مسحوق التيتانيوم

تُتيح تقنية تعدين مساحيق التيتانيوم إمكانية تصنيع أجزاء ذات شكل نهائي أو شبه نهائي دون فقدان المواد والتكاليف المرتبطة بتصنيع المكونات المعقدة من سبائك التيتانيوم المشكلة. ويمكن إنتاج المساحيق بتقنية مزج العناصر، أو عن طريق السبائك المسبقة ثم الدمج باستخدام قولبة حقن المعادن ، أو الكبس المتساوي الساخن ، أو الدرفلة المباشرة للمسحوق، أو التشكيل النهائي باستخدام الليزر .

يُستخدم مسحوق التيتانيوم في صناعات الطيران والفضاء ، وزراعة الأجهزة الطبية ، والطباعة ثلاثية الأبعاد ، وتعدين المساحيق ، وطلاء الأسطح، وذلك بفضل قوته وخفة وزنه ومقاومته للتآكل. ^{[ 1 ]} كما أنه يلعب دورًا حيويًا في توليد الطاقة، وفي المعدات الرياضية، وكمحفز في العمليات الكيميائية. ^{[ 2 ]}

تُعدّ عملية كرول الطريقة التقليدية لإنتاج التيتانيوم ، حيث تتضمن كلورة خام ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂ ₎ بوجود الكربون، ثم تفاعل كلوريد التيتانيوم الناتج (TiCl₄ ₎ مع المغنيسيوم لإنتاج إسفنج التيتانيوم. تتم هذه العمليات عند درجات حرارة تصل إلى 1040 درجة مئوية. يتراوح حجم جزيئات الإسفنج بين 45 و180 ميكرومتر، وتُسمى الجزيئات التي يبلغ حجمها حوالي 150 ميكرومتر "الجسيمات الدقيقة الإسفنجية". تتميز هذه الجسيمات الدقيقة بشكلها غير المنتظم ومساميتها العالية، مما يُضفي عليها بنية إسفنجية. ^{[ 3 ]} بعد ذلك، تُخلط هذه الجسيمات الدقيقة مع إضافات من السبائك، وتُضغط على البارد لتكوين كتلة أولية عند ضغط يصل إلى 415 ميجا باسكال، ثم تُلبّد بالتفريغ عند درجة حرارة 1260 درجة مئوية لإنتاج مكون بكثافة 99.5%. يُمكن لعملية الضغط المتساوي الساخن (HIP) زيادة كثافة هذه الأجزاء، وإنتاج مكونات بتكلفة أقل من الأجزاء المصبوبة أو المطروقة، إلا أن المسامية الموجودة في المادة تُضعف خصائص مقاومة الإجهاد والكسر. استُخدم أسلوب العناصر المختلطة في إنتاج صمامات لسيارة تويوتا ألتيزا ، ورؤوس مضارب الجولف، ومضارب البيسبول. ^{[ 4 ]} ومؤخرًا، تم الحصول على أجزاء من التيتانيوم من الدرجة الخامسة بكثافة تقارب 100% باستخدام مسحوق مهدرج مع سبيكة رئيسية من الألومنيوم والفاناديوم بنسبة 60:40 . وتُضاهي الخصائص الميكانيكية لهذه الأجزاء تلك التي تُظهرها المنتجات المصبوبة والمطروقة. وقد قُدِّرَت تكلفة وصلة توصيل للسيارات بوزن 0.320 غرام بأقل من 3 دولارات.    

توجد عدة تقنيات لإنتاج مساحيق مُسبقة الخلط، مثل الدرجة 5. في عملية الهدرجة-إزالة الهيدروجين، تُعالج المواد الأولية، مثل الخردة الصلبة أو القوالب أو برادة المعادن، لإزالة الشوائب، ثم تُهدرج لإنتاج مادة هشة، ثم تُطحن تحت غاز الأرجون في مطحنة كروية اهتزازية ، عادةً عند 400  درجة مئوية لمدة 4 ساعات بضغط 1 رطل لكل بوصة مربعة لسبائك التيتانيوم من الدرجة 5. وتكون الجسيمات الناتجة زاوية الشكل ويتراوح حجمها بين 50 و300  ميكرومتر. أما عملية الضغط البارد بعد إزالة الهيدروجين من المسحوق، متبوعة إما بالضغط الساخن الفراغي (في هذه الحالة يمكن تجاوز عملية إزالة الهيدروجين حيث يُزال الهيدروجين تحت الفراغ) أو بالضغط المتساوي الساخن والتلدين الفراغي النهائي، فتنتج مساحيق تحتوي على نسبة هيدروجين أقل من 125 جزءًا في المليون. إن احتمال وجود شوائب يجعل هذه المساحيق غير مناسبة للاستخدام في تطبيقات الطائرات الحساسة.

