Döküm Titanyum Alaşımlarının Türleri, Özellikleri ve Kusurları Nelerdir?

Döküm titanyum alaşımları, tavlanmış mikroyapılarına göre α, α+β ve β tipleri olarak sınıflandırılır. Bu alaşımların yararlı özellikleri arasında düşük yoğunluk, yüksek özgül mukavemet ve korozyon direnci sayılabilir; döküm davranışları ise eriyik akışkanlığı, katılaşma büzülmesi ve reaktivite tarafından belirlenir. Bu kılavuz, listelenen kalitelerin malzeme gruplarını, bileşimlerini ve mekanik özelliklerini karşılaştırmakta ve yaygın döküm kusurlarını ele almaktadır.

Döküm Titanyum Alaşımlarının Özellikleri

Titanyum, düşük yoğunluk, yüksek mukavemet, iyi tokluk, manyetik olmama özelliği, yüksek erime noktası, düşük termal genleşme katsayısı ile korozyona ve biyolojik saldırılara karşı güçlü direnci bir araya getirir. Döküm titanyum alaşımları genellikle aşağıdaki on özelliğe sahiptir.

1. Düşük Yoğunluk, Yüksek Mukavemet ve Yüksek Öz Mukavemet

Titanyumun yoğunluğu 4,51 g/cm³'tür³, çeliğin yaklaşık 57%'si kadardır. Alüminyumdan iki katından biraz daha ağırdır, ancak mukavemeti yaklaşık üç kat daha fazla olabilir. Burada sunulan karşılaştırmada, titanyum alaşımlarının özgül mukavemeti paslanmaz çeliğin yaklaşık 3,5 katı, alüminyum alaşımlarının 1,3 katı ve magnezyum alaşımlarının 1,7 katıdır. Bu özellikleri, titanyum alaşımlarını havacılık ve uzay uygulamaları için önemli yapısal malzemeler haline getirir.

2. Mükemmel Korozyon Direnci

Titanyumun pasifliği, üzerindeki oksit tabakasına bağlıdır. Korozyon direnci, hızlı korozyonun meydana gelebileceği indirgeyici ortamlara kıyasla, oksitleyici ortamlarda çok daha yüksektir. Titanyum, deniz suyu, ıslak klor, klorit ve hipoklorit çözeltileri, nitrik asit, kromik asit, metal klorürler, sülfürler ve organik asitler gibi ortamlarda korozyona karşı direnç gösterir.

3. İyi Isı Direnci

Alüminyum genellikle 150 °C civarında, paslanmaz çelik ise 310 °C civarında orijinal performansını yitirirken, titanyum alaşımları 500 °C civarında bile kullanışlı mekanik özelliklerini koruyabilir. Yaklaşık Mach 2,7 hızında bir uçağın yüzey sıcaklığı 230 °C'ye ulaşabilir; bu sıcaklıkta alüminyum ve magnezyum alaşımları kullanım için uygun olmayabilir. Titanyum alaşımları, uçak motoru kompresör disklerinde ve kanatçıklarında ile gövdenin arka kısmındaki kaplamalarda kullanılır.

4. Düşük Sıcaklıkta İyi Performans

Ti-5Al-2,5Sn ELI gibi bazı titanyum alaşımlarında, sıcaklık düştükçe mukavemet artarken süneklik sadece hafif bir oranda azalır. Bu alaşımların düşük sıcaklıktaki süneklik ve tokluk özellikleri, sıvı hidrojen ve sıvı oksijen roket motorlarında ve insanlı uzay araçlarına yönelik kriyojenik kaplar ile tanklarda kullanımını mümkün kılar.

5. Manyetik Olmayan Davranış

Titanyum manyetik değildir. Denizaltı gövdelerinde kullanıldığında manyetik mayınları tetiklemez.

6. Düşük Isıl İletkenlik

Titanyumun ısı iletkenliği, çeliğin yaklaşık beşte biri, alüminyumun on üçte biri ve bakırın yirmi beşte biri kadardır. Düşük ısı iletkenliği, bazı uygulamalarda bir dezavantaj oluşturur.

