Havacılık ve Uzay Sektöründe Hangi Titanyum Alaşımlı Sistemler Kullanılır?

Titanyum alaşımlarının geliştirilmesi havacılık sektöründe başlamış ve sektörün daha hafif, daha dayanıklı ve daha yüksek sıcaklıklara dayanıklı yapılarına olan talebiyle birlikte gelişmiştir. Havacılık ve uzay sektöründeki titanyum sistemleri dört gruba ayrılabilir: yüksek mukavemetli ve yüksek tokluklu alaşımlar, yüksek sıcaklık alaşımları, yanmaya dayanıklı alaşımlar ve titanyum matrisli kompozitler.

Yüksek Mukavemetli ve Yüksek Tokluklu Titanyum Alaşımları

Çekme mukavemeti 1000 MPa’nın üzerinde ve kırılma tokluğu 55 MPa·m’nin üzerinde olan alaşımlar^1/2 burada genellikle yüksek mukavemetli, yüksek tokluklu titanyum alaşımları olarak ele alınmaktadır. Ti-Al-Mo-V-Cr başlıca bir sistemdir. Ti-1023, Boeing 777 iniş takımı ve A380 ana iniş takımı desteklerinde kullanılmıştır; Timetal 555, Boeing 777 iniş takımı ve boji kirişlerinde kullanılmıştır. Rus BT22, Su-27 ve Il-76 gibi uçaklarda büyük yük taşıyan gövde ve iniş takımı bileşenlerinde kullanılmıştır.

Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al, beta yapısını stabilize etmek için Mo, V ve Cr kullanır. Bu katkıların artırılması sünekliği iyileştirebilir; ısıl işlemden sonra çekme mukavemeti 1100-1200 MPa'ya ulaşabilir. Çözelti işleminden sonra iyi bir soğuk şekillendirilebilirliğe ve çözelti işlemi ile yaşlandırma işleminden sonra kullanışlı bir mukavemet-süneklik dengesine sahiptir. Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al, daha az Cr içerir ve kritik konsantrasyona yakın bir beta stabilizatör içeriğine sahiptir; bu sayede alfa-beta ve metastabil-beta alaşımlarının özelliklerini birleştirir. Isıl işlemden sonra 1110 MPa çekme mukavemetine ve 70,5 MPa·m'ye ulaşabilir.^1/2 havacılık ve uzay yapıları için kırılma dayanımı.

Yüksek Sıcaklık Titanyum Alaşımları

Yüksek sıcaklık titanyum alaşımları, uçak motorları için hayati önem taşıyan malzemelerdir. Yaygın olarak kullanılan ilk alaşım olan Ti-6Al-4V, yaklaşık 300-350 °C sıcaklık aralığında çalışır ve sıcak mukavemet, süneklik, tokluk, şekillendirilebilirlik ve biyouyumluluk özelliklerini bir arada barındırır. IMI550, BT3-1 ve IMI685 gibi daha sonraki alaşımlar, çekme ve sünme mukavemetini artırmış ve çalışma sıcaklığını 400°C'ye yaklaştırmıştır. Silikon ilaveleri ve Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si geliştirme çalışmaları, kısmen alfa ile güçlendirilmiş IMI834, Ti-1100, BT36 ve diğer alaşımların ortaya çıkmasına yol açmıştır.₂. Birleşik Krallık’ta ve Trent 700 motorlarında yaygın olarak kullanılan IMI834, yaklaşık 600 °C’ye ulaşır.

Temsili ABD Alaşımları

Birleşik Krallık'ta Yaygın Olarak Kullanılan Alaşımlar

Tipik Rus ve Çin Alaşımları

600 °C’nin altında, bu alaşımlar özgül mukavemet, özgül sünme mukavemeti ve özgül yorulma mukavemeti açısından yapısal çelik, alüminyum ve nikel süperalaşımlarından daha üstün performans gösterebilir. Eşit mukavemet ve hizmet kapasitesi koşullarında nikelin titanyumla değiştirilmesi, kütleyi yaklaşık 1,7 kat azaltabilir. Yüksek itme-ağırlık oranına sahip motorlar ayrıca bliskler, blingler, kaynaklı yapılar ve Ti gerektirir.₂AlNb, TiAl ve elyaf takviyeli titanyum kompozitler.

