เหตุใดโลหะผสมไทเทเนียมและอลูมิเนียมจึงเชื่อมยาก?

โลหะผสมไทเทเนียมเป็นวัสดุน้ำหนักเบา มีความแข็งแรงสูง และทนต่อการกัดกร่อน เนื่องจากคุณสมบัติที่ดีเยี่ยม จึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการบินและอวกาศ อุปกรณ์การแพทย์ อุตสาหกรรมเคมี และสาขาอื่นๆ อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพการเชื่อมของโลหะผสมไททาเนียมค่อนข้างต่ำ สาเหตุหลักๆ ดังต่อไปนี้:
การก่อตัวของชั้นออกไซด์:ชั้นออกไซด์ที่เป็นของแข็งเกิดขึ้นได้ง่ายบนพื้นผิวของโลหะผสมไททาเนียม ชั้นออกไซด์นี้ไม่เพียงเพิ่มความยากในระหว่างกระบวนการเชื่อมเท่านั้น แต่ยังลดความแข็งแรงในการเชื่อมอีกด้วย ก่อนการเชื่อม โดยปกติจะต้องใช้วิธีการปรับสภาพพิเศษบางอย่าง เช่น การดองหรือการขัดเชิงกล เพื่อขจัดชั้นออกไซด์ออก และปรับปรุงประสิทธิภาพการเชื่อม
ค่าการนำความร้อนต่ำ:ค่าการนำความร้อนของโลหะผสมไททาเนียมค่อนข้างต่ำ ส่งผลให้เกิดการไล่ระดับอุณหภูมิขนาดใหญ่ใกล้กับแนวเชื่อม ซึ่งอาจทำให้การเชื่อมเสียรูปและแตกร้าวได้ง่าย เพื่อลดความชันของอุณหภูมิ มักจำเป็นต้องนำมาตรการต่างๆ เช่น การอุ่นเครื่องและการควบคุมความเร็วในการเชื่อม ซึ่งเพิ่มความซับซ้อนของกระบวนการเชื่อม
ความไวของไฮโดรเจน:โลหะผสมไทเทเนียมมีความไวต่อไฮโดรเจนและดูดซับไฮโดรเจนได้ง่ายในระหว่างกระบวนการเชื่อม ส่งผลให้ไฮโดรเจนเกิดการเปราะ การแตกเปราะของไฮโดรเจนอาจทำให้ข้อต่อที่เชื่อมแตกหักเปราะ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีมาตรการบางอย่าง เช่น การควบคุมปริมาณไฮโดรเจนในสภาพแวดล้อมการเชื่อม เพื่อลดความเสี่ยงของการเปราะของไฮโดรเจน

การละลายแบบเลือกสรร:โลหะผสมไททาเนียมมีแนวโน้มที่จะละลายแบบเลือกสรรกับองค์ประกอบโลหะบางชนิดที่อุณหภูมิสูง ทำให้เกิดเฟสเปราะ ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพของรอยเชื่อม ดังนั้นจึงจำเป็นต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษเพื่อหลีกเลี่ยงการละลายแบบเลือกสรรนี้เมื่อเลือกวัสดุการเชื่อมและกระบวนการเชื่อม
จุดหลอมเหลวสูง:จุดหลอมเหลวที่ค่อนข้างสูงของโลหะผสมไทเทเนียมต้องใช้อุณหภูมิสูงสำหรับกระบวนการเชื่อม จึงเพิ่มการใช้พลังงานและความต้องการอุปกรณ์การเชื่อม
เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ การเชื่อมโลหะผสมไททาเนียมมักจะต้องใช้กระบวนการเชื่อมแบบพิเศษ รวมถึงการเชื่อมแบบป้องกันแก๊สเฉื่อย การเชื่อมด้วยลำแสงอิเล็กตรอน การเชื่อมด้วยเลเซอร์ และเทคโนโลยีการเชื่อมขั้นสูงอื่นๆ นอกจากนี้ การเลือกวัสดุการเชื่อมที่เหมาะสม การควบคุมพารามิเตอร์การเชื่อม และการนำวิธีการปรับสภาพมาใช้ก็เป็นวิธีสำคัญในการปรับปรุงคุณภาพการเชื่อมของโลหะผสมไททาเนียม