7. Düşük Elastik Modül

Titanyumun elastik modülü, çeliğin yaklaşık 55%'sine eşittir. Yapısal uygulamalarda bu nispeten düşük modül bir dezavantaj oluşturabilir.

8. Çekme ve akma mukavemetleri birbirine yakındır

Örnek olarak verilen Ti-6Al-4V'de çekme mukavemeti 960 MPa, akma mukavemeti ise 892 MPa olup, aradaki fark sadece 68 MPa'dır.

9. Titanyum, yüksek sıcaklıkta kolayca oksitlenir

Titanyum, hidrojen ve oksijene karşı güçlü bir afiniteye sahiptir; bu nedenle oksidasyon ve hidrojen emilimi kontrol altında tutulmalıdır. Kaynak işlemi argon koruması altında gerçekleştirilmelidir. Titanyum boru ve saclar vakum altında ısıl işleme tabi tutulurken, titanyum dövme parçalar için hafif oksitleyici bir fırın atmosferinin dikkatli bir şekilde kontrol edilmesi gerekir.

10. Düşük Sönümleme Kapasitesi

Aynı şekil ve boyutta titanyum, bakır ve çelikten yapılmış çanlar aynı kuvvetle vurulduğunda, titanyum çan daha uzun süre çalar. Darbe enerjisi yavaşça dağılır; bu da sönümleme kapasitesinin düşük olduğunu gösterir.

Döküm Titanyum Alaşımlarının Sınıflandırılması

Aşağıda gösterilen 12 döküm titanyum kalitesi, tavlanmış mikroyapılarına göre gruplandırılmıştır. ZT tanımı, Çin standart sisteminde döküm titanyumu belirtir. Atıfta bulunulan Çin ulusal standartları şunlardır: GB/T 6614-2014, Titanyum ve Titanyum Alaşımlı Dökümler, ve GB/T 15073-2014, Döküm Titanyum ve Titanyum Alaşımları.

Döküm Titanyum ve Titanyum Alaşımlarının Kimyasal Bileşimi

Aşağıdaki bileşim tablosu GB/T 6614-2014 standardına dayanmaktadır; bu standarttaki sınır değerler, burada belirtilen döküm kaliteleri ve koşulları için geçerlidir.

Notlar: Diğer elementler, titanyum döküm üretimi sırasında doğal olarak bulunan eser elementlerdir; bunlar genellikle Al, V, Sn, Mo, Cr, Mn, Zr, Ni, Cu, Si, Nb ve Y’yi içerir; ancak söz konusu kalitede kasıtlı olarak eklenen alaşım elementleri bu kapsama girmez. Diğer elementlere ilişkin tek tek ve toplam sınır değerleri, yalnızca alıcı tarafından talep edildiğinde analiz edilir.

Döküm Titanyum ve Titanyum Alaşımlarının Mekanik Özellikleri

Aşağıdaki bileşim ve mekanik özellik tablosu GB/T 15073-2014 standardına dayanmaktadır; bu tablodaki değerler, tüm döküm titanyum ürünleri için geçerli evrensel sınırlar olarak sunulmamaktadır.

1. α titanyum alaşımları. Tavlanmış yapı tamamen α fazından oluşur. Bu malzemeler, oda sıcaklığında mukavemetleri yüksek olmasa da, yüksek sıcaklıkta iyi bir yapısal kararlılığa sahiptir ve ısıya dayanıklı titanyum alaşımlarının temelini oluşturur. Ticari olarak saf titanyum da bir α malzemesidir.
2. α+β titanyum alaşımları. Tavlanmış yapı, α ve β fazlarını içerir. Bu alaşımlar ısıl işlemle mukavemetlendirilebilir ve 400-450 °C’de nispeten yüksek mukavemet ile iyi bir ısı direncine sahiptir. Daha yüksek sıcaklıklarda ise yapısal kararlılık ve kaynaklanabilirlik, α alaşımlarına kıyasla daha düşüktür.
3. β titanyum alaşımları. Tavlanmış yapı β fazıdır. Söndürme ve temperleme işlemleri, yüksek mekanik özellikler elde edilmesini sağlayabilir.

