Titanyum Alaşımlarının Mikroyapıları Nasıl Belirlenir?

Titanyum ve titanyum alaşımları, düşük yoğunluk, yüksek özgül mukavemet, korozyon direnci, yüksek sıcaklık dayanımı, manyetik olmayan davranış ve toksik olmama özelliklerini bir arada barındırır. Bu malzemeler, havacılık ve uzay, gemi mühendisliği, petrol, kimyasal işleme, hafif sanayi, metalurji, makine, tıp ve enerji sektörlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Titanyum alaşımları genellikle alfa, alfa-beta ve beta alaşımları olarak sınıflandırılır. Temel fazları nispeten basittir; ancak işleme koşulları, birçok morfoloji ve dağılımın yanı sıra geçiş fazları ve kirlilik fazlarının da oluşmasına neden olabilir.

Titanyum Alaşımlarının Metalografik Yapıları

Ticari olarak saf titanyum (CP titanyum), alfa ailesine aittir. Diğer alfa alaşımları genellikle yaklaşık 6% alüminyum ile az miktarda nötr element içerir ve tavlamadan sonra neredeyse tamamen alfa halindedir. Bu toplu sınıflandırma, CP titanyum ve alfa titanyum alaşımlarını kapsamaktadır. Neredeyse alfa alaşımları ise ek olarak yaklaşık %4%'den fazla beta stabilize edici element içermez; bunlara örnek olarak Ti-8Al-1Mo-1V (Ti-811) ve Ti-4Al-2V verilebilir.

Alfa Titanyum Alaşımları ve Mikroyapıları

Alfa titanyum alaşımları neredeyse tamamen alfa fazından oluşur; ancak demir veya manganez içeriği nispeten yüksek olduğunda eser miktarda beta fazı da görülebilir. Alfa fazı iki temel biçimde bulunur: eşeksenli ve lameller veya iğne şeklinde. Tek-alfa bölgesinde işleme ve tavlama işlemleri, CP titanyumdakine benzer eşeksenli alfa taneleri oluşturur.

Tavlama işlemi, alfa/alfa-beta geçiş sıcaklığı olan yaklaşık 955 °C’yi veya alfa-beta/beta geçiş sıcaklığı olan yaklaşık 1040 °C’yi aşarsa, yüksek sıcaklıkta oluşan beta fazı, sonraki fırın veya hava soğutması sırasında Widmanstatten karakterine sahip lameller veya iğne şeklinde alfa fazına dönüşür. Fırın soğutması daha büyük, yuvarlak plakalar oluştururken; hava soğutması daha ince, daha keskin iğneler oluşturur. Eşeksenli alfa ile karşılaştırıldığında, bu morfolojiler çekme mukavemeti üzerinde çok az etkiye sahiptir ancak sünekliliği azaltır.

Alfa-Beta Titanyum Alaşımları ve Mikroyapıları

Alfa-beta alaşımları, kütlece %6%’den az alüminyum ile birlikte çeşitli beta stabilizatörleri ve nötr elementler içerir. Tavlama işleminden sonra, farklı oranlarda alfa ve beta fazları içerirler. Genellikle iyi kaynaklanırlar ve ısıl işlemle mukavemetleri artırılabilir, ancak soğuk şekillendirilebilirlikleri ve soğuk işlenebilirlikleri zayıftır. Örnekler arasında Ti-6Al-4V, Ti-6,5Al-3,5Mo-1,5Zr-0,3Si ve TC21 (yaklaşık olarak Ti-62222 ile karşılaştırılabilir) sayılabilir.

Ti-6Al-4V, en yaygın olarak kullanılan alfa-beta titanyum alaşımıdır. Genellikle sıcak işleme tabi tutulur ve tavlanır, ancak su banyosunda sertleştirilip yaşlandırılabilir de. Alfa-beta oranı ile her iki fazın morfolojisi, boyutu ve dağılımı, sıcak işleme koşullarına son derece duyarlıdır.

Söndürme veya izotermal işlem sırasında, beta fazından alfa çökelmesine, çekirdeklenme ve büyüme yoluyla oluşan, denge dışı bir altmikroskobik faz olan geçiş omega fazı eşlik edebilir.

Beta Titanyum Alaşımları ve Mikroyapıları

Beta alaşımları, kararlı beta, metastabil beta ve yakın beta alaşımları olarak alt gruplara ayrılır. Önemli metalografik değişkenler arasında beta tane boyutu, birincil ve ikincil alfa miktarı ve morfolojisi ile tane sınırları boyunca alfa dağılımı sayılabilir.

Kararlı Beta Alaşımları

Kararlı beta alaşımları, oda sıcaklığına kadar yapılan su verme işlemi sırasında martensitik dönüşümü engelleyecek kadar beta stabilizatörü içerir. Tavlanmış ve su verilmiş matrisleri eşeksenli beta yapısındadır ve yüksek sıcaklıkta sünme sonucu ikizler oluşabilir. Bu alaşımlar, nispeten düşük oda sıcaklığı mukavemetine, iyi soğuk şekillendirilebilirliğe ve indirgeyici ortamlarda iyi korozyon direncine sahiptir.

Metastabil Beta Alaşımları

Metastabil beta alaşımları, kritik konsantrasyonun üzerinde beta stabilizatörleri içerir; molibden eşdeğeri yaklaşık 10%, alüminyum içeriği en fazla 3% ve az miktarda nötr elementler bulunur. Beta alanında yapılan çözelti işlemi, neredeyse tamamen metastabil beta yapısı bırakır; yaşlandırma ise alfa fazının çökelmesine neden olur. Bu alaşımlar, iyi soğuk işlenebilirlik ile yüksek yaşlandırma mukavemetini bir araya getirir. Temsili bileşimler arasında Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al, Ti-10Mo-8V-1Fe-3,5Al ve Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3) bulunur.

Beta’ya Yakın Alaşımlar

Beta-yakın alaşımlar, kritik konsantrasyona yakın miktarda beta stabilizatörlerinin yanı sıra nötr elementler ve alüminyum içerir. Beta-alan çözelme işlemi, bol miktarda metastabil beta ve diğer metastabil alfa veya omega bileşenleri oluşturur; yaşlandırma işleminden sonra alfa ve beta baskın hale gelir. Bu alaşımlar dövme parçalar için son derece uygundur ve mukavemet ile tokluk arasında iyi bir denge sağlar. Ti-10V-2Fe-3Al (Ti-10-2-3) bu alaşımların tipik bir örneğidir.