Titanyum alaşımlarının ısıl işlem ve mekanik özellikleri
Heat treatments and mechanical properties of titanium alloys
- Tez No: 100640
- Danışmanlar: DOÇ.DR. MEHMET DEMİRKOL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 1999
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 80
Özet
TİTANYUM ALAŞIMLARININ ISIL İŞLEM VE MEKANİK ÖZELLİKLERİ ÖZET Titanyum, mitolojide toprağın ilk oğullarının ismi olan Titan'dan esinlenerek yaklaşık 200 yıl önce isimlendirilmiş ve günümüze endüstrisi 50 yılı aşan bir metal olarak gelmiştir. Titanyumun en çok özdeşleştirildiği alan jet motoru ve uçak gövdesi imali olsa da, son zamanlarda karşımıza en çok tıbbi implantlar olarak çıkmaktadır. Yerkabuğunda en çok bulunan dokuzuncu element olan titanyuma volkanik kayalarda ve bunlann tortularında rastlanmış, elde edilen cevherlerine ise rutil, ilmenit ve sfen gibi adlar verilmiştir. Titanyum, güneşte ve meteorlarda da bulunmaktadır. Ayrıca Apollo 17'nin aydan getirdiği kayaçtann içerisinde %12.1 oranında T1O2 'ye rastlanmıştır. Kroll'un 1946'da titanyum-tetra-klorürün (TiCI4) magnezyumla indirgenerek titanyumun üretilebilirliğini ortaya koyuncaya dek malzeme sadece laboratuvariarda araştırma konusu olan bir metal olmaktan çıkamamıştır. Günümüzde Kroll yöntemi metalin üretiminde en çok kullanılan yöntemdir. Titanyumun tasanm mühendislerini ilgilendiren en önemli özellikleri; yüksek korozyon ve erozyon dayanımına, yüksek ısıl verime ve yüksek özgül dayanımına sahip olmasıdır. Titanyum, deniz suyu veya atmosferinin korozif etkisine karşı dayanıklıdır ve aynı dayanımı asitlere, alkali ortamlara, çeşitli su ve kimyasal maddelere de göstermektedir. Erozyon ve kavitasyona dayanımı bakır-nikel alaşımlannın 20 katı seviyesindedir. Bu nedenle titanyum deniz suyunu tatlılaştırma tesislerinde de kullanılmaktadır. Çalışma şartlarında titanyumun ısı transfer özelliği, bu alanda öncü olan bakır-nikel alaşımlanna yaklaşmaktadır. Bunun çeşitli nedenleri vardır : 1. Titanyumun yüksek dayanımı, daha ince cidariı parçalar yapmaya olanak sağlar. 2. Korozif ortamda bulunan titanyumun üzerini kaplayan parlak ve pürüzsüz tabaka düzgün bir laminer akış sağlar. 3. Titanyumun yüksek korozyon ve erozyon dayanımı akışkanın yüksek hızlarda iletilmesine olanak sağlar. Titanyumun yüksek dayanımı ve düşük yoğunluğu, bu malzeme için yüksek bir özgül dayanım değeri ortaya çıkarmaktadır. Metalin yüksek özgül dayanımı ve yüksek sıcaklıklardaki özellikleri, diğer metallere karşı üstünlük göstermektedir. Bu da jet motorlan, uçak gövdesi ve füzeler gibi uçak-uzay uygulamalarında ve yüksek sıcaklıkta çalışan sistemlerde neden titanyumun seçildiğinin bir nedeni olmaktadır. Titanyumun içyapısında iki farklı içyapı kristali bulunabilmektedir. Alfa adı verilen faz sıkı düzen hekzagonal yapıdadır ve beta adı verilen diğer faz hacim merkezli kübik yapıdadır. Saf titanyum, 885 °C'ye dek kararlı alfa fazına sahiptir ve bu sıcaklığın üzerine çıkıldığında yapı beta fazına dönüşmektedir. Bu sıcaklıktan erime sıcaklığına dek beta fazı kararlı olarak yapıya hakim olmaktadır. Saf titanyuma alaşım elementi eklenmesi ile bu dönüşüm sıcaklığı ve içyapıdaki faz dağılımı değişmektedir. Örneğin kalay ve zirkonyum dışında ilave edilen alaşımlar alfa fazını akarartı hale getirirken; molibden, vanadyum, krom ve demir gibi elementler dönüşüm sıcaklığını aşağılara çekerek beta fazını kararlı hale getirmektedir. Titanyumun üç farklı alaşım tipi vardır. Alfa alaşımları ısıl işlem görmezler ancak kaynaklı imalata yatkın alaşımlardır. Titanyum alaşımları içerisinde düşük-orta arası dayanıma, yüksek çentik hassasiyetine, iyi bir sünekliğe ve çok düşük sıcaklıklarda mükemmel mekanik özelliklere sahiptir, içerisinde beta fazına göre daha çok alfa fazı bulunan süper alfa alaşımları daha çok yüksek sıcaklıklardaki sürünme dayanımlan ve oksitlenme direnci nedeniyle tercih edilmektedirler. AHa-beta alaşımları ise ısıl işleme ve kaynaklı imalata yatkın alaşımlardır. Orta-yüksek arası dayanımlan vardır ve sıcak şekillendirme özelliklerinin üstünlüğüne karşın yüksek sıcaklıklarda sürünme dayanımlan alfa alaşımlan kadar iyi değildir. Beta alaşımları da ısıl işlem ve kaynaklı imalata yatkındır. Gerek mukavemeti gerekse yüksek sıcaklıklardaki sürünme dayanımı yüksek olan bu alaşımlar, çökelme sertleştirmesi uygulandığı zaman şekillendirme özellikleri daha mükemmel hale gelmektedir. Titanyum alaşımlan döküm, dövme ve birleştirme yöntemleri ile imal edilebilmektedirler. Ancak 535 °C'nin aşılması sonucunda malzemenin bulunduğu atmosferden etkilenebileceğine dikkat edilmelidir, örneğin kaynak sırasında kaynak bölgesi koruyucu gaz atmosferi ile 535 °C'nin altına soğuyuncaya dek korunmalıdır. Titanyum ve alaşımlanna uygulanan ısıl işlemler, 1. İmalat sırasındaki artık gerilmeleri azaltmak (gerilme giderme), 2. Süneklik, işlenebilirlik, yapısal