Titanyum alaşımları yapısal malzemeler arasında benzersiz bir konuma sahiptir. Saf titanyum, mükemmel korozyon direncine ve biyouyumluluğuna rağmen yalnızca orta düzeyde bir dayanıklılık sunar (yaklaşık 240-550 MPa çekme dayanımı). Titanyumun ticari olarak saf bir metalden, 1500+ MPa akma dayanımına-ulaşabilen yüksek-performanslı bir mühendislik malzemesine-dönüşümü tamamen onun periyodik tablodaki alaşım elementleriyle etkileşiminde yatmaktadır.
Güçlendirme mekanizmalarının genellikle dar bir dizi elemente dayandığı çelik veya alüminyum alaşımlarından farklı olarak titanyum, alışılmadık derecede geniş bir alaşımlama ortamı sunar. 60'tan fazla element, titanyumun faz dengesini, dönüşüm kinetiğini ve mekanik tepkisini önemli ölçüde değiştirir. Bu unsurlar rastgele seçilmemiştir; rolleri temel kristalografik uyumluluk, elektronik yapı ve periyodik tablodaki titanyuma göre konumları tarafından belirlenir.
Bu makale, bu "çoklu-elemanlı iş ortağı" ailesinin, havacılık uygulamalarına hakim olan Al-V kombinasyonundan servis sıcaklıklarını 600 derecenin üzerine çıkaran refrakter metal ilavelerine kadar "talep üzerine-özelleştirmeyi- nasıl sağladığının sistematik bir incelemesini sağlar.
Metalurjik Çerçeve: Titanyum Neden Bu Kadar Çok Elemente Yanıt Veriyor?
1.1 Tasarım Değişkeni Olarak Allotropik Dönüşüm
Titanyumun çok yönlülüğü allotropik dönüşümünden kaynaklanmaktadır. 882 derecenin altında saf titanyum, -Ti olarak adlandırılan altıgen sıkı-paketlenmiş (HCP) bir yapıda kristalleşir. Bu sıcaklığın üzerinde cisim-merkezli kübik (BCC) -Ti'ye dönüşür.
Bu dönüşüm sıcaklığı-ve her fazın kararlılığı-alaşım ilaveleriyle büyük ölçüde değiştirilir. -Transus sıcaklığını artıran öğeler, -faz alanını genişletir ve -stabilizatörler olarak adlandırılır. -Transus sıcaklığını düşüren öğeler, -faz alanını genişletir ve -stabilizatörler olarak adlandırılır. Üçüncü bir kategori olan nötr elementler, dönüşüm sıcaklığı üzerinde minimum etkiye sahiptir.
Bu faz stabilitesi çerçevesi, birden fazla ölçekte mikroyapı mühendisliğine olanak sağlar: birincil tane boyutu, ikincil çıta kalınlığı, tane morfolojisi ve metaller arası bileşiklerin dağılımı.
1.2 Sınıflandırma Sistemi
Titanyumun allotropik dönüşümü ile etkileşimlerine bağlı olarak alaşım elementleri dört fonksiyonel kategoriye ayrılır:
| Kategori | Elemanlar |
-Transus üzerindeki etkisi |
Tipik Konsantrasyon Aralığı |
| -dengeleyiciler | Al, Ga, Ge, B, O, N, C | Arttırmak |
l: ağırlıkça %2-7; O: ağırlıkça %0,1–0,3 |
| -dengeleyiciler (eşbiçimli) | Mo, V, Nb, Ta, W | Azaltmak |
V: ağırlıkça %2-15; Not: ağırlıkça %10–40 |
| -stabilizatörler (ötektoid) | Fe, Cr, Ni, Cu, Si, H | Azaltmak |
V: ağırlıkça %2-15; Not: ağırlıkça %10–40 |
| Nötr elemanlar | Zr, Hf, Sn | Minimum değişiklik |
Zr: ağırlıkça %1-8; Sn: ağırlıkça %2–5 |
Şekil 1, alaşım ilavelerinin faz sınırlarını nasıl yeniden şekillendirdiğini ve farklı mikroyapısal sonuçları nasıl mümkün kıldığını gösteren, her bir kategori için ikili faz diyagramı özelliklerini göstermektedir.
