Genel Bakış
Titanyum Alüminyum Alaşımları titanyum ve alüminyum karışımı içeren bir metalik malzeme sınıfıdır. Hafiftirler, yüksek mukavemete ve yüksek sıcaklıklarda mükemmel korozyon ve oksidasyon direncine sahiptirler.
TiAl alaşımları, benzersiz özellik kombinasyonları nedeniyle havacılık ve otomotiv uygulamaları için önemli bir yüksek sıcaklık yapısal malzemesi olarak kabul edilir. Düşük yoğunlukları, nikel bazlı süper alaşımlardan daha hafif olmalarını sağlarken, 750°C'ye kadar olan sıcaklıklarda güç ve kararlılıklarını korurlar.
Temel Özellikleri Titanyum Alüminyum Alaşımları
| Mülkiyet | Açıklama |
|---|---|
| Yoğunluk | 3,7 - 4,1 g/cm3, nikel alaşımlarından çok daha düşük |
| Güç | 750°C'ye kadar sıcaklıklarda yüksek mukavemeti korur |
| Sertlik | Yaklaşık 160 GPa'lık yüksek elastik modül |
| Süneklik | Oda sıcaklığında kırılgandır ancak yüksek sıcaklıklarda daha sünek hale gelir |
| Korozyon Direnci | Titanyum varlığı nedeniyle mükemmel korozyon direnci |
| Oksidasyon Direnci | Koruyucu oksit tabakası oluşturarak 750°C'ye kadar iyi oksidasyon direnci sağlar |
| Maliyet | Titanyum alaşımlarından daha pahalı ancak nikel alaşımlarından daha ucuz |
Titanyum Alüminyum Alaşım Çeşitleri
İki ana tip titanyum alüminyum alaşımı vardır:
Gamma TiAl Alaşımları
Gamma TiAl alaşımları lamelli bir mikro yapıya sahiptir ve yaklaşık 45-48% titanyum, geri kalanı alüminyum içerir. Özellikleri geliştirmek için niyobyum, karbon, bor ve krom gibi küçük element ilaveleri de yapılır.
Gama fazı TiAl alaşımları düşük yoğunluk, mukavemet, süneklik ve oksidasyon direnci arasında iyi bir denge sunar. En yaygın kullanılan TiAl alaşımlarıdır.
Alfa-2 Ti3Al Alaşımları
Alfa-2 Ti3Al alaşımları yaklaşık 25% alüminyum içerir ve hekzagonal kristal yapıya sahiptir. Çok yüksek çekme mukavemeti sunarlar ancak gama TiAl alaşımlarına kıyasla daha düşük süneklik ve kırılma tokluğuna sahiptirler.
Alpha-2 alaşımları tipik olarak turboşarjlar gibi 800°C'nin üzerindeki çok yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılır.
Bileşimi Titanyum Alüminyum Alaşımları
Titanyum alüminyum alaşımları, alüminyum ve az miktarda diğer elementlerle birlikte ana bileşen olarak titanyum içerir. İşte tipik bileşim aralığı:
| Alaşım Elemanı | Kompozisyon Aralığı | Rol |
|---|---|---|
| Titanyum (Ti) | 52-56% | Birincil temel eleman |
| Alüminyum (Al) | 44-48% | Ti ile ana alaşım elementi |
| Niyobyum (Nb) | 2%'ye kadar | Mukavemeti ve sürünme direncini artırır |
| Krom (Cr) | 2%'ye kadar | Oksidasyon direncini artırır |
| Bor (B) | 0,2%'ye kadar | Sünekliği artırır |
| Karbon (C) | 0,1%'ye kadar | Gücü artırır |
| Silisyum (Si) | 0.1-1% | Oksidasyon direncini artırır |
| Tungsten (W) | 0.1-1% | Tane boyutunu iyileştirir |
| Molibden (Mo) | 0.1-1% | Gücü artırır |
Alaşım elementlerinin yüzdeleri, alaşımda doğru mikroyapı ve özellikleri elde etmek için hassas bir şekilde kontrol edilir.
