Characteristics and wear performance of nitrided titanium alloys
Nitrürlenmiş titaniyum alaşımların karakteristiği ve aşınma davranışları
- Tez No: 421062
- Danışmanlar: PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 122
Özet
Bu tezde nitrürleme süreci, titanyum ve titanyum alaşımları üzerinden anlatılmıştır. Titanyum ve titanyum alaşımları hafif olduklarından dolayı birçok teknolojik alanda kullanılmaktadırlar. Kullanılan alanlardan bazıları kimya endüstrisi, uzay endüstrisi, biyomedikal uygulamalar, gemi inşaatı ve enerji sanayi olarak belirtilebilir. Hafif ve yüksek dayanımlı olan bu malzemelerin birçok mühendislik uygulaması, yüzey modifikasyonu ile sağlanmaktadır. Son zamanlarda titanyum alaşımlarının mekanik özelliklerini iyileştirmek ve kullanım alanlarını arttırmak için çeşitli araştırmalar yapılmaktadır. Titanyumun öne çıkan özellikleri, yüksek mukavemeti, yüksek korozyon ve erozyon dayanımı ve biyouyumluluğudur. Titanyumun düşük aşınma dayanımı ve düşük yüzey sertliği gibi yüzey özellikleri ise dezavantaj olarak kullanım alanını kısıtlamaktadır. Bu kısıtlamaları gidermek için en basit ve ekonomik yöntem gaz nitrasyonudur. Bu yöntem uzun yıllarca demir ve demir alaşımları üzerinde kullanılmıştır ve günümüzde de titanyum üzerinde yaygın olarak kullanılan yüzey modifikasyonu yöntemlerden biridir. Titanyum alaşımları üstün özellikleri sayesinde, birçok mühendislik alanı ve uygulamasında kullanılmaktadır fakat yeni uygulama alanları yaratılması için ileri araştırma ve çalışmalar gerekmektedir. Bu çalışma kapsamında, titanyumun farklı kompozisyonları (Cp-grade 4, Ti6Al4V ve TiAl7Nb) üzerinde gaz nitrasyonu yapılmıştır. CP-Ti ve Ti6Al4V alaşımı, yüksek biyouyumluluğu ve sahip olduğu koruyucu pasif oksit film sayesinde yüksek korozyon direnci göstermektedir, bunun yanısıra yüksek mekanik özellikleri ile de öne çıkan bir implant malzemesidir. Son zamanlarda ise, vanadyumun toksik etkisinden dolayı, vanadyum içermeyen Ti6Al7Nb alaşımı üretilmiştir. Titanyumun olumsuz özelliklerin iyileştirilmesi için titanyuma uygulanabilecek çeşitli yüzey modifikasyon tekniklerini ise üç grupta toplanabilir; Bunlar, kaplama yöntemleri, yüzeyin kimyasal özelliklerini değiştirmeden yapısını değiştiren yöntemler ve yüzeyin kimyasal özelliklerini değiştirerek yeni ve farklı fazlar içeren bir yüzey tabakası elde etme yöntemleridir. Bu teze konu olan yüzey modifikasyon yöntemi, üçüncü gruba dahil olan gaz nitrürleme yöntemidir. Nitrojen difüzyonu sonucu oluşan nitrür tabakası sayesinde, titanyum ve titanyum alaşımlarının yüzey sertlikleri ve aşınma dirençleri arttırılmıştır. Nitrojenin difüzyonu ile birlikte, malzemenin yüzeyinde katı eriyik oluşmaktadır ve bundan dolayı yüzey sertliği artmaktadır. Gaz nitrürleme yöntemi, termokimyasal bir yöntemdir. İlgili metal, yüksek sıcaklığa çıkarıldıktan sonra saf azot ya da amonyum gazı ortamında belli bir süre boyunca ısıl işleme tabi tutulur. Bu süreçte, yüzeydeki atomların mobilitesi artar, titanyum yüzeyi arayer difüzyonuna daha müsait hale gelir ve azotun arayer difüzyonu sonucunda titanyum nitrür fazı oluşur. Bu çalışmada, titanyum alaşımları 950, 1120 ve 1250 derece sıcaklıkta ve farklı sürelerde (3, 7 ve 12 saat) nitrürlenmiştir. Çalışma kapsamında, nitrasyon kinetiği, malzemenin ağırlık değişimi ve nitrür tabakalarının kalınlık değişimi ile hesaplanmıştır. Titanyumun yüzey özelliklerini geliştirmek için termokimyasal yöntem uygulanmıştır. Bu işlemin sonucunda titanyumun gri yüzeyi, titanyum nitrürün karakteristik özelliklerinden olan altın rengine dönüşmüştür. Ayrıca titanyum nitrürün oluşumu X-ray cihazı ile de tespit edilmiştir. Faz dönüşüm sıcaklığı altında yapılan nitrürleme çalışmalarında ise CP-Ti yüzeyi nitrür tabakası ile tamamen kaplanmamışken, alüminyum içeren titanyum alaşımlarının yüzeyi tamamen nitrür ile kaplanmaktadır. Bilindiği gibi titanyum ve titanyum alaşımlarının