α Tipi Döküm Titanyum Alaşımları

Ticari Açıdan Saf Titanyum Dökümler

Ticari olarak saf titanyum dökümler arasında ZTA1 (Çin CP titanyum döküm kalitesi), ZTA2 (Çin CP titanyum döküm kalitesi) ve ZTA3 (Çin CP titanyum döküm kalitesi) yer alır. Bu kalitelerden ilki en düşük kirlilik içeriğine sahiptir ve bu nedenle daha yüksek süneklik, ancak daha düşük mukavemet gösterir. Üçüncüsü ise daha fazla safsızlık içerir ve bu nedenle mukavemeti daha yüksek, ancak sünekliği daha düşüktür. Döküm halindeki yapı, iri Widmanstätten taneleriyle tamamen α fazından oluşur; tavlama işlemi sonucunda eş eksenli bir yapı ortaya çıkar.

Döküm davranışı, saf metalinkine benzer. Akışkanlık iyidir; dağınık büzülme sınırlıdır; yoğun büzülme boşlukları oluşabilir ve sıcak çatlama olasılığı düşüktür. CP titanyum dökümler, orta düzeyde mukavemet, iyi süneklik, iyi dökülebilirlik, korozyon direnci ve kaynaklanabilirlik özelliklerine sahiptir. 300 °C’de uzun süreler boyunca çalışabilirler.

Ti-5Al-2.5Sn Döküm Titanyum Alaşımı

Ti-5Al-2,5Sn Döküm Titanyum Alaşımı, α stabilizatörü olarak 5% alüminyum ve nötr element olarak 2,5% kalay içeren, orta mukavemetli, tek fazlı bir α alaşımıdır. Yüksek sıcaklıkta iyi mukavemet ve eriyik kaynaklanabilirliğe sahiptir. Isıl işlemle mukavemeti artırılamaz ve genellikle tavlanmış halde kullanılır. İşleme esnekliği nispeten düşük olduğundan, sac şekillendirme işlemi için ısıtma gereklidir.

Uygulama alanları arasında gövde kabukları ve paneller yer almaktadır. Bu alaşım için bildirilen çalışma sıcaklıkları, uzun süreli kullanımda 500 °C’ye kadar ve kısa süreli kullanımda 800 °C’ye kadardır.

Ti-0.2Pd Döküm Titanyum

Ti-0,2Pd Döküm Titanyum, ticari saf titanyuma az miktarda paladyum eklenerek üretilen, korozyona dayanıklı bir α malzemesidir. Paladyum, indirgeyici ortamlarda olduğu kadar oksitleyici ortamlarda da korozyon direncini artırır. Sıcak, konsantre klorür ortamlarında bu döküm malzemenin özellikle yüksek aralık korozyonu direncine sahip olduğu belirtilmektedir.

Ti-0,2Pd Döküm Titanyum, CP titanyum dökümleriyle benzer uygulama alanlarına sahiptir; ancak paladyum ilavesi nedeniyle maliyeti daha yüksektir; bu nedenle, ticari saf titanyumun hizmet gereksinimlerini karşılayamadığı durumlarda tercih edilir. Uygulama alanları arasında seyreltik hidroklorik, sülfürik ve fosforik asit ortamları; aralık korozyonuna dayanıklı titanyum ekipmanlar; kabuk-boru tip ısı eşanjörleri; tekstil eğirme uçları; asetaldehit tesislerindeki flanş astarları; ve flanşlar, bağlantı parçaları ile diğer aralık içeren bileşenler yer alır.

Ti-0.3Mo-0.8Ni Döküm Titanyum Alaşımı

Ti-0,3Mo-0,8Ni Döküm Titanyum Alaşımı, saf titanyumun aralık korozyonu performansını iyileştirmek üzere geliştirilmiş, α’ya yakın bir korozyona dayanıklı alaşımdır. Alaşımdaki 0,3% Mo ve 0,8% Ni, alaşımı güçlendirir ve sıcak, düşük pH'lı klorür ortamlarına ve hafif indirgeyici asitlere karşı direnci artırır. Bildirilen korozyon direnci, saf titanyumunkinden önemli ölçüde daha iyidir ve Ti-0,2Pd Döküm Titanyum'unkine yakındır. Ayrıca iyi işleme esnekliği ve kaynaklanabilirliğe sahiptir ve kimya endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V Döküm Titanyum Alaşımı