في عملية القطب الدوار البلازمي (PREP)، تكون المادة الأولية، مثل التيتانيوم من الدرجة الخامسة، على شكل قضيب دوار يُعرَّض لقوس من بلازما الغاز. يُقذف المعدن المنصهر من القضيب بفعل قوة الطرد المركزي، ثم يبرد ويُجمع. تتميز المساحيق الناتجة بشكلها الكروي، ويتراوح  حجمها بين 100 و300 ميكرومتر، مع خصائص تعبئة وتدفق جيدة، مما يجعلها مثالية لإنتاج أجزاء عالية الجودة ذات شكل نهائي قريب من الشكل النهائي، باستخدام تقنية الضغط المتساوي الساخن (HIP)، مثل أجزاء الطائرات والطلاءات المسامية على مفاصل الورك الاصطناعية.

في عملية التذرية الغازية للتيتانيوم (TGA)، يُصهر التيتانيوم في بوتقة نحاسية مبردة بالماء باستخدام صهر حثي فراغي، ثم يُسحب المعدن المنصهر ويُذرى بتيار من غاز خامل عالي الضغط . وتكون القطرات المتناهية الصغر كروية الشكل ويتراوح قطرها بين 50 و350  ميكرومترًا. وقد استُخدمت عملية TGA لإنتاج مجموعة واسعة من المواد، مثل التيتانيوم النقي تجاريًا، وسبائك ألفا-بيتا التقليدية، وسبائك بيتا. ^{[ 5 ]}

في عملية التذرية بالبلازما، يُذرى سلك من التيتانيوم بواسطة ثلاث نفاثات من بلازما الغاز الخامل لتشكيل مساحيق معدنية كروية. يتراوح قطر المساحيق الناتجة في هذه العملية بين 0 و200  ميكرومتر، وتتميز هذه المساحيق بنقائها العالي. تتخصص عملية التذرية بالبلازما في إنتاج مواد ذات درجة انصهار عالية مثل التيتانيوم (CP-Ti، Ti-6Al-4V)، والنيوبيوم ، والموليبدينوم ، والتنتالوم ، وغيرها الكثير. ^{[ 5 ]}

تُستخدم عدة تقنيات لدمج المعادن لإنتاج المنتج النهائي. يُعدّ قولبة حقن المعادن (MIM)، المعروفة أيضًا بقولبة حقن المساحيق، طريقة راسخة وفعّالة من حيث التكلفة لتصنيع مكونات معدنية صغيرة إلى متوسطة الحجم بكميات كبيرة. وهي مشتقة من قولبة حقن البلاستيك ، حيث يتم خلط مسحوق معدني مع مادة رابطة بوليمرية لتشكيل المادة الخام، والتي تُحقن بعد ذلك في قالب، ثم تُزال المادة الرابطة عن طريق المعالجة الحرارية تحت الفراغ قبل التلبيد النهائي. مع ذلك، في حالة التيتانيوم، تؤدي المواد الرابطة المستخدمة في قولبة حقن المعادن إلى إدخال الكربون في المادة الأساسية نتيجة عدم إزالة المادة الرابطة بشكل كافٍ قبل التلبيد، أو التفاعلات الضارة بين المادة الرابطة المتحللة، وبيئة إزالة المادة الرابطة، والطور المعدني. ينتج عن ذلك أجزاء من التيتانيوم ذات خصائص ميكانيكية غير مناسبة لتطبيقات الفضاء الجوي الحساسة، ولكنها مناسبة للأجزاء التي تكون فيها خصائص الشد والصدم أقل أهمية. في الآونة الأخيرة، تم تنفيذ أعمال لتقليل نسبة المادة الرابطة إلى أقل من 8% من الحجم، مما أدى إلى الإزالة الكاملة للمادة الرابطة من المكون المصبوب أثناء المعالجة الحرارية.