nitrojen ile reaksiyon verme eğilimi yüksektir, özellikle sıcaklık ve zamanın artması ile de bu malzemeler nitrojen atmosferinde nitrojen ile bileşik oluşturmaktadır. Önceki araştırmalarda sunulduğu üzere, titanyum ve alaşımlarının yüzeyinde oda sıcaklığında titanyum oksit bulunmaktadır. Sıcaklığın artması ile nitrojen atomları oksit atomları ile yer değiştirmektedir. Faz dönüşüm sıcaklığının üzerinde ise tüm numuneler tamamen nitrür tabakası ile kaplanmıştır. Yüksek sıcaklıkta, titanyumun alfa yapısı beta titanyuma dönüşmektedir. Azot difüzyonunun başlaması ile birlikte faz dönüşüm sıcaklığı düşmekte ve nitrür tabakasının altında yeniden alfa tabaka özelliğine sahip NDZ tabakası oluşmaktadır. Optik mikroskop çalışmalarında, Cp-Ti yüzeyinde çift katlı bir tabaka oluştuğu görülmektedir. Üst tabakada nitrür ve alt tabakada ise nitrojenin difüzyon ettiği alfa tabakası bulunmaktadır. Beta titanyum fazının nitrürleme yapıldığı sırada gösterdiği dönüşümler aşağıdaki şekilde özetlenebilir; 1- Azotun beta titanyumda çözünmesi ve katı çözelti oluşturması. 2- Nitrojen ile zenginleşmiş yüzeyde beta titanyumun alfa titanyuma dönüşüp NDZ (nitrojen diffusion zone) oluşması. 3- Alfa titanyumda nitrojen konsantrasyonunun yeterince artması sonucu altın renginde nitrür tabakasının oluşması ve alüminyum içeren titanyum alaşımlarında ise ara tabaka oluşması. Alüminyum içeren titanyum alaşımları üzerinde yapılan optik mikroskop incelemelerinde, nitrür tabakası ve NDZ tabakası ortasında IZ adı verilen bir orta tabaka oluştuğu gözlemlenmektedir. Taramalı elektron mikroskobu bünyesinde bulunan enerji dağılım spektrometre analizlerinde bu tabakanın yüksek alüminyum içerdiği tespit edilmiştir. Bilindiği üzere, nitrür tabakası içinde alüminyum tutunamadığı için alüminyum alt tabakalara itilmektedir ve IZ tabakası oluşumuna sebep olmaktadır. Aktivasyon enerjisi hesaplandığında nitrür tabakasının büyümesini kontrol eden parametreler nitrojenin beta fazındaki difüzyonu ve alüminyumun alfa fazındaki difüzyon hızıdır. Numunelerin kesitleri EDX ve EPMA yöntemleri ile incelendiğinde IZ ara tabakasının alüminyum ile zenginleşmiş olduğu, vanadyum ve niyobyum elementlerinin ise beta fazında çözünüp malzemelerin iç kısımlarına doğru nufüz edip genellikle tane sınırlarına yerleştiği gözlemlenmektedir. Sıcaklığın ve zamanın artması ile malzemede bulunan nitrür tabakası, ara tabaka ve NDZ tabakasının büyüdüğü tespit edilmiştir. Bu büyüme ile birlikte nitrür tabakasının pürüzlülüğü de artmaktadır. Dönüşüm sıcaklığının altında nitrürlenmiş malzemelerin yüzeyinde yapılan Rockwell C yapışma testi sonucunda, nitrür tabakasının yüzeye daha iyi yapıştığı gözlemlenmektedir. Dönüşüm sıcaklığının üzerinde yapılan nitrürlemelerde nitrür tabakasının basınç ve aşınma sırasında kırılıp yüzeyden kopduğu görülmektedir. Titanyum numunelere kesitten 50 g yük ile uygulanan sertlik testi sonucunda, titanyum nitrür tabakasının sertliğinin iç kısımdan yüzeye arttığı tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, sıcaklık ve işlem süresi arttıkça sertlik artmaktadır. Malzemenin yüzeye yakın kısımlarında sertliğin ise en yüksek sertliğe ulaşılmış ve 2000-2500 HV civarında olduğu tespit edilmiştir. Nitrürleme yöntemi malzemenin aşınma direncini çok büyük ölçüde iyileştirmektedir. Yapılan aşınma testleri sonucunda, Cp-Ti 1120 derecede ve 7 saat nitrürleme sonucunda en iyi aşınma dayanımı performansı gösterdiği saptanmıştır. Alüminyum içeren titanyum alaşımlarını ise en iyi aşınma dayanımını, faz dönüşüm sıcaklığının altında yani 950 derecede 3 saat nitrürleme şartlarında göstermişlerdir. Aşınma yüzeyi incelendiğinde, çok ince bir izi ve hafif parlamış bir yüzey görülmektedir. Genel olarak aşınma için tespit edilen mekanizma abrasif aşınmadır. Aşınma testleri sonucunda, alüminyum içeren titanyum alaşımlarının malzemenin aşınma direncini 300 kata kadar arttığı gözlemlenmektedir.