Bu yüksek alüminyumlu, α’ya yakın alaşımın belirtilen bileşimi 6,58% Al ve 1,46% Mo’dur. Bu alaşım, α alaşımlarının yüksek sıcaklık mukavemetini ve kaynaklanabilirliğini, α+β alaşımlarınınkine yakın bir işleme sünekliği ile birleştirir. Bildirilen uzun süreli çalışma sıcaklığı 3.000 saat boyunca 500°C olup, 5 dakikayı geçmemek kaydıyla anlık olarak 800°C'ye kadar maruz kalabilir. 450°C'de bildirilen ömür 6.000 saate ulaşmaktadır.

Uygulama alanları arasında 500 °C'nin altında çalışan yapısal ve kaynaklı yük taşıyıcı parçalar, motor kanatları ve gövdeleri, uçak sac parçaları, kirişler, bağlantı noktaları, büyük paneller, kaynaklı yük taşıyıcı çerçeveler, diğer kaynaklı yapılar ve dökümler yer almaktadır.

Ti-4Al-2V Döküm Titanyum Alaşımı

Ti-4Al-2V Döküm Titanyum Alaşımı, çeşitli ortamlarda iyi oda sıcaklığı ve yüksek sıcaklık mekanik özelliklerine, yorulma direncine, çatlak yayılma direncine, darbe direncine ve korozyon direncine sahiptir. Kaynaklanabilir ve sıcak veya soğuk şekillendirilebilir.

Uygulama alanları arasında füze basınç kapları ve roket motoru gövdeleri; uçak kompresör diskleri, kanatları, ara parçaları, koruyucu kalkanlar, kaplamalar, kirişler, bağlantı elemanları, kanatlar, kirişler, yatay dengeleyiciler, rotor göbekleri, iniş takımı, destek kirişleri ve tekerlek göbekleri; deniz hidrofoilleri, tahrik ekipmanları ve mühimmat; ayrıca buhar türbini kanatları, eksenel ve radyal kompresör diskleri, korozyona dayanıklı yaylar ve içten yanmalı motor bağlantı çubukları.

α+β Döküm Titanyum Alaşımları

Ti-6Al-4V Döküm Titanyum Alaşımı

Ti-6Al-4V Döküm Titanyum Alaşımı, en eski ve en yaygın olarak kullanılan titanyum alaşımlarından biri olarak tanımlanmaktadır. Alüminyum, katı çözelti yoluyla α fazını güçlendirir ve oda sıcaklığında ve yüksek sıcaklıklarda mukavemeti artırır. Vanadyum, mukavemeti artırır ve sünekliliği iyileştirir. Ayrıca α fazının oluşumunu da engeller.₂ düzenli faz, uzun vadeli kırılganlaşma riskini azaltır.

Bu alaşım, geniş bir mekanik performans yelpazesini iyi işleme özellikleri ve süperplastik şekillendirilebilirlikle bir araya getirir. Çeşitli basınçlı işleme yöntemleriyle şekillendirilebilir ve birçok farklı kaynak işlemiyle birleştirilebilir. Yaygın yarı mamul biçimleri arasında çubuk, dövme parçalar, ince ve kalın saclar, profiller ve tel bulunur. Genellikle tavlanmış halde kullanılır, ancak çözelti ısıl işlemi ve yaşlandırma işlemlerine de tabi tutulabilir.

Havacılık ve uzay sektöründeki kullanım alanları arasında uçak kirişleri, şasiler, raylar, iniş takımı kirişleri, fan ve kompresör diskleri ile kanatları, roket gövdeleri, basınçlı kaplar ve bağlantı elemanları yer almaktadır. 30CrMnSiA yapısal çeliğin yerine bu malzemenin kullanılması, bileşen ağırlığını yaklaşık 30% oranında azaltabilir. İnşaat sektöründeki uygulamalar arasında gaz türbini kanatları, gemi pervaneleri, açık deniz sondaj platformları, korozyona dayanıklı pompalar, tıbbi implantlar ve spor malzemeleri yer alır. Döküm olmayan Ti-6Al-4V ayrıca otomotiv şasileri, krank milleri, bağlantı çubukları, cıvatalar, emme valfleri ve süspansiyon yayları için de kullanılır.

