Titanyum Alaşımlarının Türleri, Isıl İşlemleri ve Uygulamaları Nelerdir?

Titanyum ve titanyum alaşımları, mukavemet, ısı direnci ve korozyon direnci açısından alüminyum ve alüminyum alaşımlarından daha üstün özelliklere sahiptir. Havacılık, uzay, kimyasal işleme, füze ve deniz araçları sektörlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak titanyum, yüksek sıcaklıklarda son derece reaktif hale gelir. Bu nedenle eritme, döküm, kaynak ve ısıl işlem işlemleri vakum altında veya inert bir atmosferde gerçekleştirilmelidir. Bu katı işleme koşulları ve yüksek maliyetler, titanyumun daha yaygın kullanımını sınırlamaktadır.

Ticari Olarak Saf Titanyum

Titanyum, erime noktası 1.680 °C ve yoğunluğu 4,5 g/cm olan gümüş-beyaz renkli bir metaldir.³. Alüminyumdan daha ağır, ancak çelikten daha hafiftir. Mukavemeti alüminyumunkinin yaklaşık altı katıdır; bu da ona yüksek özgül mukavemet kazandırır. Titanyum ayrıca yüksek süneklik, iyi ısı direnci ve düşük termal genleşme katsayısına sahiptir; bu nedenle yüksek sıcaklıkta kullanım veya sıcak işleme sırasında termal gerilme nispeten düşüktür.

Titanyum, sülfürik asit, hidroklorik asit, nitrik asit, sodyum hidroksit ve diğer alkali çözeltilerde, nemli ortamlarda ve deniz suyunda mükemmel korozyon direncine sahiptir. Hidroflorik aside karşı direnç göstermez. Titanyum, yüzeyinde yoğun bir oksit tabakası oluşması ve metalik parlaklığını koruması nedeniyle atmosferde kararlıdır. Ancak 600°C'nin üzerinde bu tabaka koruyucu etkisini yitirir.

Titanyumun iki allotropik formu vardır. 882,5 °C’nin altında, kararlı yapı altıgen sıkı paketlenmiş α-Ti’dir. 882,5 °C’den erime noktasına kadar ise kararlı yapı gövde merkezli kübik β-Ti’dir.

Ticari olarak saf titanyum (CP titanyum), interstisyel ve kirlilik elementlerinin izin verilen seviyelerine göre farklı sınıflara ayrılır. Bu kirlilikler, mukavemet, süneklik ve korozyon direncini etkiler. ASTM sistemlerinde yaygın olarak kullanılan sınıflar arasında 1, 2, 3 ve 4 numaralı sınıflar bulunur ve kaynak, 2 numaralı sınıfı genel endüstriyel uygulamalar için en yaygın olarak kullanılan sınıflardan biri olarak tanımlamaktadır. Bu açıklama, uluslararası CP titanyum çerçevesini açıklamaktadır ve Çin CP titanyum sınıflarıyla bire bir eşleşme sağlamamaktadır.

CP titanyum, iyi korozyon direncini orta düzeyde bir mukavemetle birleştirir. Bu malzeme, çok yüksek mukavemet gerektirmeyen ancak korozyon direnci talep eden parçalar için uygundur; bunlara uçak gövdeleri ve yapıları, kimyasal işleme ekipmanları, reaktörler, ısı eşanjörleri ve deniz suyu tuzdan arındırma ekipmanları dahildir.

CP titanyum, normalde geleneksel ısıl işlemlerle mukavemetlendirilemez. Soğuk işleme, mukavemetini artırabilir. Başlıca ısıl işlemleri, sünekliliği geri kazandıran, kalıntı gerilimi azaltan ve boyutsal kararlılığı artıran yeniden kristalleştirme tavlaması ve gerilim giderme tavlamasıdır.

Bileşim, Mikro Yapı, Sınıflandırma ve Tanımlar

Alaşımlayıcı Elementler

Titanın mukavemetini artırmak için alaşım elementleri eklenir. α-Ti’de çözünen elementler bir α katı çözeltisi oluştururken, β-Ti’de çözünen elementler bir β katı çözeltisi oluşturur. Alüminyum, karbon, azot, oksijen ve bor, α/β allotropik dönüşüm sıcaklığını yükseltir ve α-stabilize edici elementler olarak adlandırılır. Demir, molibden, magnezyum, krom, manganez ve vanadyum ise dönüşüm sıcaklığını düşürür ve β-stabilize edici elementler olarak adlandırılır. Kalay ve zirkonyumun dönüşüm sıcaklığı üzerinde çok az etkisi vardır ve bunlar nötr elementler olarak kabul edilir.