في عملية الدرفلة المباشرة للمساحيق (DPR)، يُستخدم مسحوق BE لإنتاج الصفائح والألواح والصفائح المركبة متعددة الطبقات. وقد تم إنتاج صفائح بسمك يتراوح بين 1.27 و2.54  مم وكثافة تتراوح بين 50 و99%+ من التيتانيوم النقي أحادي الطبقة، والتيتانيوم من الدرجة 5، والتيتانيوم والألومنيوم (Ti-48Al-2Cr-2Nb)، والمركبات Ti/الدرجة 5/Ti والدرجة 5/TiAl/الدرجة 5، باستخدام عملية الدرفلة المباشرة للمساحيق والتلبيد.

تقنية التشكيل الشبكي المُهندس بالليزر (LENS) هي تقنية تصنيع إضافية تُستخدم لتصنيع وتحسين وإصلاح المكونات المعدنية بسرعة مباشرةً من بيانات التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD). تعتمد هذه العملية على استخدام ليزر عالي الطاقة ذي حالة صلبة، يتم تركيزه على ركيزة معدنية لتكوين  حوض انصهار بقطر 1 مم تقريبًا. بعد ذلك، يُحقن مسحوق المعدن في حوض الانصهار لزيادة حجم المادة وبناء المكون طبقةً تلو الأخرى. وقد تم تصنيع محركات دفع غازية تجريبية (مدة التصنيع 8 ساعات) ودعامات سيارات من التيتانيوم من الدرجة 5. أما تقنية التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS) فهي مشابهة، إلا أن الليزر يقوم بصهر المادة المسحوقة بشكل انتقائي عن طريق المسح الضوئي على سطح طبقة المسحوق. بعد مسح كل مقطع عرضي، يتم خفض طبقة المسحوق بمقدار سُمك طبقة واحدة، ثم تُضاف طبقة جديدة من المادة فوقها، وتُكرر العملية حتى اكتمال القطعة.

في عملية الضغط المتساوي الساخن ، يتم استخدام درجات حرارة وضغوط عالية لدمج المساحيق إلى ما يقارب أقصى كثافاتها النظرية.

يعتمد التلبيد بمساعدة التيار الكهربائي، والمعروف أيضًا باسم تلبيد البلازما الشرارية (SPS)، على التطبيق السريع للتسخين المقاوم والضغط لدمج المساحيق بالقرب من أقصى كثافاتها النظرية، دون تأثير نمو الحبيبات غير المرغوب فيه، وبالتالي الحفاظ على حجم الحبيبات قريبًا من الحجم الأصلي وتحقيق خصائص ميكانيكية محسنة في المنتج النهائي.

يجري العمل على تجاوز الطريقة التقليدية لتفتيت المواد الخام المشغولة أو الإسفنج، وما يترتب عليها من تكلفة باهظة مرتبطة بعملية كرول التقليدية. تعتمد العديد من هذه العمليات، مثل عمليات FFC وMER Corporation وOS وGinatta وBHP Billiton، على الاختزال الإلكتروليتي لثاني أكسيد _{التيتانيوم} ( مادة رخيصة ومتوفرة بكثرة) لتكوين معدن التيتانيوم. حتى الآن، لم يُطرح أي منتج من هذه العمليات تجاريًا في السوق المفتوحة، ولم تُنشر نماذج التكلفة بعد، لكنها تُبشر بإمكانية الحصول على مسحوق تيتانيوم رخيص الثمن في المستقبل القريب . تضم الدول التي تمتلك مرافق لإنتاج إسفنج التيتانيوم كلاً من المملكة العربية السعودية والصين واليابان وروسيا وكازاخستان والولايات المتحدة الأمريكية وأوكرانيا والهند. يُعد مصنع إسفنج التيتانيوم في الهند المصنع الوحيد في العالم القادر على القيام بجميع أنشطة تصنيع إسفنج التيتانيوم المستخدم في صناعة الطيران والفضاء تحت سقف واحد. ^{[ 6 ] [ 7 ]}