מהירות, מה שמוביל בדרך כלל לירידה בפלסטיות של החומר, שאינה טובה לביצועי העיבוד והשירות של החומר. עם זאת, על ידי טיפול איזותרמי ברקמה לאחר טרנספורמציה אוטקטית, ניתן להפוך אותה לרקמה לא-למלרית בגודל Bain, מה שמקל על בעיית הירידה הפלסטית במידה מסוימת.
5. מתח-מעבר פאזה המושרה: פתח את הנעילה של "שינוי שלב-פלסטיות הנגרמת"
השלב המט-יציב יהפוך למרטנסיטי (למשל, מרטנסיטי משושה ′, מרטנסיטי אורתורומבי") תחת מאמץ או לחץ, תהליך המכונה מעבר פאזה המושרה על ידי מאמץ. מעבר זה יכול לייצר אפקט פלסטי המושרה במעבר שלב-, אשר משפר באופן משמעותי את קצב ההתקשות וההתארכות של טיטניום ומבטיח את הביצועים וההתארכות. יישום של סגסוגות טיטניום בתרחישים תחת מתחים מורכבים (כגון חלקים מבניים תעופה וחלל).
