Titanyum Alüminit Nedir? Özellikleri Nelerdir?

Titanyum alüminitler, düşük yoğunlukları, yüksek sıcaklıkta iyi mekanik özelliklere sahip olması nedeniyle uçak motorları ve otomotiv uygulamaları için çok gelecek vadeden yapısal malzemeler olarak görülmektedir. Günümüze kadar üç nesil Ti-Al esaslı alaşımları geliştirilmiştir. Birinci nesil Ti-Al esaslı alaşımları, ABD Hava Kuvvetleri Malzeme Laboratuvarı ve Pratt &Whitney tarafından 1975 ve 1983 arasında geliştirilen Ti-48Al-1V-0.3C (% ağ.) alaşımıdır. Geliştirilen bu alaşımın sünekliği % 1.5’e ulaşmasına rağmen havacılık endüstrisi için gerekli olan performansı sağlayamamıştır. Dolayısıyla bu gelişme laboratuvar araştırmasıyla sınırlı kalmıştır.

1980’li yılların sonlarında ikinci nesil bir alaşım olarak kabul edilen ve General Elektrik (GE) tarafından geliştirilen Ti-48Al-2Cr-2Nb alaşımı Ti-48Al-1V-0.3C alaşımından daha iyi oda sıcaklığı sünekliği, daha yüksek mukavemet ve oksidasyon direncine sahiptir. Fakat bu alaşım kaba taneli lamelli bir mikro yapıya göre oda sıcaklığında zayıf çekme özelliği sergilemiştir. İkinci nesil Ti-Al esaslı alaşımlar, γ-TAB: Ti-47Al-4(Nb, Mn, Cr, Si ve B) Alman Araştırma Merkezi GKSS tarafından ve γ-Met: Ti-46.5Al-4(Cr, Nb, Ta ve B) Avusturya’da bulunan Plansee şirketi tarafından geliştirilmiştir. Bu alaşımlar 760°C’de Ni esaslı süper alaşımlara kıyasla yüksek spesifik sertlik, yüksek sıcaklık mukavemeti, iyi sürünme direnci, iyi oksidasyon ve korozyon direnci gibi üstün özellikler sergilemişlerdir. Titanyum Alüminitler 3 farklı şekilde karşımıza çıkar ; Ti-Al, Ti₃Al ve TiAl₃ şeklindedir.

1. Ti₃Al

Ti₃Al hekzagonal kafes yapısı ile P63/mmc uzay grubu düzeninde kristalleşmektedir (Strukturbericht D0₁₉). Bu yapı, kafes içerisinde Ti atomlarının Al atomlarının yerini alması sonucu oluşan sıkı paket hekzagonal A3 kafes yapısının üst düzenli örgüsü (superlattice)’dür. Yapıdaki atomik kompozisyonun % 22 – 35 Al olduğu aralıkta kararlı durumdadır. Ayrıca Al kompozisyonu %31 civarında olduğunda 1210 °C’ye kadar da denge durumunu korumaktadır. Kompozisyona bağlı olarak yüksek sıcaklıklarda kübik β-Ti ya da hekzagonal α-Ti’ye dönüşmektedir. Ti₃Al’nin yoğunluğu 4.2 g/cm³’tür ve Ti₃Al bazlı alaşımların yoğunluğu 4.1 – 4.7 g/cm³ arasında değişmektedir. Şekil 2’de Ti₃Al’e ait kristal yapı şekli verilmiştir.

Nispeten düşük yoğunluğu nedeniyle Ti₃Al bazlı alaşımlar malzeme uygulamaları için geliştirilen ilk intermetalik alaşımlardan biridir. Gevrek karakterde olması, sünek-gevrek geçiş sıcaklığının 600 °C olması ve yüzeyinde koruyucu Al₂O₃ tabakasının oluşmaması sonucu düşük oksidasyon direnci sergiler.

