Titanyum Alaşım İşlemesinde Önemli Hususlar
1. Kimyasal Reaktivite ve Sıcaklık Hassasiyeti
Titanyum, yüksek sıcaklıklarda olağanüstü derecede yüksek kimyasal reaktivite sergiler ve bu, işlenmesinin her yönünü temel olarak şekillendirir. Yaklaşık 600 santigrat derecenin üzerinde titanyum, çevredeki atmosferden oksijeni, nitrojeni ve hidrojeni agresif bir şekilde emer. Oksijen ve nitrojen interstisyel olarak alfa fazına çözünür ve alfa durumu olarak bilinen sert, kırılgan bir yüzey tabakası oluşturur. Bu katman, yorulma direncini ve sünekliği önemli ölçüde azaltır ve herhangi bir yüksek-sıcaklık işleminden sonra makineyle işleme, taşlama veya kimyasal dekapaj yoluyla tamamen ortadan kaldırılmalıdır. Hidrojen emilimi, servis yüklemesi gerçekleşene kadar belirgin olmayabilen hidrojen kırılganlığına neden olduğundan daha da sinsi bir tehdit oluşturur. Titanyum, 300 santigrat dereceye kadar düşük sıcaklıklarda bile nem- içeren atmosferlerden veya hidrokarbon yağlayıcılardan hidrojen alabilir.
Alfa-beta ve beta fazı alanları arasındaki sınırı işaret eden beta transus sıcaklığı, alaşım bileşimine göre değişir. Ti-6Al-4V için bu yaklaşık 995 santigrat derecede meydana gelirken, Ti-5Al-2.5Sn için bu değer 1040 santigrat dereceye yakındır. Beta transusun üzerinde işlem yapılması, daha düşük süneklik ve yorulma özelliklerine sahip, kaba, lamel şeklinde dönüştürülmüş bir beta mikro yapı üretir. Bu nedenle, termomekanik işlemenin, hassas sıcaklık izleme ve hızlı üretim gerektiren dar işleme pencereleriyle, tepe sıcaklıklarını dikkatli bir şekilde kontrol etmesi gerekir.
Titanyum alaşımlarının ısı iletkenliği oldukça zayıftır; karbon çeliğinin yaklaşık-altıda biri kadardır. İşleme veya taşlama sırasında ısı, toplu malzemeye dağılmak yerine takım-iş parçası arayüzünde yoğunlaşır. Bu durum yüksek kesme sıcaklıklarına, daha hızlı takım aşınmasına ve sürtünmeden kaynaklanan ısınmadan kaynaklanan alfa durum oluşumu da dahil olmak üzere potansiyel iş parçası yüzey hasarına yol açar.
2. İşleme Zorlukları
Titanyum alaşımları, onları geleneksel mühendislik malzemelerinden ayıran zorlu işleme zorlukları sunar. Malzeme, yüksek kimyasal afinitesi nedeniyle, özellikle kesme sırasında oluşan yüksek sıcaklıklarda, kesici takımlara zarar verme ve kaynak yapma eğilimindedir. Bu-birikmiş kenar oluşumu, zayıf yüzey kalitesi ve tahmin edilemeyen boyutsal doğruluk üretir. Çeliğin kabaca yarısı kadar olan düşük elastiklik modülü, kesme kuvvetleri altında önemli ölçüde geri esneme ve sapmaya neden olur ve ince iş parçalarında sıkı toleransların elde edilmesini zorlaştırır.
Kesici takım seçimi, işleme başarısını kritik bir şekilde etkiler. İnce taneli yapıya ve yüksek kobalt içeriğine sahip semente karbür takımlar, sertlik ve tokluk arasında en iyi dengeyi sağlar. Çok kristalli elmas takımlar, yüksek-hızlı bitirme işlemleri için olağanüstü performans sunar, ancak önemli ölçüde daha yüksek maliyete sahiptir. Takım geometrisi, kesme kuvvetlerini azaltmak için pozitif eğim açıları ve sürtünmeyi en aza indirmek için cömert boşaltma açıları gerektirir. İşlenerek sertleştirilmiş titanyumun kesilmesi tavlanmış malzemeye göre çok daha zor olduğundan-keskin kesici kenarlar önemlidir.