-Stabilizatörler: Güç ve Oksidasyon Vakfı
2.1 Alüminyum: Evrensel Güçlendirici
Alüminyum, titanyumda en yaygın kullanılan alaşım elementidir ve Ti-6Al-4V'den yüksek sıcaklıktaki yakın alaşımlara kadar neredeyse tüm ticari alaşımlarda mevcuttur. Hakimiyeti birden fazla katkıdan kaynaklanmaktadır:
·Katı çözelti güçlendirmesi: Al, HCP kafesi içindeki ikame bölgelerini işgal ederek tercihen -fazında çözünür. Bu, iki güçlendirici etki üretir: (1) dislokasyon hareketine karşı direnci artıran kafes distorsiyonu ve (2) -faz istifleme hatası enerjisinin değiştirilmesi.
·Yoğunluk azalması: 2,7 g/cm3'te Al, alaşım yoğunluğunu önemli ölçüde azaltır. Ağırlığın her %1'lik Al ilavesi, yoğunluğu yaklaşık %1,5 oranında azaltır; bu, spesifik gücün bileşen tasarımını gerektirdiği havacılık uygulamaları için kritik bir avantajdır.
· Sipariş potansiyeli: Yaklaşık ağırlıkça %8'i aşan konsantrasyonlarda Al, düzenli ₂ (Ti₃Al) çökeltilerinin oluşumunu teşvik eder. Bunlar kaba bir şekilde dağıtıldığında alaşımı kırılganlaştırabilirken, kontrollü çökeltme ek güçlendirme yolları sunar.
Huang ve arkadaşlarının son çalışması. Al ilavelerinin titanyumdaki dislokasyon davranışını temel olarak değiştirdiğini gösterdi. İkili Ti-6Al alaşımlarında Al, deformasyon ikizlenmesini bastırır ve çoklu kayma sistemleri için kritik çözülmüş kayma gerilimini (CRSS) değiştirir. Bu güçlendirme bir ödünleşimi de beraberinde getirir: Akma dayanımı artarken süneklik ve darbe dayanıklılığı genellikle azalır.
2.2 Ara Güçlendiriciler: Oksijen, Azot, Karbon
Oksijen, nitrojen ve karbon, titanyum kafes içindeki ara bölgeleri işgal ederek düşük konsantrasyonlarda olağanüstü verimli güçlendirme üretir. Her bir ağırlıkça %0,1 O, akma mukavemetini yaklaşık 150-200 MPa artırır.
·Oksijen: En yaygın geçiş maddesi olan O, hem güçlendirme fırsatı hem de kirlenme endişesidir. Oksijen, -fazını stabilize eder, -transus sıcaklığını yükseltir ve önemli ölçüde katı çözelti güçlendirmesi sağlar. Bununla birlikte, ağırlıkça yaklaşık %0,3-0,4 O2'nin aşılması, sünek deformasyon mekanizmalarının baskılanması yoluyla ciddi kırılganlığa neden olur.
·Azot: Son gelişmeler N'nin rolünü yeniden değerlendirdi. Zhang ve diğerleri. kontrollü N eklemelerinin (ağırlıkça %0,17-0,40) tane sınırı mühendisliğiyle bir araya getirilmesiyle olağanüstü güç-süneklik kombinasyonları üretebildiğini gösterdi. Ti-1800 alaşımları (Ti-4.1Al-2.5Zr-2.5Cr-6.8Mo-0.17O-0.10N), birincil, ikincil ve ultra ince -Widmanstätten çökeltilerinden oluşan hiyerarşik bir yapı sayesinde 1800 MPa akma dayanımına ulaştı.
·Karbon: Ağırlıkça %0,05–0,2 C ilavesi TiC oluşumunu teşvik eder. Bu karbürler ikili işlevlere hizmet eder: (1) yüksek sıcaklıkta işleme sırasında tane sınırlarını sabitlemek, son mikro yapıyı iyileştirmek ve (2) çökeltme için heterojen çekirdeklenme bölgeleri olarak hareket etmek. Ortaya çıkan mikro yapı, daha ince taneler ve daha rastgele çıta yönelimleri gösterir.
2.3 Bor: Tahıl Arıtma Maddesi
B (ağırlıkça %0,01-0,2) ile mikro alaşımlama, önceki tane boyutunu önemli ölçüde incelten TiB kılçıkları üretir. TA6.5 alaşımlarında ağırlıkça %0,2 B, mikro yapıyı kaba Widmanstätten'den rafine sepet-örgü morfolojisine dönüştürdü, koloni boyutunu azalttı ve hem oda-sıcaklığı hem de 650 derece gerilme özelliklerini iyileştirdi.
Devam ediyor...