โดยสรุป สาเหตุที่โลหะผสมไททาเนียมและอลูมิเนียมเชื่อมยากมีดังนี้:
1. อลูมิเนียมและไทเทเนียมทำปฏิกิริยากับออกซิเจนได้ง่าย
⑴ อลูมิเนียมทำปฏิกิริยากับออกซิเจนเพื่อสร้าง Al2O3 (ฟิล์มออกไซด์) ที่มีความหนาแน่นและทนไฟ โดยมีจุดหลอมเหลวสูงถึง 2050 องศา ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อการรวมกันของวัสดุฐานทั้งสองและทำให้การเชื่อมมีแนวโน้มที่จะรวมเข้าด้วยกัน
⑵ไทเทเนียมเริ่มออกซิไดซ์ที่ 600 องศา ยิ่งอุณหภูมิสูงขึ้น การเกิดออกซิเดชันจะรุนแรงมากขึ้น โดยก่อตัวเป็น TiO2 (ไทเทเนียมไดออกไซด์) ก่อตัวเป็นชั้นเปราะตรงกลางในการเชื่อม ส่งผลให้ความเป็นพลาสติกและความเหนียวลดลง
2. อลูมิเนียมและไทเทเนียมทำปฏิกิริยาต่างกันที่อุณหภูมิต่างกัน
⑴. ที่อุณหภูมิ 1,460 องศา อลูมิเนียมและไททาเนียมจะเกิดสารประกอบ TiAl (ไททาเนียมอลูมิไนด์) ที่มีเศษส่วนมวลอะลูมิเนียม 36.03% ซึ่งจะเพิ่มความเปราะบางของโลหะ
⑵ อลูมิเนียมและไทเทเนียมสร้างสารประกอบ TiAl3 (ไทเทเนียม Trialuminide) ที่มีเศษส่วนมวลอะลูมิเนียม 60% ถึง 64% ที่ 1,340 องศา
⑶ หลังจากที่อะลูมิเนียมและไทเทเนียมหลอมละลาย เมื่อเศษส่วนมวลของไทเทเนียมเท่ากับ 0.15% สารละลายไทเทเนียมที่เป็นของแข็งจะก่อตัวขึ้นในอะลูมิเนียม
3. ความสามารถในการละลายร่วมกันของอลูมิเนียมและไทเทเนียมมีขนาดเล็กมาก
⑴ที่ 665 องศา ความสามารถในการละลายของไทเทเนียมในอลูมิเนียมคือ 0.26%~0.28% เมื่ออุณหภูมิลดลง ความสามารถในการละลายก็ลดลง
⑵เมื่ออุณหภูมิลดลงถึง 20 องศา ความสามารถในการละลายของไทเทเนียมในอลูมิเนียมจะลดลงเหลือ 0.07% ทำให้ยากต่อการรวมวัสดุฐานทั้งสองเข้าด้วยกัน
ความสามารถในการละลายของอะลูมิเนียมในไทเทเนียมนั้นมีจำกัดมากขึ้น ซึ่งทำให้การเกิดรอยเชื่อมระหว่างวัสดุฐานทั้งสองทำได้ยากมาก
4. อลูมิเนียมและไทเทเนียมมีการดูดซึมน้ำได้ดีที่อุณหภูมิสูง
⑴อลูมิเนียมเหลวสามารถละลายไฮโดรเจนจำนวนมากได้ แต่แทบจะไม่ละลายในสถานะของแข็ง เมื่อรอยเชื่อมแข็งตัว ไฮโดรเจนก็จะไม่มีเวลาหลุดออกไปและก่อตัวเป็นรูพรุน
⑵ไฮโดรเจนมีความสามารถในการละลายสูงในไทเทเนียม ที่อุณหภูมิต่ำ ไฮโดรเจนจะสะสมในรูขุมขน ส่งผลให้ความเป็นพลาสติกและความเหนียวของการเชื่อมลดลง และทำให้เกิดรอยแตกร้าวได้ง่าย
5. อะลูมิเนียมเกิดสารประกอบเปราะกับไทเทเนียมและสิ่งสกปรกอื่นๆ
⑴. ออกไซด์ที่เกิดจากอลูมิเนียมและออกซิเจนจะเพิ่มความเปราะบางของโลหะและทำให้การเชื่อมยาก
⑵ไทเทเนียมและไนโตรเจนก่อให้เกิดไทเทเนียมไนไตรด์ ซึ่งช่วยลดความเป็นพลาสติกของโลหะ
⑶ไทเทเนียมและคาร์บอนในรูปแบบคาร์ไบด์ เมื่อสัดส่วนมวลของคาร์บอนมากกว่า 0.28% ความสามารถในการเชื่อมของโลหะฐานทั้งสองจะลดลงอย่างมาก
6. อลูมิเนียมและไทเทเนียมทำปฏิกิริยาต่างกันที่อุณหภูมิต่างกัน
⑴การนำความร้อนของอลูมิเนียมและไทเทเนียมแตกต่างกันมาก อะลูมิเนียม (206.9W·m-2·K-1) มีขนาดใหญ่กว่าไทเทเนียมประมาณ 16 เท่า (13.8W·m-2·K-1)
⑵ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นของอลูมิเนียมและไทเทเนียมแตกต่างกันมาก และอลูมิเนียมมีขนาดใหญ่กว่าไทเทเนียมประมาณ 3 เท่า มีแนวโน้มที่จะแตกร้าวภายใต้ความกดดัน
7. องค์ประกอบของโลหะผสมในอลูมิเนียมและไทเทเนียมจะเผาไหม้และระเหยไป
⑴เมื่ออลูมิเนียมหรือโลหะผสมอะลูมิเนียมละลาย องค์ประกอบที่มีจุดหลอมเหลวต่ำกว่า เช่น แมกนีเซียม สังกะสี ฯลฯ จะเริ่มไหม้หรือระเหย
⑵ เมื่อถึงจุดหลอมเหลวของไทเทเนียมหรือโลหะผสมไทเทเนียม (1,677 องศา) องค์ประกอบของโลหะผสมเช่นอลูมิเนียมจะไหม้และระเหยมากขึ้น ส่งผลให้องค์ประกอบทางเคมีของรอยเชื่อมไม่สม่ำเสมอและลดความแข็งแรง