Titanyum Alüminyum Alaşımlarının Temel Özellikleri
Titanyum Alüminyum Alaşım Mukavemet Özellikleri
| Mülkiyet | Değer | Açıklama |
|---|---|---|
| Çekme Dayanımı | 500 - 1100 MPa | Titanyum alaşımlarına kıyasla çok yüksek mukavemet |
| Akma Dayanımı (0,2% ofset) | 400 - 1000 MPa | Alaşımdaki elastik mukavemet ölçüsü |
| Basınç Dayanımı | 600 - 1500 MPa | Mükemmel basınç dayanımı |
| Sürünme Dayanımı | 100 - 350 MPa | Yüksek sıcaklıklarda yüklere dayanma kabiliyeti |
| Kırılma Tokluğu | 15 - 35 MPa√m | Çatlak ilerlemesine karşı direnç nikel alaşımlarından daha düşüktür |
Fiziksel Özellikler
| Mülkiyet | Değer |
|---|---|
| Yoğunluk | 3,7 - 4,1 g/cm3 |
| Erime Noktası | 1360°C - 1460°C |
| Termal İletkenlik | 6 - 25 W/mK |
| Elektriksel Dirençlilik | 150 - 250 μΩ.cm |
| Termal Genleşme Katsayısı | 11 - 13 x 10-6 /K |
Oda Sıcaklığında Mekanik Özellikler
| Mülkiyet | Değer | Açıklama |
|---|---|---|
| Sertlik | 300 - 400 HV | Girintiye karşı direnç ölçümü |
| Young Modülü | 150 - 160 GPa | Sertlik ölçümü |
| Kayma Modülü | 60 - 65 GPa | Sertlik ölçüsü |
| Poisson Oranı | 0.25 – 0.34 | Uygulanan yüke dik ve paralel yönlerdeki gerilme ile ilgili oran |
| İşlenebilirlik | Zor | Çeliklere kıyasla işlenmesi zordur |
Uygulamaları ve Kullanım Alanları Titanyum Alüminyum Alaşımları
Titanyum alüminyum alaşımları çok çeşitli yüksek performanslı mühendislik uygulamalarında kullanılır. Bazı önemli kullanım alanları şunlardır:
Havacılık ve Uzay Endüstrisinde Kullanım Alanları
- Kanatlar, diskler, hava giriş kaportaları gibi uçak motoru bileşenleri
- Yüksek hızlı uçaklarda gövde ve kanat yapıları
- Düşük ağırlık ve sıcaklık direnci kombinasyonu nedeniyle uzay aracı parçaları
Otomotiv Endüstrisi Kullanım Alanları
- Turboşarj türbin çarkları ve muhafazaları
- Yüksek performanslı motorlarda biyel kolları, supaplar, yaylar ve bağlantı elemanları
- Konik çubuklar ve valfler gibi motor sporları bileşenleri
Diğer Uygulamalar
- Gaz türbini motor parçaları, enerji üretimi ve denizcilik uygulamaları
- Yapay kalça eklemleri gibi biyomedikal implantlar
- Bisiklet çerçeveleri, golf sopaları gibi spor malzemeleri
İşte titanyum alüminyum alaşımlarının alternatiflerine karşı kullanımının bir karşılaştırması:
| Uygulama | TiAl Alaşımları | Alternatif Malzemeler |
|---|---|---|
| Uçak Motorları | ✅ 750°C'ye kadar mükemmel mukavemet-ağırlık oranı, kanatlar, kanatlar, şaftlar için uygun olmasını sağlar | Nikel süper alaşımlar daha yüksek sıcaklık kapasitesine sahiptir ancak daha ağırdır |
| Otomotiv Turboşarjları | ✅ Yüksek mukavemet, sıcaklık direnci ve nikel alaşımlarından daha düşük yoğunluğun iyi dengesi | Nikel alaşımları daha yüksek pik sıcaklıklara dayanabilir |
| Uçak gövdeleri | ✅ 20-35% uçak kanatları, kuyrukları ve gövdesi için eşdeğer mukavemete sahip titanyum alaşımlarından daha hafif | Titanyum alaşımları daha yüksek kırılma tokluğu sunar |
| Biyomedikal İmplantlar | ✅ İnsan kemiğine doğal bağlanma sağlayan titanyum içerir | Paslanmaz çelik, kobalt krom alaşımları da yaygın olarak kullanılır |
Endüstri Standartları ve Spesifikasyonları
Titanyum alüminyum alaşımları için yaygın olarak kullanılan bazı endüstri standartları şunlardır:
| Standart | Açıklama |
|---|---|
| AMS 4928 | Gama titanyum alüminit alaşımlı levha, şerit ve plaka için standart şartname |
| AMS 4965 | Toz metalürjisi ile işlenen gama titanyum alüminit alaşımları için standart |
| AMS 4972 | Alfa-beta veya beta titanyum alüminid çubuklar, çubuklar ve teller için standart şartname |
| ISO 21365 | Yapısal gama TiAl alaşımları için şartname |
| ASTM B381 | Cerrahi implantlar için titanyum-alüminyum-vanadyum alaşımları için standart sınıflandırma |
Alaşım ürünleri, kimya, mikro yapı ve mekanik özellikler için farklı standartları karşılayan çeşitli kalitelerde sunulmaktadır.