Kesme parametreleri ihtiyatlı bir şekilde seçilmelidir. Kesme derinliği, takımı önceki geçişte oluşturulan iş-sertleştirilmiş katmanın altında tutmak için yeterli olmalıdır. İlerleme hızları, kesme yerine sürtünmeyi önlemek için yeterli talaş kalınlığını sağlamalıdır. Kesme hızları kaba işleme operasyonları için genellikle dakikada 30 ila 60 metre ile sınırlıdır, ince talaş işleme için ise biraz daha yüksek hızlar mümkündür. Sıcaklığı kontrol etmek ve talaşları temizlemek için yüksek-basınçlı, yüksek-hacimli soğutma sıvısını doğrudan kesme bölgesine ileten taşma soğutma sıvısı uygulaması zorunludur. Aşırı basınç katkı maddeleri içeren suda çözünür soğutucular tercih edilir, ancak soğutucunun stresli korozyon çatlamasına neden olabilecek klorlu bileşikler içermediğinden emin olmak için dikkatli olunmalıdır.
İş parçasının fikstürle bağlanması, titanyumun düşük modülü ve titreşim eğilimi nedeniyle özel dikkat gerektirir. Minimum çıkıntıya sahip sağlam kurulumlar önemlidir. Sönümleme malzemeleri fikstür tasarımlarına dahil edilebilir. Tekrarlanan termal döngü, termal yorulma nedeniyle aletin arızalanmasını hızlandırdığından, mümkün olduğunca kesintili kesimlerden kaçınılmalıdır.
3. Taşlama ve Aşındırıcı İşleme
Titanyum alaşımlarının taşlanması belirli tehlikeleri ve zorlukları beraberinde getirir. Malzemenin zayıf termal iletkenliği, öğütme sıcaklıklarının yükselmesine neden oluyor ve yeterli oksijen mevcutsa potansiyel olarak ince titanyum parçacıklarının tutuşmasına neden oluyor. Taşlama sırasında oluşan titanyum yangınları, uygun önlemler alındığında nadir de olsa son derece yoğun olabilir ve söndürülmesi zor olabilir. Geleneksel su veya karbondioksitli söndürücüler etkisizdir; kuru kum veya özel D Sınıfı yangın söndürücüler gereklidir.
Aşındırıcı seçimi, açık yapılı ve camsı bağlayıcılı alüminyum oksit veya silisyum karbür çarkları tercih eder. Açık yapı talaş temizlemeye ve soğutma sıvısının nüfuz etmesine olanak sağlar. Tekerlek hızları genellikle çelik taşlamayla karşılaştırıldığında azaltılırken, beklemeyi ve aşırı ısınmayı önlemek için çalışma hızları ve ilerleme hızları artırılır. Sürekli pansuman diskin keskinliğini ve kesme verimliliğini korur. Yine klorlu bileşiklerden kaçınarak bol soğutma sıvısı akışı kesinlikle gereklidir.
Bant taşlama ve parlatma işlemleri de benzer şekilde dikkatli parametre kontrolü gerektirir. Zirkonya alümina veya seramik tanecikli kaplamalı aşındırıcı bantlar iyi performans gösterir. Temas tekerlekleri, iş parçasına uyum sağlamak ve bölgesel ısınmayı azaltmak için nispeten yumuşak olmalıdır. Kumun kabadan inceye doğru kademeli olarak ilerlemesi, optimum yüzey bütünlüğü sağlar.
4. Şekillendirme İşlemleri
Titanyum alaşımlarının soğuk şekillendirilmesi mümkündür ancak malzemenin yüksek akma dayanımı ve belirgin geri yaylanma nedeniyle sınırlıdır. Bükülme yarıçapları cömert olmalıdır; tavlanmış durumda Ti-6Al-4V için malzeme kalınlığının üç ila beş katı, alüminyum alaşımlarının ise bir ila iki katı olmalıdır. Geri esneme telafisi, her malzeme durumu ve geometri için kesin derecenin ampirik olarak belirlendiği aşırı bükme veya tabana inme tekniklerini gerektirir.
Sıcak şekillendirme, çalışılabilir aralığı genişletir ancak alfa durumu endişelerini ortaya çıkarır. 540 ila 760 santigrat derece arasındaki şekillendirme sıcaklıkları, daha az geri esneme ile daha fazla deformasyona izin verir, ancak oluşturulan bileşen herhangi bir reaksiyon katmanını çıkarmak için daha sonra yüzey işlemi gerektirir. 870 ila 925 santigrat derecede süperplastik şekillendirme, belirli titanyum alaşımlarında elde edilebilen olağanüstü ince taneli yapıyı kullanarak, tek tabakalardan karmaşık havacılık bileşenlerinin üretilmesine olanak tanır. Bu işlem, artı veya eksi 10 santigrat derece dahilinde hassas sıcaklık kontrolü ve saniyede 10 ila eksi 4 civarında kontrollü gerinim oranları gerektirir.