2. Ti – Al

TiAl, şekil 1’e göre (faz diyagram) TiAl fazı geniş bir homojenlik aralığına sahiptir (sıcaklığa göre % 45-61 aralığında). Bu faz temelde Ti ve Al atom katmanlarının istiflenmesi sonucu yüzey merkezli kübik (YMK) yapının tetragonal olarak çarpılmış halidir, tetragonal kafes yapısındadır (P4/mmm, L1₀). Bu düzenli yapı ergime sıcaklığı olan 1460 °C’ye kadar stabil durumdadır. Ti₃Al’e kıyasla daha düşük yoğunluğu (3.7-3.9 g/cm³) ve daha iyi oksidasyon direnci nedeniyle malzeme geliştirme konusunda en çok ilgi çeken fazdır. Bu nedenle benzer alaşımlar üzerine çok sayıda çalışma yapılmıştır. TiAl ve Ti₃Al fazlarının konvansiyonel titanyum alaşımları ve süperalaşımlar ile karşılaştırılması Tablo 1’de verilmiştir. Şekil 3’de TiAl’e ait kristal yapı şekli verilmiştir.

TiAl’in bu kadar çok ilgi çekmesine neden olan özellikleri; düşük yoğunluğu, oksidasyona karşı daha yüksek direnci ve yüksek Al oranı ile yüksek aktivasyon enerjisi nedeniyle – gaz türbin uygulamalarında kritik önem taşıyan – yanma özelliğidir. Dahası, difüzyonun hız kontrollü gerçekleştiği yüksek sıcaklıklarda, sahip olduğu sürünme dayanımı ve mukavemeti koruyabilme özelliği de bu fazın tercih edilme nedenlerindendir. Ayrıca büyük bir sıcaklık aralığında yüksek rijitliğe sahiptir. Öte yandan TiAl’in yapısından kaynaklanan güçlü kimyasal bağlar, gevrek karakterde yapı sergilemesine neden olmaktadır. Bu nedenle tokluğun iyileştirilmesi istenen uygulamalarda mikroyapının inceltilmesi ya da alaşımlandırma yapılması gerekmektedir.

3. TiAl₃

TiAl₃’ün tetragonal yapısı (I4/mmm, D0₂₂), sıkı paket kübik L1₂ yapısındaki birim hücrelerin periyodik antifaz sınırları ile istiflenmesi sonucu elde edilmektedir. Bu nedenle bu yapıya tetragonal olarak çarpılmış, uzun periyotlu düzende kübik yapı da denilmektedir. Faz diyagramına göre ikili faz %1 Al aralığı ile sınırlı katı çözünürlüğe sahiptir ve 1387 °C’de düzensiz bir şekilde ergimektedir. Diğer Ti-Al bileşiklerine kıyasla daha düşük yoğunluğa (3.3 g/cm³) ve daha iyi oksidasyon direncine sahiptir. Ancak mukavemeti diğer fazlardan daha düşüktür ve aşırı gevrek karakterdedir. Zayıf mekanik özellikleri nedeniyle TiAl₃, titanyum ve titanyum alaşımları yüzeyine yapılan koruyucu kaplamalara alternatif olarak önerilmektedir.

Titanyum Alüminitlerin Süperalaşımlar ile karşılaştırılması

Tablo 2 de Ni, Ti ve Fe’nin Seçilmiş Yapısal Alüminitlerinin Kullanımı İçin Pozitif Özellikler, SGGS ve Maksimum Sıcaklıklar verilmiştir.Ayrıca Nb, Mo, V ve Ta gibi Beta dengeleyici elemanların eklenmesi, oda sıcaklığı sünekliğini arttırır.