ve boyutsat kararlılık gibi özellikleri optimum değerlere ulaştırmak (tavlama) 3. Dayanımı artırmak (çözeltiye alma ve yaşlandırma) amaçlarını taşımaktadır. Tavlama, çözeltiye alma ve yaşlandırma işlemleri titanyum alaşımının mekanik özelliklerini değiştirirken; gerilme giderme ve tavlama işlemleri alaşımın korozif çevreye dayanım ve çarpılma özelliklerini düzelterek malzemeyi imalata hazırlamaktadır. Bu tez çalışmasında, titanyum ve alaşımlannın kimyasal, fiziksel ve mekanik özellikleri; içyapı özellikleri; üretim yöntemleri; ısıl işlemleri ve kullanıldığı alanlar incelenmiştir. Bu amaçla; çeşitli titanyum alaşımlannın kimyasal bileşimlerini, fiziksel ve mekanik özelliklerini ve bu alaşımların hangi atanlarda kullanıldığını içeren tablolar hazırlanmış; a, a + p ve p titanyum alaşımlannın iç yapılan, işlenebilirliği ve ısıl işleme yatkınlığı gibi özellikleri karşılaştırmıştır. Aynca titanyumun özelliğine göre kullanıldığı alanlar ayn ayn incelenmiş, çeşitli ülkelerdeki titanyum endüstrisinin gelişimi ve uygulama alanlanndan örnekler verilmiştir. Deneysel çalışmada, en geniş kullanım alanına sahip Tİ-6AI-4V alaşımından imal edilen bir parçaya ısıl işlem olarak; parametreleri tamamen literatürlere bağlı kalınarak seçilen, önce normalleştirme ve ardından çökelme sertleştirmesi uygulanmış, elde edilen içyapı görüntüsü ve sertlik değerleri yine ilgili literatürlerle karşılaştınlak tez sonuçlandırılmıştır.
Özet (Çeviri)
HEAT TREATMENTS AND MECHANICAL PROPERTIES OF TITANIUM ALLOYS SUMMARY ft was almost 200 years ago that titanium was first named as the mythological first sons of the earth, the Titans. The industry as we know it today is over 50 years old. Titanium is most commonly associated with jet engines and airframes but most recent media attention has been given to fittings for prosthetic devices. The element is the ninth most abundant in the crust of the earth and is almost always present in igneous rocks and in the sediments derived from them. If s minerals are named as rutile, ilmenite and sphene. Titanium is also present in meteorites and in the sun. Rocks obtained during Apollo 17 lunar mission showed presence of 12.1 % T1O2 - The metal was a laboratory curiosity until Kroll, in 1946, showed that titanium could be produced commercially by reducing titanium tetra chloride (TiCI4 ) with magnesium. This method is largely used for producing the metal today. The properties and characteristics which are important to design engineers are; excellent corrosion resistance, superior erosion resistance, heat transfer efficiency, superior strength-to-weight ratios. Titanium is immune to corrosive attack by salt water or marine atmospheres. It also exhibits exceptional resistance to a broad range of acids, alkalis, natural waters and industrial chemicals. Titanium offers superior resistance to erosion and cavitation, and it is at least twenty times more erosion resistant than the copper-nickel alloys. Therefore titanium is also used in desalination plants for converting sea water into fresh water. Under 'in service' conditions, the heat transfer properties of titanium approximate those of admiralty brass and copper-nickel alloys. There are several reasons for this : 1. Titanium's higher strength permits the use of thinner walled equipment, 2. The relative absence of corrosion in media where titanium is generally used leaves the surface bright and smooth for improved lamellar flow, 3. Titanium's excellent erosion-corrosion resistance permits significantly higher operating velocities. The combination of high strength and low density results in favorable strength- to-weight ratios for titanium based alloys. These ratios and ability to withstand extremes of temperature for titanium based alloys are superior to almost all other metals. This is why titanium alloys have priority in material selection for aerospace applications and high temperature applications such as airframes, jet engine parte, missiles. Titanium can exist in two crystal forms. The first is alpha which has a hexagonal close-packed crystal structure and the second is beta which has a body- centered cubic structure. In unalloyed titanium, the alpha phase is stable at all temperatures up to 885 °C where it transforms to the beta phase. This wtemperature is known as the beta transus temperature. The beta phase is stable from 885 °C to the melting point. As alloying elements are added to pure titanium, the elements tend to change the temperature at which the phase transformation occurs and the amount of each phase present Alloy additions to titanium, except tin and zirconium, tend to stabilize the alpha phase to higher temperatures and beta stabilizers such as molibden, vanadium, chromium and iron stabilize the beta phase to lower temperatures. There are three structural types of