Gerdirerek şekillendirme, derin çekme ve hidroformlamanın her biri kendine özgü zorlukları beraberinde getirir. Hem kalıp hem de işlenmemiş yüzeylere uygulanan molibden disülfür, grafit veya özel titanyum oluşturucu bileşiklerle yağlama, baştan sona kritik öneme sahiptir. Kalıp malzemeleri sert, aşınmaya-dirençli yüzeyler gerektirir; nitrürlenmiş takım çelikleri veya nikel-bazlı süper alaşımlar yaygın olarak kullanılır.
5. Kaynakla İlgili Hususlar
Titanyum alaşımlarının ergitme kaynağı, sıkı bir atmosferik koruma gerektirir çünkü erimiş titanyum oksijen, nitrojen ve hidrojen ile şiddetli reaksiyona girer. Yetersiz koruma, mekanik özellikleri önemli ölçüde azaltan gözenekli, kırılgan kaynaklara neden olur. Yüksek-saflıkta argon korumalı tungsten inert gaz kaynağı en yaygın manuel işlemi temsil etse de, otomatik üretim için plazma ark kaynağı, elektron ışın kaynağı ve lazer kaynağı yaygın olarak kullanılmaktadır.
Koruma sistemi yalnızca erimiş havuzu değil, sıcaklıklar yaklaşık 400 santigrat derecenin altına düşene kadar-ısıdan etkilenen bölgenin tamamını da korumalıdır. Torcun arkasına uzanan arka korumalar ve kök pasoların arkadan temizlenmesi standart uygulamadır. Argon saflığı yüzde 99,995'i aşmalı ve çiğ noktası eksi 50 santigrat derecenin altında olmalıdır. Havadan, nemden veya hidrokarbonlardan kaynaklanan herhangi bir kirlenme, giderek şiddetli gevrekleşmeyle birlikte saman sarısından maviye, gri veya beyaza kadar değişen kaynak rengi bozulmasına neden olur.
Dolgu metali seçimi genellikle baz alaşım bileşimiyle eşleşir, ancak küçük değişiklikler kaynaklanabilirliği geliştirebilir. Ti-6Al-4V için eşleşen bileşim dolgusu standarttır. Ön ısıtma genellikle gereksizdir ve reaktif sıcaklık aralığında uzun süre kalması nedeniyle potansiyel olarak zararlıdır. Kaynak sonrası ısıl işlem tipik olarak 540 ila 650 santigrat derecede gerilim gidermeyi içerir, ancak ısıl işleme tabi tutulabilen alaşımlarda tüm özelliklerin geri kazanılması için çözelti işlemi ve yaşlandırma gerekebilir.
Beta durumunda kaynak ve ardından-kaynak sonrası ısıl işlem, dayanma çatlaması duyarlılığını azaltarak kalın kesitler için avantajlar sunar. Bununla birlikte, kaba beta tane yapısı, kabul edilemez özellikleri önlemek için sonraki soğutmanın dikkatli bir şekilde kontrol edilmesini gerektirir.
6. Isıl İşlem Protokolleri
Titanyum alaşımlarının ısıl işlemi, alfa vaka oluşumunu önlemek için vakum veya inert atmosfer fırınları gerektirir. 10 ila eksi 3 milibar veya daha iyi vakum seviyeleri tipiktir ve sızıntı oranları her döngüden önce doğrulanır. Argon dolgusu söndürme operasyonları için kullanılabilir, ancak gaz saflığının kaynak koruyucu gazla aynı katı standartları karşılaması gerekir.
Hava soğutmayla 700 ila 760 santigrat derecede tavlanan değirmen, gerilimin azaltılmasını ve mütevazı özellik optimizasyonunu sağlar. Beta çözelti işlemini ve ardından alfa-beta tavlamayı içeren çift yönlü tavlama, sürünme direncini ve termal kararlılığı artırır. Çözelti muamelesi ve yaşlandırma, yarı kararlı beta matris içindeki alfa fazının kontrollü çökeltilmesi yoluyla gücü en üst düzeye çıkarır. Ti-6Al-4V için genellikle 925 ila 955 santigrat derece olan çözelti işleme sıcaklığı, birincil alfa ve dönüştürülmüş beta arasında istenen dengeyi elde etmek için dar sınırlar içinde kontrol edilmelidir. Söndürme ortamı seçimi, her biri farklı değiş tokuşlar sunan su, polimer söndürücüler veya basınçlı gazla soğutma hızını bozulmaya karşı dengeler.
