Alaşım Elementleri Titanyum Alaşımlarını Nasıl Güçlendirir?

Titanyum alaşımları, katı çözeltinin davranışını, faz kararlılığını, çökelmeyi ve ısıl işleme tepkisini değiştiren seçilmiş katkı maddeleriyle güçlendirilir. Alüminyum öncelikle α fazını güçlendirir; vanadyum ve molibden ise β titanyumunu stabilize eder ve güçlendirir; kalay ve zirkonyum ise ısıya dayanıklı alaşımları destekler. Aşağıdaki bölümlerde bu etkiler, manganez, krom, silikon, bakır ve nadir toprak elementlerinin etkileriyle karşılaştırılmaktadır.

Alüminyum

Ticari olarak saf titanyum dışındaki hemen hemen her titanyum alaşımı, esas olarak katı çözeltili güçlendirme amacıyla alüminyum içerir. Kütlece her 1% alüminyum, oda sıcaklığındaki çekme mukavemetini yaklaşık 50 MPa artırır. Alüminyumun titanyumdaki çözünürlüğü 7,5% ile sınırlıdır. Bu sınırın üzerinde, düzenli Ti₃Al (α₂) oluşumlarına yol açarak süneklik, tokluk ve gerilme korozyonu davranışını olumsuz etkiler; bu nedenle alüminyum kullanımı genellikle 7% ile sınırlıdır.

Alüminyum, oksidasyon direncini artırır, yoğunluğu azaltır ve yeniden kristalleşme sıcaklığını yükseltir. 5% ilavesi, saf titanyumda 600 °C olan yeniden kristalleşme sıcaklığını 800 °C’ye çıkarabilir. Titanyum katı çözeltisindeki atomik bağları güçlendirir ve yüksek sıcaklık mukavemetini artırır. Isıl işleme tabi tutulabilen β alaşımlarında, yaklaşık 3% alüminyum, metastabil β ayrışması sonucu oluşan kırılganlaştırıcı ω fazını bastırabilir. Alüminyum ayrıca α-Ti'deki hidrojen çözünürlüğünü artırarak, hidrit kaynaklı kırılganlaşmaya karşı duyarlılığı azaltır.

Zirkonyum ve Kalay

Kalay, zirkonyum gibi nötr bir elementtir ve sünekliği önemli ölçüde azaltmadan α katı çözeltisini etkili bir şekilde güçlendirir. Sürünme direncini artırır ve ısıya dayanıklı titanyum alaşımlarında önemli bir rol oynar.

Zirkonyum, hem α-Ti hem de β-Ti içinde yüksek çözünürlüğe sahiptir ve genellikle ek mukavemet sağlamak amacıyla diğer elementlerle birlikte eklenir. Zirkonyum ve kalay, tek-α ısıya dayanıklı alaşımların, alüminyuma kıyasla daha az süneklik kaybıyla daha iyi ısı ve sünme direnci elde etmesine yardımcı olarak, iyi şekillendirilebilirlik ve kaynaklanabilirliği destekler. Kalay ayrıca hidrojen kırılganlığına karşı duyarlılığı da azaltır. Aşırı konsantrasyonda, düzenli Ti₃Sn, şekil alabilirliği ve termal kararlılığı azaltır.

Vanadyum ve Molibden

Vanadyum, β titanyumda sınırsız çözünürlüğe ve α titanyumda bir miktar çözünürlüğe sahip β-izomorf bir elementtir. İyi bir sünekliliği korurken kalaydan daha etkili bir şekilde mukavemet sağlar ve sünme direncini ve termal kararlılığı artırabilir.

Molibden de β-izomorfiktir. Katı çözelti sertleşmesi sağlar, sıcak işlenebilirliği, sünme direncini ve termal kararlılığı artırır; ayrıca hidrojen kaynaklı kırılganlaşma eğilimini azaltır. Vanadyum ve molibden, en yaygın olarak kullanılan β stabilizatörleridir. Bu elementler β fazını güçlendirir, dönüşüm sıcaklığını düşürür, sertleşebilirliği artırır ve ısıl işlem tepkisini iyileştirir. Her iki elementi de içeren titanyum alaşımları ötektik reaksiyona girmez ve yüksek sıcaklıkta iyi bir yapısal kararlılık gösterir. Vanadyum tek başına yalnızca yaklaşık 400°C’ye kadar sünme direnci sağlar. Molibden daha etkilidir ancak yoğunluğu artırır ve aynı zamanda korozyon direncini, özellikle de klorür çözeltilerinde aralık korozyonu direncini iyileştirir.

Manganez ve Krom

Manganez ve krom, β fazını büyük ölçüde güçlendirir ve stabilize eder; ayrıca molibden veya tungstenden daha düşük yoğunluğa sahiptirler. Bu elementler, yüksek mukavemetli metastabil β alaşımlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Titanyumla girdikleri yavaş ötektik reaksiyonlar, uzun vadeli yüksek sıcaklık kararlılığını ve sünme direncini azaltabilir. Bir β-izomorf elementin, özellikle de molibdenin eklenmesi, bu reaksiyonları bastırır.

Bakır

Bakırın bir kısmı α fazında çözünür, bir kısmı ise TiCu oluşturur₂, termal kararlılığı ve yüksek sıcaklık mukavemetini artırır. Çözünürlük sınırının üzerinde, yaşlandırma işlemi dispersiyonla güçlendirme sağlayabilir ve oda sıcaklığında ve yüksek sıcaklıklarda mukavemeti önemli ölçüde artırabilir.

Silikon

Silikon, yüksek sıcaklık mukavemetini artırır. Kütlece yaklaşık 0,2%’nin üzerinde olduğunda Ti oluşturur₅Si₃ zirkonyum içermeyen alaşımlarda ve (Ti₂(Zr)₅Si₃ zirkonyum içeren alaşımlarda. Bu silisitler sünme direncini artırır ancak termal kararlılığı azaltır. Silikonun 860 °C’lik yüksek ötektik sıcaklığı ısı direncini destekler; bu nedenle ısıya dayanıklı alaşımlar, maksimum α-faz çözünürlüğünü aşmadan genellikle yaklaşık 0,25% silikon içerir. Silikon ve titanyum atomlarının boyutları büyük ölçüde farklı olduğundan, silikon dislokasyonlarda ayrışır ve bunların hareketini engeller. Ayrıca β fazındaki hidrojen çözünürlüğünü artırır ve hidrojen kırılganlığı eğilimini azaltır.

Nadir Toprak Elementleri

Nadir toprak elementlerinin eklenmesi, ısı direncini ve termal kararlılığı artırır. İç oksidasyon, ince ve kararlı nadir toprak elementleri oluşturur._xO_y dispersiyonla güçlendirme sağlayan parçacıklar. Bu süreç, matristeki oksijen konsantrasyonunu düşürür ve kalayı nadir toprak oksitlerine aktararak, kırılgan α fazının bastırılmasına yardımcı olur₂ çökelme. Nadir toprak elementleri ayrıca β-taneciklerinin büyümesini büyük ölçüde engeller ve tanecikleri inceltir; böylece genel özellikleri iyileştirir.

Titanyum alaşımlarının geliştirilmesi, yüksek oranda alaşımlı çok bileşenli sistemlere doğru ilerlemektedir. Alaşım katkı maddeleri, katı çözeltili mukavemet artışı sağlar, α veya β fazlarını stabilize eder, ısıl işlem tepkisini iyileştirir, zararlı etkileri bastırır ve ısıya ve korozyona karşı direnci artırır.