Mach 6 hızında, bir uçağın yüzey sıcaklığı 650 °C’yi aşabilir; bu da ısıya dayanıklı kaplamalar, iskeletler, motorlar ve uçak gövdesi bileşenlerine olan talebi artırmaktadır. Bu nedenle geliştirme çalışmaları, sünme direnci, kopma ömrü, yorulma mukavemeti, termodinamik kararlılık, oksidasyon direnci ve termal gerilme korozyonuna karşı direnci hedeflemektedir.

Ti-6Al-4V için uzun süreli hizmet sıcaklığı yaklaşık 350 °C’den yaklaşık 600 °C’ye yükselmiştir. Bu değer, geleneksel titanyum alaşımları için genellikle termal bariyer olarak kabul edilir; bu nedenle, TiAl ve silikon karbür elyaf takviyeli titanyum kompozitler, bu sıcaklığın ötesinde önemli bir rol oynamaktadır. Bildirilen 650°C alaşım konseptleri, Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si sistemlerine Hf, Nb ve Ta eklemektedir. Nadir toprak element ilaveleri 0,1 at.%'nin altında kalmalıdır; daha yüksek ilaveler, hızlı katılaşma toz metalurjisi gerektirir. Tamamen lameller bir yapı için beta ısıl işlem gereklidir.

Yanmaya Dayanıklı Titanyum Alaşımları

Titanyum, günümüzde birçok modern gaz türbini motorunun yapısal kütlesinin yaklaşık üçte birini oluşturmaktadır; ancak sıradan alaşımlar, sıcaklık, basınç, hava akışı ve sürtünmenin bir araya gelmesi durumunda alev alabilir. Bir yanma olayı, sadece 4-20 saniye içinde kanat ucunda veya arka kenarda başlayan yerel bir yanmadan, gövdenin 360°’lik bir açıda tamamen yanmasına kadar ilerleyebilir.

Yanmaya dayanıklı alaşımlar, tutuşmaya veya alevin yayılmasına karşı direnç gösterir. C Alaşımı (Ti-35V-15Cr), F119 yüksek basınçlı kompresörün stator kanatlarında, iç halkalarında ve nozul kanatçıklarında kullanılır. Alaşım C+, sünme direnci sağlamak için Si ve C ilavesi içerir. Ti40 (Ti-25V-15Cr-0,2Si), 500°C civarında uzun süreli kullanım için tasarlanmıştır ancak 510°C'nin üzerinde sünme direncini yitirir ve 520°C'yi aşmamalıdır. Ti-35V-15Cr-Si-C bazlı TF550'nin yoğunluğu 5,33 g/cm³'dür.³ ve 550 °C’de yararlı sürünme ve kopma davranışları.

Ti-V-Cr Sistemleri

V ve Cr, yanmadan önce yoğun bir koruyucu oksit tabakası oluşturabilir, uçucu ürünler yoluyla ısı salınımını azaltabilir, erime sıcaklığını düşürebilir ve ısı dağılımını iyileştirebilir. C alaşımı, nominal bileşimi 50Ti-35V-15Cr olan ve yoğunluğu yaklaşık 5,34 g/cm³ olan bir beta alaşımıdır.³. C+ alaşımı, Ti-35V-15Cr-0,6Si-0,05C’dir. Bu sistemler pahalı olmaya devam etmekte, eritilmesi zordur ve erime noktasının altında yüksek ısı iletkenliği göstermez; Ti40’ın ısı iletkenliği, erime noktasına yakın veya üzerinde yalnızca iki ila üç kat artar; dolayısıyla, yanma direncini sadece hızlı ısı dağılımı ile açıklamak mümkün değildir.

Ti-Al-Cu Sistemleri

Ti-Cu alaşımları, düşük erime noktalı bir Ti oluşturur₂Cu, 990 °C civarında sıvı hal alır. Erime sırasında ısı emilir ve sıvı yağlama, sürtünmeyi ve ısı oluşumunu azaltır. Rus BTT-1 (Ti-13Cu-4Al-4Mo-2Zr) alaşımı, yaklaşık 450 °C’ye kadar kullanılabilir ve karmaşık parçaların sıcak şekillendirilmesinde iyi sonuç verir. BTT-3 (Ti-18Cu-2Al-2Mo) ise daha iyi süneklik ve yanma direncine sahiptir ve sac ile folyo uygulamaları için uygundur; ancak her iki alaşım da sınırlı tokluk gösterir, kolayca çatlar ve eritme sırasında büzülme meydana gelebilir.

