Kategoriler:
Alt Kategoriler:

Titanyum, periyodik tablonun 4-B grubunda yer alan, dünyada demir, alüminyum ve magnezyumdan sonra en çok kullanılan dördüncü metaldir . İngiliz kimyacı ve mineralog William Gregor tarafından 1791 yılında ve ondan bağımsız olarak Alman kimyacı Martin Heinrich Klaproth 1795’de keşfedilmiştir [2]. Titanyum elementi dünyada doğal olarak bulunur ve cevher yüzey madenciliği ile çıkarılır. Ülkemiz titanyum madeni açısından çok fakir bir ülkedir. Doğada saf olarak bulunmayan titanyum iki farklı bileşik halinde bulunmaktadır. Bu bileşikler Rutil (TiO2) ve İlmenit’tir (FeTiO3). Diğer üç metale nazaran daha iyi mekanik özelliklere sahip olmasına rağmen titanyum alaşımları daha pahalı ve zor şekillendirilebilmektedir. Titanyum alaşımları; düşük yoğunluğu sebebiyle hafif olması, yüksek korozyon ve erozyon direnci, yüksek sıcaklık dayanımı (1650 ⁰C ergime sıcaklığı ile çelikten daha yüksek sıcaklığa dayanır), aşınmaya karşı gösterdiği direnç, ağırlık bazlı mukavemet oranının çok yüksek olması (Çelikten % 45 daha hafif ve güçlüdür) gibi özelliklerinden dolayı hava aracı yapısal parçalarında tercih edilir. Tabi titanyum nasıl hafif oluyor? sorusu akla gelebilir. Titanyumun 20ºC’deki yoğunluğu 4470 kg/m3 tür. Yoğunluk açısından alüminyumdan (2700 kg/m3) % 60 daha fazla demirden (7800 kg/m3) ise % 40 daha az yoğunluğa sahiptir. Sıcaklıkla beraber mukavemet özelliklerini koruyabilmesi bu alaşımı önemli kılmaktadır. Bu anlamda hafif olarak nitelendirilmektedir. İleri yıllarda hava araçları ve motor yatırımları düşünüldüğünde titanyum ve alaşımları mutlaka çalışma yapılması gerekli olan alanlardır. Çalışmalar hem malzeme hem de yarı mamul veya ürüne dönüştürmek kapsamında yapılmalıdır. Ülkemiz titanyum konusunda her anlamda daha yetkin hale gelmelidir. Havacılıktaki gelişmeler düşünüldüğünde mutlaka önemli adımlar atılmalıdır.

Titanyum ve alaşımları genel olarak pahalı metallerdir. Pahalı olmasının sebepleri, madencilik ve rafine etmek için karmaşık işlemlere ihtiyaç duyma, yoğun olarak bulunmama, buna bağlı olarak tesis yatırımlarını yeterli ölçüde karşılayamama ve son olarak üretim maliyetinin yüksekliğidir. Titanyum, biyomedikal alandaki ortopedi ve dental uygulamalarındaki implant kullanımında, deniz araçlarında korozyon direnci istenen yerlerde, havacılık endüstrisinde mukavemet/ağırlık oranının avantaj sağladığı bölgelerde, artan sıcaklıkla beraber mukavemetin korunması gereken bölgelerde ve ısı geçirgenliği istenmeyen kısımlarda sıklıkla kullanılmaktadır. Titanyum alaşımları alfa (α), beta (β), ve alfa-beta (α-β), titanyum alaşımları olmak üzere 3 gruba ayrılabilir. Saf titanyum oda sıcaklığında hegzagonal kristal kafes yapısına sahiptir. Artan sıcaklıkla birlikte hacim merkezli kübik kristal kafes yapısına dönüşmektedir. Düşük sıcaklıklarda yapı α-fazlı, yüksek sıcaklıklar da ise (882ºC’den itibaren) β-fazlı titanyum olarak adlandırılır. Alaşım elementlerinin titanyuma ilavesi ile yüksek sıcaklık β-titanyum yapısının, düşük sıcaklık α-titanyum yapısına dönüşüm oranı sıcaklığı değişmektedir. Yani ilave edilen alaşım elementlerine bağlı olarak dönüşüm sıcaklığı artar veya azalır. Alüminyum ve oksijen gibi elementler, faz dönüşüm sıcaklıklarını düşürerek β-titanyum yapısının oda sıcaklığında da kalmasını sağlayabilirler. Alüminyum, oksijen, azot, karbon, kalay gibi elementler α stabilizatör; hidrojen, gümüş, altın, krom, demir, vanadyum, magnezyum, molibden gibi elementler ise β stabilizatör alaşım elementleri olarak adlandırılırlar. Katılan alaşım elementlerine bağlı olarak titanyumun mekanik, fiziksel ve kimyasal özellikleri de değişmektedir. Isıl ve korozyon dirençlerinin yanı sıra hafiflikleriyle de öne çıkan titanyum alaşımları diğer metallerden daha mukavemetli olduğu için, endüstride birçok alanda kullanılmaktadır [5]. Titanyum ve alaşımlarının çeşitli kaliteleri mevcuttur. ASTM'nin standartlaştırdığı titanyum kaliteleri arasında en çok kullanılan saf (Commmercially pure (CP) titanyum ve Ti-6Al-4V (Ti6Al4V) alaşımıdır. Piyasada kullanılan Titanyum alaşımlarının % 60’ı Ti-6Al-4V alaşımıdır. Ticari saflıktaki titanyumun korozyon direnci yüksek olmasına karşın alaşımlarına göre mukavemeti düşüktür. Saf titanyumun kalite numarası (grade) arttıkça genellikle çekme ve akma mukavemeti artış gösterir. Ti-6Al-4V alaşımı ise % 6 oranında alüminyum ve % 4 oranında vanadyum içermektedir. Kısa gösterimi Ti64 şeklindedir [6]. Uçaklarda yanma duvarları, kompresör kaplamaları, egzoz çıkış kaplamaları, gövde bölme duvarlarında geniş çapta kullanılır. Tavlama sıcaklığı 590-732ºC olup gerektiğinde gerilme giderme tavlaması yapılabilmektedir. Bu işlem 537ºC’de 15-20 dakikadır. Bundan sonra havada soğutma uygulanır. Kaynakla birleştirme işlemlerinde gaz altı koruyuculu ark kaynağı, direnç kaynağı ve nokta kaynağı uygulanabilmektedir.