Özet (Çeviri)
Titanium and its alloys are used in the aerospace industry, chemical applications, architectural areas, sports equipment industry, biomedical applications, power plant industries, transportation, marine and automobile industry. Properties such as high strength, low density and enhanced corrosion resistance are the most important advantages of titanium alloys for these engineering applications. On the other hand, the most unfavorable feature of titanium is the poor tribological properties such as wear resistance; hence, the usage of titanium alloys is limited with wear related applications. Since gas nitriding is a very simple, economical and most used surface treatment method which has been used for many years, present study focuses on gas nitriding of titanium and its alloys conduced with the aim of improving the surface hardness and wear resistance by forming titanium nitride (TiN) layer and a nitrogen diffusion zone (NDZ) beneath it. In nitriding process, in addition to treatment time and temperature, chemical composition of titanium alloys could have significant influence on the characteristics of the nitrogen exposed surfaces. Therefore, it is needed to have further studies on different classes and grades of titanium alloys to investigate the effect of chemical composition on the characteristics of nitrided surfaces. This study focuses on characteristics of commercial purity grade titanium (Cp-Ti Grade 4) and titanium alloys (Ti6Al4V and Ti6Al7Nb) after gas nitriding at 950, 1120 and 1250 °C for 3, 7 and 12 h. The objective of this study can be summarized as investigation of microstructural features, nitriding kinetics (based on the weight changes and thickness of the grown layers), hardness and tribological performances of nitrogen exposed surfaces. As the result of the nitriding process, the surface appearances of the samples changed to golden color upon formation of a TiN layer. As a general trend higher nitriding temperatures and longer exposure times favored formation of thicker TiN layer. However, XRD analyses conducted on Cp-Ti revealed that nitriding temperature 950°C did not cause complete covering of the surface with TiN layer unlike titanium alloys. Microscopic examinations revealed the formation of two layers consisting of TiN and NDZ on Cp-Ti, while three layers, including TiN, Intermediate Zone (IZ) and NDZ, were developed on nitrogen-exposed surfaces of Ti6Al6V and Ti6Al7Nb alloys. Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) equipped scanning electron microscopic (SEM) surveys showed that IZ has a wavy appearance and formed as a thin layer upon enrichment by aluminum. In the case of Cp-Ti, the interface between TiN layer and NDZ was straight without any evidence of changes in composition. Kinetic studies conducted on the nitrided samples revealed that presence of alloying elements in the substrate caused higher activation energy for diffusion of nitrogen. In this respect, higher nitrogen diffusion activation energy of titanium alloys as compared to Cp-Ti can be attributed to IZ formation as the result of repelling of aluminum atoms from the growing TiN layer. As the nitriding temperature and time increase, TiN layer tend to be more porous and exhibit poor adhesion characteristics. In general, TiN layers formed at nitriding temperature of 950 °C exhibited better adhesion performance than those formed at 1120 and 1250 °C. Results of the cross-sectional microhardness measurements and wear tests showed that nitriding process is very beneficial to enhance the hardness and wear resistance of the examined samples as compared to their as-received states. In accordance with adhesion characteristics of the TiN layer nitriding temperature of 950°C provided excellent wear resistance for the examined titanium alloys. The best wear performance of Cp-Titanium was obtained after nitriding at 1120 ºC for 7 hours.
Benzer Tezler
- Inconel 718 alaşımının katı partikül erozyon davranışının incelenmesi
Solid particle erosion of inconel 718 alloy
BERK BİRCAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU
- Inconel 713 LC süper alaşımının akışkan yataklı fırın sistemi ile nitrürlenmesi
Nitriding of inconel 713 LC superalloy with fluidized bed
MİNE YÜCEL
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU
- Plazmada nitrürlenmiş Ti-6Al-4V alaşımının difüzyon kinetiği ve aşınma davranışının incelenmesi
Investigation of diffusion kinetics and wear behaviour of plasma nitrided Ti-6Al-4V alloy
ŞÜKRÜ TAKTAK
Doktora
Türkçe
2002
Metalurji MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HATEM AKBULUT
- CrN ve TiN kaplamaların galvanik korozyon davranışı
Galvanic corrosion behaviour of TiN and CrN coatings
SELİM TAŞÇI
- Gaz enjeksiyon ve elementel karbon ilavesi yöntemleri ile tic takviyeli alüminyum matrisli kompozit üretimi
Başlık çevirisi yok
IŞIL ÇEVİKER KERTİ
Doktora
Türkçe
1998
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. H. ERMAN TULGAR