480 ila 600 santigrat derecelik eskitme sıcaklıkları, çeşitli mukavemet-süneklik kombinasyonları üretir; daha düşük sıcaklıklar mukavemeti desteklerken, daha yüksek sıcaklıklar dayanıklılığı artırır. Yaşlandırma süresi, tam dönüşüm için yeterli olmalıdır; sıcaklığa ve kesit boyutuna bağlı olarak genellikle 4 ila 16 saat arasındadır.
Isıl işlem sonrası-inceleme, alfa kabuğunun tamamen kaldırıldığını doğrulamak için mikro-sertlik profili oluşturmayı, hedef mikro yapıyı doğrulamak için metalografik incelemeyi ve özellikleri doğrulamak için mekanik testleri içerir.
7. Kimyasal İşleme ve Yüzey İşlem
Kimyasal frezeleme ve dekapaj, termal olarak işlenmiş titanyumdan alfa kasasını ve pulunu çıkarır. Standart dekapaj çözeltisi, hacimce 1 kısım HF ila 4 ila 6 kısım HNO3 tipik oranlarıyla su içinde hidroflorik asit ve nitrik asit içerir. Nitrik asit, yüzeyi oksitlemeye ve pasifleştirmeye hizmet ederken HF, titanyum oksidi çözer. Temizleme sırasında aşırı hidrojen emilimini önlemek için HF'nin HNO3'e oranı 4'e 1'i geçmelidir. 20 ila 60 santigrat derece arasındaki çözelti sıcaklığı, aşındırma hızını kontrol eder; daha yüksek sıcaklıklar, daha hızlı malzeme çıkarılmasına neden olur ancak hidrojen toplanması riskini artırır.
Ağırlığı azaltmak veya şekillendirmek için kimyasal frezeleme, yüksek sıcaklıklarda benzer kimyayı kullanır. Aside-dirençli kaplamalarla maskeleme, kaldırılacak alanları tanımlar. Maske tasarımında yanal aşınmanın dikey aşınmaya oranı olan aşındırma faktörü dikkate alınmalıdır.
Eloksallama, titanyum üzerinde koruyucu ve dekoratif oksit filmler üretir. Kromik veya sülfürik asit çözeltilerindeki Tip 2 anotlama, aşınmaya-dirençli yüzeyler oluşturur. Tip 3 renkli anotlama, parça tanımlama ve tıbbi cihaz işaretlemesi için yararlı olan boyasız bir dizi renk üretmek için ince oksit filmlerdeki optik parazitten yararlanır. Anodize katman biyolojik olarak uyumludur ve ortopedik implantlar için osseointegrasyonu artırır.
Nitrik asitteki pasivasyon işlemleri yüzeydeki demir kirliliğini ortadan kaldırır ve korozyon direncini artırır. Bu, sıkı biyouyumluluk gerekliliklerini karşılaması gereken tıbbi sınıf titanyum için özellikle önemlidir.
8. Dövme ve Termomekanik İşleme
Titanyum alaşımlı dövme, dar işleme penceresini ve yüksek akış gerilimlerini yönetebilmek için izotermal veya -izotermal'e yakın koşullar gerektirir. Beta transusun üzerindeki geleneksel dövme, sınırlı sünekliğe sahip kaba dönüştürülmüş mikro yapılar üretir. Beta transusun 15 ila 50 santigrat derece altında gerçekleştirilen alfa-beta dövme, alfa fazının dinamik yeniden kristalleştirilmesi yoluyla mikro yapıyı iyileştirir ve üstün mekanik özellikler sağlar.
İzotermal dövme, dövme sıcaklığında tutulan süper alaşım kalıpları kullanır, ısı kaybını azaltır ve daha düşük pres kuvvetlerine izin verir. Bu, minimum düzeyde sonradan işleme ile neredeyse-net-şekli oluşturmayı mümkün kılar. Ancak kalıp maliyetleri oldukça yüksektir ve çevrim süreleri uzundur.