 

Titanyum alaşımların talaşlı imalatı da kendi içinde birçok parametre içermektedir. Bu parametrelerin en önemlisi kesici takım ile parça arasındaki ısı transferidir. Kesme işlemi sırasında ısının çoğunluğunun takımda kalması aşırı ısınma ve sonrasında da aşınım sorunlarına neden olmaktadır. Örneğin aşırı ısınmadan dolayı kesici takımın parçacıkları, titanyumdan olan iş parçasının üzerine yapışmaktadır, böylece ölçü tamlığı sağlanamamaktadır. Bu yüzden talaşlı imalatları zordur fakat bu malzemeler işlenemez değildir. Ülkemizde de titanyum işleyen başarılı firmalar bulunmaktadır. Bu alanda iyileştirmeye yönelik projelere hız verilmelidir. Önemli bir Araştırma-Geliştirme (Ar-Ge) yapma alanıdır.

 

Titanyum alaşımlarına oda sıcaklığında şekillendirme uygulanamamasından dolayı sıcak şekillendirme operasyonları uygulanmaktadır. Yüksek sıcaklıkta (saf titanyum için; 510-620ºC; alaşımlı titanyum için 650-780ºC) şekillendirme işlemlerinde karşılaşılan en büyük sorun da atmosferik kontrollü ortam gerektirmesidir. En ideal sıcak şekillendirme yönteminin atmosferik kontrollü fırına sahip olan preslerde olduğu söylenebilir. Farklı ısıtma yöntemleri kullanmak mümkündür. Buradaki ince nokta ekonomiklik ve üretilecek olan parça sayısıdır. Titanyum ince sacların çok yüksek sıcaklıkta şekillendirilmesi için ise süper plastik şekillendirme yöntemi mevcuttur. Bu çok özel bir proses olup 900ºC’nin üzerindeki sıcaklıklarda gerçekleştirilmektedir. Bu yöntem ile derinliği fazla olan parçaların üretilmesi mümkün olmasına karşın bu yöntem ile ilgili tezgâhlar ve kalıplar geometriye çok bağlı olarak değiştiği için pahalı ve kontrolü zor bir yöntemdir. Titanyumun yüksek akma mukavemetine karşılık düşük elastisite modülüne sahip olması bu malzemenin pres ortamında şekillendirilebilirliğini kısıtlamaktadır. Bu özelliklerinden dolayı malzemenin ince metal formunda en çok karşılaşılan problem geri esneme problemidir. Geri esneme; malzeme üzerindeki şekillendirme basıncının kaldırılması ile malzemenin eski haline dönmeye çalışması durumu olarak ifade edilebilir. Malzemenin yüksek elastik enerjiden dolayı bu durum ortaya çıkmaktadır. Malzemelerde geri esneme, şekillendirilmiş parçaların ölçü tamlığını bozmakta, parçanın montaj aşamasını zorlaştırmakta ve sistemin rijitliğini azaltmaktadır. Geri esneme miktarı, malzemelerin şekillendirme parametreleri veya şartları, parça kalınlığı, akma mukavemeti, deformasyon hızı pekleşmesi ve pekleşme kabiliyeti gibi parametrelere bağlıdır. Literatürde farklı malzemeler ile yapılan çalışmalarda bu malzemelerin bu parametrelere direkt olarak bağlı olduğu tespit edilmiştir.

