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.
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.
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.
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.
İntermetalikler | Olumlu Özellikler | Sünek Gevrek Geçiş Sıcaklığı (°C) | Maksimum mukavemet sıcaklığı (°C) | Maksimum korozyon sıcaklığı (°C) |
Ni3Al | Oksidasyon, karbürizasyon ve nitrasyon direnci; yüksek sıcaklık dayanımı | 25 | 1100 | 1150 |
NiAl | Yüksek erime noktası; yüksek ısı iletkenliği; oksidasyon, karbürizasyon ve nitrasyon direnci | 400 | 1200 | 1400 |
Al3Ti | Yüksek özgül mukavemet ve sertlik, olağanüstü oksidasyon direnci | |||
TiAl | Düşük yoğunluklu; iyi özgül mukavemet özellikleri ve aşınma direnci | 600 | 1000 | 800 |
Ti3Al | Düşük yoğunluklu; yüksek özgül mukavemet | 700-800 | 760 | 650 |
Fe3Al | Oksidasyon ve sülfidasyon direnci | 25 | 700 | 1200 |
FeAl | Oksidasyon, sülfidasyon, erimiş tuz ve karbürizasyon direnci | 300-400 | 800 | 1200 |
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.
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
Türkiye'nin Hızlandırıcı ve Işınım Laboratuvarı (TARLA), sonunda süper iletken elektron hızlandırıcısını aktif hale getirdi. Bu…
Bisiklet fren sistemlerinin tarihsel gelişimi, teknoloji ve tasarım yeniliklerinin bir özeti gibi düşünülebilir. İlk bisikletlerde,…
Çin merkezli MingYang, rüzgar enerjisi sektöründeki liderliğini göstermeye devam ediyor. Firma, son zamanlarda dünyanın en…
Sodyum, lityuma kıyasla daha bol miktarda bulunmasıyla dikkat çekiyor ve batarya teknolojileri bu potansiyeli keşfetmek…
Giysilerimizin yıkandığında boyutlarının küçülmesi, genellikle üzücü bir deneyim olabilir. Ancak tüm giysileri, etiketlerinde belirtilen bakım…
Avusturya'nın Linz şehrinde bulunan Johannes Kepler Üniversitesi'nden araştırmacılar, avuç içi boyutlarındaki dronelara ultra ince ve…
Yorumları Görüntüle
Bende yıllar önce 2000 de yüksek lisansını Eskişehir de .Metalürji Enstitüsünde yaparken konu İntermetalikler olarak gunceldi.Simdi Emekli olduk. Demiryolu fabrikası Tülomsaş tan.Yazınızı inceledim biraz.Literatür olarak iyi bir çalışma.Geliştirme imkânı olmalı. Uçak sanayi ve ilgili araştırma. Birimler ile.Benim tezin bir uçak ulaşımındaki hata analizi idi.Konu bana ilginç geldi.Devaminizi dilerim.
Merhaba öncelikle değerli yorumunuz için çok teşekkür ederim. Aslına bakarsanız uçak sanayisinde yaygın olarak kullanılan bir teknoloji. Umarım onun hakkında da bir çalışma eklemeye çalışırım. Saygılarımla.