Mikroyapısal Sınıflar

Hizmet koşullarına göre veya tavlanmış mikroyapılarına göre titanyum alaşımları, α alaşımları, β alaşımları, (α+β) alaşımları ve az miktarda β fazı içeren near-α alaşımları olarak sınıflandırılır. Çin alaşım tanımlamalarında, bu üç ana alaşım grubu için TA, TB ve TC ön ekleri kullanılır ve bunların ardından bir sayı gelir. Performanslarına göre titanyum alaşımları ayrıca düşük, orta veya yüksek mukavemetli alaşımlar olarak da tanımlanabilir.

Titanyum Alaşımlarının Isıl İşlemi

Stres Giderici Tavlama

Gerilim giderme tavlaması, işleme veya kaynak işlemleri sonucunda oluşan iç gerilimi ortadan kaldırır. Kaynakta, tipik sıcaklık aralığı 450 ila 650 °C, bekletme süresi 1 ila 4 saat ve hava ile soğutma belirtilmiştir.

Yeniden Kristalleştirme Tavlaması

Yeniden kristalleştirme tavlaması, iş sertleşmesini ortadan kaldırır. Tipik sıcaklıklar, saf titanyum için 550 ila 690 °C ve titanyum alaşımları için 750 ila 800 °C’dir; bu işlemde 1 ila 3 saat bekletme süresinin ardından hava ile soğutma yapılır.

Söndürme ve Yaşlandırma

Söndürme ve yaşlandırma işlemleri, alaşımın mukavemetini ve sertliğini artırır. α titanyum alaşımları genellikle söndürülmez ve yaşlandırılmaz. β alaşımları ve nispeten yüksek miktarda stabilizatör element içeren (α+β) alaşımları için söndürme sıcaklığı genellikle α+β iki fazlı bölgenin üst kısmında seçilir. Kaynakta 760 ila 950°C, 5 ila 60 dakika tutma süresi ve su soğutması belirtilmiştir.

Söndürme işleminden sonra, β fazı metastabil hale gelirken bir miktar α fazı kalır. Yaşlandırma sırasında, dağınık α fazı metastabil β fazından çökelir ve bu da mukavemet ile sertliği artırır. Söndürülmüş ve yaşlandırılmış Ti-6Al-4V mikroyapısı, bloklu α+β ve iğne şeklinde α içerir. Isıtma işlemi sırasında kirlenme, oksidasyon ve aşırı ısınma önlenmelidir. β taneleri aşırı büyüdükten sonra, ısıl işlemle orijinal tane boyutu geri kazanılamaz.

Yaygın Titanyum Alaşım Türleri ve Uygulamaları

Alfa Titanyum Alaşımları

α titanyum alaşımları tamamen bir α katı çözeltisinden oluşur ve bu nedenle iyi bir tokluk ve süneklik gösterir. Soğuk işlemeyle sac ve çubuk gibi yarı mamul ürünlere dönüştürülebilirler. Mikro yapıları yüksek sıcaklıkta kararlıdır ve iyi bir oksidasyon direnci ile sıcak mukavemete sahiptir. 500 ila 600°C arasında mukavemetleri, üç ana titanyum alaşımı sınıfı arasında en yüksektir; ancak oda sıcaklığındaki mukavemetleri genellikle β ve (α+β) alaşımlarınınkinden daha düşüktür. Temsili bir alaşım olan Ti-5Al-2,5Sn, füze yakıt tankları ve süpersonik uçak türbin gövdelerinde kullanılır.

Beta Titanyum Alaşımları

Tam β titanyum alaşımları, nispeten yüksek yoğunlukları, zayıf ısı direnci ve düşük oksidasyon direnci nedeniyle endüstriyel olarak nadiren kullanılır. 700 °C’nin üzerinde, atmosferdeki safsızlık gazları tarafından kolayca kirlenirler ve üretim süreçleri karmaşıktır. Bununla birlikte, gövde merkezli kübik yapı iyi bir süneklik sağlar ve bu da metastabil β titanyum alaşımlarının geliştirilmesine yol açmıştır. Bu alaşımların tipik bir örneği Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al'dir. Bu alaşım genellikle 350 °C'nin altındaki sıcaklıklarda, kompresör kanatları, şaftlar ve diskler gibi ağır yük altındaki dönen parçalar için kullanılır.

Alfa-Beta Titanyum Alaşımları

(α+β) titanyum alaşımları, α ve β alaşımlarının avantajlarını bir araya getirir. İyi bir ısı direnci ve süneklik sunarlar, ısıl işlemle mukavemetleri artırılabilir ve üretimi nispeten kolaydır. Ti-6Al-4V, bu grupta en yaygın olarak kullanılan alaşımdır. 400°C'nin altındaki yüksek sıcaklıklarda mukavemet gerektiren motor bileşenleri ile roket ve füzelerde düşük sıcaklıkta kullanılan sıvı hidrojen yakıt tankı bileşenleri için uygundur.

Titanyum alaşımlı otomobil motoru turboşarjları ve hassas dövme uçak motoru kanatları, bu alandaki tipik bileşenlerdir.

Temsili Bileşimler, Özellikler ve Kullanım Alanları