Ti-Nb Sistemleri

Ticari Ti-45Nb, otoklavlarda kullanılır. Aşırı yük çekme tutuşma testinde, 250 °C ve 3,1 MPa koşullarında saf oksijen ortamında yanmamıştır ve ayrıca iyi bir korozyon direnci sergilemiştir; ancak yüksek yoğunluğu, kullanımını sınırlamaktadır.

TiAl Intermetalikleri

TiAl intermetalik bileşikleri, düşük yoğunluk, yüksek modül, oksidasyon direnci ve yanma direncini bir araya getirir; bildirilen maksimum çalışma sıcaklığı 1040 °C’ye kadar çıkmaktadır, ancak oda sıcaklığında görülen kırılganlık, işlenmelerini zorlaştırmaktadır. Ti-Al sistemi, Ti’yi içerir₃Al, TiAl ve TiAl₃. 700 ile 850 °C arasında TiAl, geleneksel titanyum ve nikel süper alaşımlarına kıyasla daha yüksek özgül mukavemete ve yaygın motor yapı malzemelerine kıyasla yaklaşık 50% daha yüksek özgül sertliğe sahiptir.

GE tarafından geliştirilen Gamma-TiAl kanatlar, Boeing 787’deki GEnx alçak basınç türbininin 6. ve 7. aşamalarında nikel süperalaşımlı kanatların yerini aldı ve kütleyi 72,5 kg’a kadar azalttı. Nb-TiAl, otomotiv turboşarjlarında da kullanılmaya başlanmış olup, 700-900 °C'lik yapılar için geliştirilmektedir.

Titanyum Matrisli Kompozitler

Sürekli SiC elyaf takviyeli titanyum matrisli kompozitler, titanyum veya TiAl matrislerinde tungsten çekirdekli ya da karbon çekirdekli SiC elyafı kullanır. Bu kompozitler, yüksek özgül mukavemet ve sertlik, düşük yoğunluk, sünme ve yorulma direnci ile uzun süreler boyunca 600-800°C ve kısa süreliğine 1000°C'ye kadar çalışma kabiliyetini bir araya getirir. Tek parça kanatlı bir halka, ayrı kanatlar ve diske kıyasla kompresör kütlesini yaklaşık % oranında azaltabilir.

SiC_f/Ti anizotropiktir: Boyuna çekme mukavemeti, matrisin mukavemetini iki kattan fazla aşabilirken, enine mukavemet matrisin mukavemetinin yalnızca yarısı kadar olabilir. Bu özellik, yönlü yüklemeye maruz kalan kanatlar, türbin milleri, bağlantı çubukları, piston çubukları, kaplamalar ve yaylar için uygundur.

Sıcak izostatik presleme veya vakumlu sıcak presleme işlemlerinde, arayüz reaksiyonu, öncü malzeme telinin yoğunlaştırılması ve kutuya difüzyonla birleştirme süreçleri kontrol altına alınmalıdır. Elyaf özellikleri, kaplamalar, öncü malzeme kalitesi, katmanlama, şekillendirme ve işleme işlemleri, nihai davranışı etkileyen faktörlerdir. Ti-1100 matrisli SiC_f/Ti bling'lerin sıcaklığının 700-800 °C'ye ulaştığı ve yaklaşık 50%'lik bir yapısal kütle azalması olduğu bildiriliyor.

Görünüm

Geleceğin havacılık ve uzay sistemleri, daha yüksek mukavemet, tokluk, hasar toleransı, sıcaklık dayanımı, oksidasyon direnci ve daha düşük maliyet gerektirmektedir. Öncelikli alanlar arasında hasara dayanıklı alaşımlar, yorulmaya dayanıklı yapısal alaşımlar, gelişmiş TiAl malzemeleri ve hızlı katılaşma, toz metalurjisi veya elyaf ve parçacık takviyesi yöntemleriyle üretilen titanyum matrisli kompozitler yer almaktadır.

Kompozit geliştirme alanında hâlâ şu konularda iyileştirme gereklidir: daha iyi stabilite, istatistiksel olarak güvenilir özellik verileri, malzeme karakterizasyonu, arıza ve ömür tahmini, mikro ölçekte tahribatsız muayene, eşmerkezli proses kontrolü, tasarım kriterleri, yeterlilik yöntemleri, istikrarlı elyaf ve matris partileri, yüksek sıcaklık kaplamaları, üretim verimliliği ve bileşen spesifikasyonları.