Ti-6Al-4.5Sn-2Nb-1.5Mo Döküm Titanyum Alaşımı

Bu alaşım, yüksek mukavemet, yüksek tokluk, hasar toleransı ve kaynaklanabilirlik özelliklerini bir araya getirir ve 500 °C’nin altındaki sıcaklıklarda uzun süreler boyunca kullanılabilir. Açıklanan uygulamalar arasında havacılık ve sivil kullanım amaçlı yapısal bileşenler yer almaktadır; çubuk, dövme parçalar ve kalın levhalar da başlıca yarı mamul formlar olarak listelenmiştir. Bu dövme ürün formları, bu bölümde ele alınan döküm malzemelerden farklıdır.

β Tipi Döküm Titanyum Alaşımları

Ti-32Mo Beta Döküm Titanyum Alaşımı, çok yüksek korozyon direnci sunar ve çeşitli yöntemlerle kaynaklanabilir; ancak mukavemet artırımı amacıyla ısıl işleme tabi tutulabilir bir alaşım olarak tanımlanmaz. Yüksek molibden içeriği, eritme işlemini zorlaştırır ve yoğunluğu 5,69 g/cm³’e yükseltir.³, elastik modülünü düşürür ve 500 °C’nin üzerindeki sıcaklıklarda havada ısıtıldığında şiddetli oksidasyona neden olur. Bu nedenle, esas olarak güçlü asitlere maruz kalan döküm pompalar, vanalar ve benzeri bileşenlerde kullanılır.

Döküm Davranışı ve Yaygın Kusurlar

Alaşım elementleri genellikle katılaşma sıcaklık aralığını genişletir ve akışkanlığı azaltır. Bununla birlikte, alüminyum içeriğinin artırılması kristalleşme ısısını yükseltir ve akışkanlığı iyileştirebilir. Kütlece 10% Al ilavesi, kristalleşme ısısını 327 J/g’dan 435 J/g’a yükseltir. Ti-32Mo Beta Döküm Titanyum Alaşımı, 31%-35% Mo içerir, geniş bir katılaşma aralığına ve zayıf akışkanlığa sahiptir ve ince cidarlı dökümler için uygun değildir.

Ticari saf titanyumda yoğun büzülme boşlukları hacimce yaklaşık 1%’yi kaplar. Kütlece % alaşım elementi içeriğinde, yoğun büzülme hacim fraksiyonu yaklaşık 0,5%-1,5%’dir. Geniş bir katılaşma aralığına sahip alaşımlarda, katılaşma sırasında oluşan büzülme boşlukları, kalan sıvıdan gelen gazla doldurulabilir ve bu da gaz kaynaklı büzülme boşluklarının oluşmasına neden olur. Titanyum alaşımlı dökümler, bu kusurun oluşmasına karşı güçlü bir eğilim gösterir. Katılaşma aralığı genişledikçe, dağınık büzülme gözenekliliği de artar.

Ticari olarak saf titanyumun doğrusal büzülme katsayısı 1,0%-1,1% arasındadır. Titanyum alaşımlarının büzülme katsayısı, alüminyum içeriği arttıkça artar. Düşük elastik modül ve ısıl genleşme katsayısı, yüksek sıcaklıktaki nispeten yüksek mukavemet ile birleştiğinde, titanyum alaşımlarına sıcak çatlamaya karşı iyi bir direnç sağlar. Yüzey soğuk çatlakları, döküm sırasında erimiş titanyum ile kalıp arasındaki reaksiyonlarla veya döküm yüzeyinde ve boşluklarda bulunan gaz halindeki safsızlıklarla meydana gelen reaksiyonlarla ilişkilidir; bu reaksiyonlar, kırılgan, oksijen bakımından zengin bir α-tabaka oluşturur. Bu kırılgan yüzey tabakası, kolayca soğuk çatlaklara yol açar.