Halka haddeleme, ekstrüzyon ve döner dövme yöntemlerinin her biri, geleneksel metal işleme prensiplerini titanyumun spesifik özelliklerine uyarlar. Kalıp malzemeleri yüksek sıcaklıklarda titanyumun kimyasal ilgisine direnmeli, nikel-bazlı alaşımlar ve seramikler takım çeliğinin yetersiz olduğu yerlerde uygulama alanı bulmalıdır.
Termomekanik işlem dizileri, kontrollü deformasyonu ısıl işlemle birleştirerek özel mikro yapılar elde eder. Alfa-beta alaşımları için, bu genellikle döküm yapısını kırmak için yüksek-sıcaklıkta çalışmayı, ardından alfa morfolojisini iyileştirmek için daha düşük-sıcaklıkta çalışmayı ve tavlama veya çözelti işlemi ve yaşlandırmayla sonuçlandırmayı içerir.
9. Kalite Kontrol ve Muayene
Titanyum alaşımlı bileşenlerin-süreç içi denetimi, yüzey bütünlüğünün doğrulanmasını vurgular. Görsel inceleme, termal işlem sırasında atmosferik kirlenmeyi gösteren renk bozulmasını tanımlar. Boya penetrant muayenesi, işleme, taşlama veya ısıl işlemden kaynaklanan yüzey-kırılma kusurlarını tespit eder. Ultrasonik muayene, düz-alt delik standartlarına referans verilen kabul kriterleriyle iç sağlamlığı doğrular.
Mikro-sertlik testi, çoğu spesifikasyon için yüzey sertliğinin çekirdek sertliğinin yüzde 110'unu aşmadığı, alfa kabuğunun tamamen kaldırıldığını doğrular. Metalografik inceleme, mikro yapı tipini, tane boyutunu ve beta benekler veya sürekli tane sınırı alfa gibi kusurların olmadığını doğrular.
Mekanik testler, oda sıcaklığında ve yüksek sıcaklıklarda çekme testini, kritik uygulamalar için kırılma tokluğu testini ve tasarım gereksinimlerinin gerektirdiği durumlarda yorulma testini içerir. Çentik etkilerini önlemek için tüm testlerde temsili konumlardan uygun yüzey hazırlığıyla işlenmiş numuneler kullanılmalıdır.
Kimyasal analiz, özellikle oksijen, nitrojen ve hidrojen sınırlarının sıkı olduğu ELI sınıfları için ara elemanların spesifikasyon dahilinde kaldığını doğrular. Hidrojen analizi özellikle kritiktir çünkü bu element, işlem sırasında atmosferik veya soğutma sıvısı kirliliği nedeniyle artabilir.
10. Güvenlik ve Çevresel Hususlar
Titanyum işleme, özel kontroller gerektiren çeşitli güvenlik tehlikeleri oluşturur. İnce titanyum parçacıkları, özellikle 500 mikrometrenin altındakiler piroforiktir ve kıvılcım, statik elektrik veya mekanik darbe nedeniyle tutuşabilir. Eklemeli imalat operasyonlarından kaynaklanan öğütme tozu, işleme talaşları ve tozlar, statik birikimi önlemek için inert atmosfer sistemlerinde veya iletken hortumlar kullanan özel vakum ekipmanlarıyla toplanmalıdır. Yangın söndürme, D Sınıfı kuru toz, kuru kum veya argon taşmasını gerektirir; su, karbondioksit veya halon söndürücüler titanyum yangınlarını yoğunlaştırabilir.
Sünger üretiminde kullanılan titanyum tetraklorür ve diğer klorür bileşikleri, solunumla ilgili tehlikeler teşkil etmektedir; ancak bunlar, bileşen imalatçılarından çok birincil üreticiler için öncelikli endişe kaynağıdır. İşleme soğutucuları, hidrojen sülfit veya diğer toksik bileşikler oluşturabilecek bakteriyel bozunmanın izlenmesini gerektirir.
Çevre düzenlemeleri, deşarj öncesinde nötrleştirme ve florür çökeltme gerektiren hidroflorik asit içeren kullanılmış dekapaj çözeltilerinin bertarafını düzenler. Vakumlu ark yeniden eritme işlemi yoluyla talaş geri dönüşümü, değerli titanyumu geri kazandırırken çevresel etkiyi de azaltır; ancak talaşların alaşım kalitesine göre ayrılması ve kesme sıvılarından temizlenmesi gerekir.