titanium alloys. Alpha alloys are non-heat treatable and are generally very weidable. They have low to medium strength, good notch toughness, reosanably good ductility and possess excellent mechanical properties at cryogenic temperatures. The more highly alloyed alpha and near alpha alloys offer optimum high temperature creep strengtti and oxidation resistance as well. Alpha-Beta alloys are heat treatable and most are weidable. Their strength levels are medium to high. Their hot forming qualities are good but the high temperature creep strength is not good as in most alpha alloys. Beta alloys are heat treatable, generally weidable, capable of high strength and good creep resistance to intermediate temperatures. Excellent formability can be expected of the beta alloys in the solution treated condition. Titanium alloys processed into useful shapes by casting, forming and joining techniques. However, care must be taken to prevent contamination when the temperature of the alloy exceeds 535 °C. For example welded area of titanium parts during welding must be protected with an inert gas until the weld cools to below 535 °C. Titanium and its alloys are heat treated to : 1. Reduce residual stresses developed during fabrication as stress relieving 2. Produce an optimum condition of ductility, machinability and dimensional and structural stability as annealing 3. Increase strength as solution treating and aging. Annealing, solution treating and aging treatments are intended to change mechanical proprerties. Stress relieving and annealing may be employed to prevent preferential chemical attack in some corrosive enviroments, to prevent distortion, and to condition the metal for subsequent forming and fabricating operations. In this thesis, titanium and its alloys were studied on the viewpoint of chemical, physical and mechanical properties, microstructures, manufacturing techniques, heat treatments and application areas. Thereby, some tables were prepared for several titanium alloys including chemical compositions, physical and mechanical properties as well as the application areas in which these alloys are utilized. Then microstructures, machinability and heat treatability of a, a + p and p titanium alloys were compared, in addition to this, application areas of titanium alloys due to its definite properties were examined separately, giving examples about development of the titanium industry in several countries. The specimen made by Tİ-6AI-4V, the most widely used titanium alloy, were heat treated first as“normalization”, consequently“solution treating and aging”whose all parameters were choosen from literatures. This study were concluded with a comparison between tile results of the experiments and the values given in literatures about appearance of microstructures and hardness number of heat treated material. xu
Benzer Tezler
- Eklemeli üretimle imal edilen havacılık sektöründe kullanılan titanyum alaşımlarının, farklı sıcaklıklardaki yorulma ve kırılma özelliklerinin belirlenmesi ve dinamik davranışlarının iyileştirilmesi
Determination of the fatigue and fracture properties and improvement of the dynamic behavior of additively manufactured titanium alloys used in the aviation industry at different temperatures
HİLMİ TEKDİR
Doktora
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiErzurum Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ FATİH YETİM
- Biyomalzeme olarak kullanılan titanyum alaşımlarının mekanik davranışları ve korozyon özellikleri üzerine ısıl işlemin etkilerinin incelenmesi
Effects of heat treatment on corrosion properties and mechanical behavior of titanium alloys used as biomaterials
YEŞİM YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Metalurji MühendisliğiFırat ÜniversitesiMetalurji Eğitimi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HÜLYA DEMİRÖREN
- Farklı titanyum alaşımlarının tel ark katmanlı imalat yöntemiyle üretimi ve mekanik özelliklerinin incelenmesi
Production of different titanium alloys by wire arc additive manufacturing and investigation of mechanical properties
ERSİN ÇAKIR
Doktora
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiEskişehir Osmangazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ULUTAN
- Production and characterization of porous titanium alloys
Gözenekli titanyum alaşımlarının üretimi ve karakterizasyonu
ZİYA ESEN
Doktora
İngilizce
2007
Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞAKİR BOR
- Production and surface treatment of Ti-Cu alloy in biomedical implant applications
Biyomedikal implant uygulamalarında Ti-Cu alaşımının üretimi ve yüzey işlemi
TUĞÇE ARABACI
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Metalurji Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiBiyo ve Nano Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İLVEN MUTLU