Bazı yaygın titanyum alüminyum kaliteleri şunlardır:
- Ti-48Al-2W-0,5Si (AMS 4928)
- Ti-47Al-2Cr-2Nb (ISO 21365 Sınıf 5)
- Ti-45Al-5Nb-0.2C-0.2B (AMS 4965 Sınıf 5)
Tedarikçiler ve Maliyetler
Titanyum alüminyum alaşımlarının önde gelen küresel tedarikçilerinden bazıları şunlardır:
| Tedarikçi | Verilen Sınıflar | Üretim Yöntemleri |
|---|---|---|
| VSMPO | Ti-47Al-2Cr-2Nb<br>Ti-48Al-2Cr-2Nb-1Ta-0.7W | Yatırım döküm<br>Dövme |
| ATI | Ti-48Al-2W-0,5Si<br>Ti-47Al-2Cr-2Nb | Hassas döküm<br>Toz metalurjisi |
| Precision Castparts Corp | Özel alaşımlar | Yatırım döküm |
| Plansee | TiAl gama alaşımları | Toz metalurjisi |
Titanyum alüminyum alaşımları titanyum alaşımlarından daha pahalıdır ancak nikel bazlı süper alaşımlardan daha ucuzdur. Bazı tipik fiyat tahminleri şunlardır:
| Sınıf | Fiyatlandırma Tahmini |
|---|---|
| Ti-48Al-2Cr-2Nb | $85 - $125 kg başına |
| Ti-47Al-2W-0,5Si | $100 - $150 kg başına |
| Özel TiAl alaşımları | $150 - $250 kg başına |
Fiyatlandırma, sipariş hacmine, boyut özelliklerine, sertifikasyon gereksinimlerine ve diğer özelleştirmelere göre değişir.
Titanyum Alüminyum Alaşımlarının Avantajları ve Sınırlamaları
Faydaları ve Avantajları
- Çok yüksek özgül mukavemet - yüksek mukavemet/ağırlık oranı
- 750°C'ye kadar mükemmel mukavemet koruması
- İyi çevresel direnç - oksidasyon, yanma ve korozyon
- Nikel ve kobalt süper alaşımlarından daha düşük maliyet
- Dövme, haddeleme için bazı sıcak işlenebilirlik
Eksiklikler ve Sınırlamalar
- İşleme zorlukları - sıcak işlemenin yanı sıra talaşlı imalat
- Oda sıcaklığında kırılgan davranış
- Nispeten düşük kırılma tokluğu
- Maksimum kullanım sıcaklığı 750°C ile sınırlıdır
- Hidrojen ve nem emilimine maruz kalır
İşte alternatiflere göre avantaj ve dezavantajların bir karşılaştırması:
| Parametre | TiAl Alaşımları | Nikel Süperalaşımlar | Titanyum Alaşımları |
|---|---|---|---|
| Yüksek Sıcaklık Dayanımı | 750°C'ye kadar iyi | ✅ 900°C'nin üzerinde mükemmel | 500°C'nin üzerinde zayıf |
| Yoğunluk | En düşük | Daha yüksek | Karşılaştırılabilir |
| Oksidasyon Direnci | 750°C'ye kadar iyi | ✅ 800°C'nin üzerinde en iyisi | 550°C'nin üzerinde zayıf |
| Maliyet | Daha düşük | En yüksek | Daha yüksek |
| İşlenebilirlik | Zayıf | İyi | En iyi |
| Hasar Toleransı | Zayıf | İyi | Mükemmel |
SSS
S: Gama titanyum alüminitler nedir?
C: Gamma TiAl alüminitler, gamma (γ) faz kristal yapısına sahip titanyum (Ti) ve alüminyum (Al) içeren metaller arası alaşımlardır. Ti ve Al atomlarının düzenli bir lamel düzenine sahiptirler. Gama TiAl en yaygın kullanılan alaşım türüdür.
S: TiAl alaşımları neden havacılık ve uzay uygulamaları için düşünülmektedir?
C: TiAl alaşımları düşük yoğunluk ve 750°C'ye kadar iyi mekanik özelliklerin mükemmel bir kombinasyonunu sunar. Bu, çok daha ağır nikel alaşımları yerine TiAl kullanılarak daha hafif ve daha verimli aero-motor bileşenlerinin tasarlanmasına olanak tanır.
S: TiAl turboşarj bileşenlerinin bazı örnekleri nelerdir?
C: TiAl alaşımları, yüksek performanslı dizel ve benzinli otomobil motorlarında turboşarj tekerlekleri ve muhafazaları yapmak için giderek daha fazla kullanılmaktadır. Düşük yoğunluk ve sıcaklık direnci, daha yüksek güç yoğunluğu ve verimlilik sağlar.
S: TiAl alaşımlarının kullanımındaki temel zorluklar nelerdir?
C: Döküm, dövme ve işleme yoluyla işlemenin zorluğunun yanı sıra oda sıcaklığında içsel kırılganlık ve rakip alaşımlara göre daha düşük hasar toleransı, benimsenme için engeller yaratmaktadır. Bununla birlikte, işleme yöntemleri ve alaşım geliştirme ilerlemeye devam etmektedir.
S: TiAl alaşımları için tipik oksijen içeriği sınırı nedir?
C: Oksijen, TiAl alaşımlarında 0,2%'den az olacak şekilde sınırlandırılmıştır. Daha yüksek oksijen seviyeleri sünekliği olumsuz etkiler. Oksijen alımını kontrol etmek için gelişmiş ergitme ve döküm yöntemleri kullanılır.