Şekil 4’te TiAl esaslı intermetalikler ile diğer yüksek sıcaklık malzemelerin özellikleri karşılaştırılmıştır. Şekil 4 (a) TiAl esaslı intermetalik alaşımın Ni-esaslı süper alaşıma, Ti alaşımına ve alaşımlı çeliğe göre daha üstün kopma mukavemeti ve spesifik modüle sahip olduğu görülmektedir. Şekil 4 (b), oda sıcaklığı ve 800°C arasındaki sıcaklığın bir fonksiyonu olarak malzemelerin çekme özelliklerini göstermektedir. Titanyum esaslı intermetalikler karşılaştırılan alaşımlara göre daha yüksek spesifik mukavemet özelliği sergilemektedir. Spesifik mukavemeti diğer malzemelerinkinden daha yüksek olmasına rağmen oda sıcaklığındaki süneklik özelliği iyi değildir ve TiAl esaslı alaşımlar için bu değer yaklaşık olarak % 1 dir. Düşük süneklik özelliği, TiAl esaslı alaşımların yapısal bileşenler olarak uygulanmasındaki en büyük problemdir, çünkü % 1olan süneklik değeri genellikle minimum kabul edilebilir seviyedir. Döküm TiAl alaşımlar bile bu seviyeye nadiren ulaşmaktadır.

Sonuçlar

TiAl, Ti₃Al ve TiAl₃ intermetalik malzemeleri karşılaştırıldığında aralarında en öne çıkan malzemenin TiAl esaslı intermetalik malzemeler olduğu gözlenmiştir. Bunun nedeni bu malzemenin düşük yoğunluğu, neredeyse süperalaşımlara yakın oksidasyon ve korozyon özellikleri, yüksek sıcaklıktaki mukavemeti ve yapının yüksek sıcaklıklara kadar stabil kalması olarak sıralanabilir.

Bununla birlikte TiAl₃ intermetalik malzemenin yoğunluğunun daha düşük olmasına karşın dar üretim kompozisyonuna sahip olduğu için üretimi çok zordur ve çalışma alanı sınırlıdır.

TiAl intermetalik malzeme sürünme dayanımı olarak da hemen hemen süperalaşımlara yakın bir özellik gösterdiği gözlenmiştir.

KAYNAKLAR

• Kunal Kothari, Ramachandran Radhakrishnan, Norman M.Wereley, Advances in Gamma Titanium Aluminides And Their Manufacturing Techniques, 2012
• N. S. Stoloff, V. K. Sikka, Physical Metallurgy And Processing Of Intermetallic Compounds, 1996, P 297-350
• Handbook Volume 9, Metallography And Microstructures,  2004, P 2060-2070
• Gedevanishvili, S., & Deevi, S. C. (2002). Processing of iron aluminides by pressureless sintering through Fe + Al elemental route. Materials Science and Engineering A, 325(1–2), 163–176. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(01)01442-3
• D.Pilone, A. Brotzu, F.Felli, Effect Of Surface Modification On The Stability Of Oxide Scales Formed On Tial İntermetallic Alloys At High Temperature, 2016
• Fritz Appel, Jonathan David Heaton Paul, And Michael Oehring, Gamma Titanium Aluminide Alloys, 2011, P 480-500, P 5-20
• Payank Patel, N.I. Jamnapara, Arunsinh Zala, S.D. Kahar,  Investigation Of Hot-Dip Aluminized Ti6Al4V Alloy Processed By Different Thermal Treatments İn An Oxidizing Atmosphere, 2020
• Yanqing Su, Xinwang Liu, Liangshun Luo, Long Zhao, Jingjie Guo, Hengzhi Fu, Deoxidation Of Tial İntermetallics Via Hydrogen Treatment, 2010
• Jingjie Dai, Jiyun Zhu, Chuanzhong Chen, Fei Weng, High Temperature Oxidation Behavior And Research Status Of Modifications On İmproving High Temperature Oxidation Resistance Of Titanium Alloys And Titanium Aluminides: A Review, 2016
• Anne Cordier, Michel Kleitz, Marlu César Steil, Welding Of Yttrium-Doped Zirconia Granules By Electric Current Activated Sintering (ECAS): Protrusion Formation As A Possible İntermediate Step İn The Consolidation Mechanism, 2012
• Li Wang, Mechanisms Of Carbide Precipitation And Carbon Solubility İn High Nb Containing Tial Alloys, 2014, P 1-18
• M., Palm & G., Sauthoff. Light Intermetallics, Advanced Light Alloys And Composites, 1998, P 175-189
• Xinhua Wu, Review Of Alloy And Process Development Of Tial Alloys, 2006