Titanyum dövme parçalar havacılıkta çok fazla kullanım alanına sahiptir. Bu alanda yetkinlik önemlidir. Titanyum dövme işlemi için, çok yüksek kuvvetler gerektiği gibi, kalınlığı fazla olan bir kütlenin sıcaklık homojenliğinin sağlanması için presleme işlemleri arasında ısıl işlemler de gerekmektedir. Titanyum dövme proseslerinde geometriye bağlı olarak kalıp teknolojisinde de zorluklar mevcuttur. 1000ºC civarındaki sıcaklıkta titanyum bir parça, çelikten üretilen kalıplar arasında şekillendirileceği zaman kalıplarda aşırı ısınma gözlemlenmekte ve deformasyonlar oluşup birkaç parça sonra kalıplar kullanılamaz hale gelmektedir. Kütük malzemelerin yüzeyi ile çekirdeği arasında oluşan sıcaklık farkları mikro yapıda ciddi değişikliklere neden olmaktadır. Bu sebeple proses ciddi tecrübe gerektirmektedir. Havacılık için kullanılan titanyum dövme parçaları genellikle hareketli ve yük taşıyan önemli yerlerde kullanıldığı için bu parçalar geometrik olarak da büyük olmaktadır. Bu yüzden 20000 ton ile 75000 ton mertebelerinde kuvvet uygulayabilen hidrolik preslerde şekillendirme işlemleri gerçekleştirilmektedir. Dövme işlemi genellikle nihai parçanın olması gerektiği şekle yakın geometriyi elde etmek için kullanılmakta, çoğunlukla ardından talaşlı imalat gerektirmektedir. Havacılıkta dövme olarak tercih edilen alaşım yüksek oranda Ti-6Al-4V alaşımıdır. Ülkemizde bu alanda yeterli çalışmalar yapılmamıştır. Son zamanlarda bu alanda da bazı faaliyetler başlamıştır. Çalışmalar hızlanmalı endüstriyel boyutta projeler gerçekleştirilmelidir.

Yeni nesil imalat teknolojilerinden olan eklemeli imalat (additive manufacturing) bazen katmanlı imalat ya da 3-boyutlu baskı olarak da isimlendirilmekte olup bu teknolojide en çok kullanılan ve popüler olan metalik malzeme titanyum ve alaşımlarıdır. Çünkü bu yeni yöntem alışageldiğimiz bir çok imalat yönteminden farklı olarak, kolaylıkla en karmaşık parçaların üretimine imkan sağlamaktadır. Ayrıca hem mukavemet hem de ağırlık anlamında önemli kazanımlar sağlanmaktadır. Özellikle toz yataklı ve toz/tel beslemeli eklemeli imalat yöntemlerinde Ti64 kullanımı havacılık uygulamalarında giderek yaygınlaşmaktadır. Bu üretim yöntemi ile üretilen parçalar yavaş yavaş yük taşıyan birincil yapılarda kullanılmaya başlanmıştır. Ayrıca, eklemeli imalat ile üretilen parçaların havacılıkta kullanılabilmesi için kalifikasyon testlerinin başarılması önümüzdeki günlerde Ar-Ge konusu olarak yoğun olarak çalışılacaktır. Hava aracı yapısallarında bu malzemenin kullanımı ciddi mukavemet/ağırlık avantajı sağlamaktadır. Bu yöntemin yaygınlaşması havacılık endüstrisi açısından çok önemli bir kazanım olacaktır.

 

Titanyum, havacılık uygulamalarında kullanımı en hızlı artan malzemelerden biridir. Gerek ticari gerekse askeri uçaklarda kullanımı yaygın haldedir. Boeing 757'de uçak ağırlığının % 7'sini oluşturan Ti alaşımları, Boeing 787’de % 15, Airbus A350’de % 14 kullanım oranına ulaşmıştır [13]. Ti-6Al-4V alaşımı ise en yaygın kullanılan titanyum alaşımı olup dünyada kullanılan titanyumun %50’den fazlasını teşkil etmektedir. Toplam titanyum kullanımının %80’ini havacılık endüstrisi oluşturmaktadır. 

 


HAVACILIK ENDÜSTRİSİNDE TiTANYUM