Havacılıkta Titanyum Alaşımları

Hava taşımacılığı, hava kargo lojistiği ya da uçakla seyahat etme şeklinde olmak üzere günlük yaşamımızın ayrılmaz bir parçası haline gelmiştir. Gökyüzüne baktığımızda ve üzerimizden geçen uçakları izlediğimizde doğal olarak şu soru aklımıza gelir: bu kadar büyük yükleri taşıyabilen ve yüksek irtifalarda çalışabilen uçaklar hangi malzemelerden üretilmektedir?
Bu dikkat çekici yeteneğin ardındaki malzemeleri inceleyelim.

Titanyuma Genel Bakış

1948 yılında DuPont, magnezyum indirgeme yöntemiyle sünger titanyumun endüstriyel üretimini başarıyla gerçekleştirdi; bu da titanyum malzemelerinin tarihinde önemli bir dönüm noktası oldu. O zamandan beri titanyum alaşımları, üstün fiziksel özelliklerinden dolayı çeşitli sektörlerde yaygın olarak kullanılmaktadır; bunlar arasında yüksek özgül mukavemet, mükemmel korozyon direnci ve üstün ısı dayanımı .

Dikkat çekicidir. Ayrıca titanyum, yer kabuğunda bol bulunan bir elementtir ve toplam bolluk sıralamasında dokuzuncu sırada yer alır , bakır, çinko ve kalay gibi yaygın olarak kullanılan metallerin bolluğundan çok daha fazladır. Titanyum, özellikle kum ve kil gibi birçok farklı kayada yaygın olarak bulunur; rezervleri özellikle bu ortamlarda oldukça yüksektir.

Titanyumun Özellikleri

Titanyum, aşağıdaki gibi çeşitli olağanüstü özelliklere sahiptir: yüksek mukavemet, yüksek termal mukavemet, mükemmel korozyon direnci, üstün düşük sıcaklık performansı ve güçlü kimyasal aktivite .

Özellikle titanyumun dayanımı, alüminyum alaşımlarının, magnezyum alaşımlarının ve paslanmaz çeliklerin dayanımını çok aşar; bu nedenle titanyum, en üstün yapısal metallerden biridir. Titanyum alaşımları aynı zamanda yüksek sıcaklıklarda da olağanüstü performans gösterir; çalışma sıcaklıkları alüminyum alaşımlarının çalışma sıcaklıklarından önemli ölçüde daha yüksektir ve uzun süreli performanslarını 450–500°C .

De koruyabilir. Ayrıca titanyum, asitlere, alkali maddelere ve atmosferik korozyona karşı mükemmel direnç gösterir; özellikle delinme korozyonuna ve gerilme korozyon çatlamasına karşı güçlü bir dirence sahiptir. Düşük sıcaklıklarda, örneğin TA7 titanyum alaşımları –253°C .

Sıcaklıkta bile iyi süneklik ve mekanik özelliklerini korur. Ancak titanyum, yüksek sıcaklıklarda yüksek kimyasal reaktiviteye sahiptir ve havadaki hidrojen ve oksijen gibi gazlarla kolayca tepkimeye girerek sertleşmiş yüzey tabakaları oluşturabilir. Ayrıca titanyum alaşımlarının termal iletkenliği göreceli olarak düşüktür—yaklaşık nikelin dörtte biri, demirin beşte biri ve alüminyumun ondörtte biri —ancak elastik modülleri yaklaşık olarak çeliğin yarısı kadardır . Bu özellikler, titanyumu birçok ileri mühendislik uygulamasında vazgeçilmez kılar.

Titanyum Alaşımlarının Sınıflandırılması ve Uygulamaları

Titanyum alaşımları, uygulama alanlarına göre şu şekilde sınıflandırılabilir: ısıya dayanıklı alaşımlar, yüksek mukavemetli alaşımlar, korozyona dayanıklı alaşımlar (örneğin Ti-Mo ve Ti-Pd alaşımları), düşük sıcaklık alaşımları , ve özel fonksiyonel alaşımlar titan–demir hidrojen depolama malzemeleri ve titan–nikel şekil bellek alaşımları da dahil olmak üzere.

Titan alaşımlarının uygulama geçmişi nispeten kısa olsa da, üstün performansları sayesinde birçok ödül kazanmışlardır; bunlardan biri de “uzay metali” unvanıdır. Bu isimlendirme, hafiflikleri, yüksek mukavemetleri ve mükemmel yüksek sıcaklık dirençleri kaynaklanmaktadır; bu özellikler onları uçaklar ve uzay araçları için ideal malzemeler haline getirmektedir.

Şu anda yaklaşık küresel titanyum ve titanyum alaşımı üretiminin dörtte üçü havacılık ve uzay sektöründe kullanılmaktadır , ve daha önce alüminyum alaşımlarıyla üretilen birçok bileşen artık titanyum alaşımlarıyla değiştirilmektedir.

Havacılık Uygulamaları

Titan alaşımları, uçak ve motor üretiminde kritik malzemelerdir. Bunlar dövme fan bileşenleri, kompresör diskleri ve kanatçıkları, motor muhafazaları, egzoz sistemleri , ayrıca yapısal bileşenler gibi çerçeveler ve bölme duvarları .

Uzay uygulamalarında, titanyum alaşımlarının yüksek özçekme dayanımı, korozyon direnci ve düşük sıcaklık performansı, bunları basınç kapları, yakıt tankları, bağlantı elemanları, ölçü aleti bağlama kayışları, yapısal çerçeveler ve roket gövdesi kaplamaları için ideal hale getirir. Titanyum alaşımı sac kaynak birleşimleri yapay uydu, ay modülleri, mürettebatlı uzay araçları ve uzay mekiği .

1950 yılında Amerika Birleşik Devletleri, titanyum alaşımlarını ilk kez F-84 savaş bombardıman uçağı üzerinde, arka gövde ısı kalkanları, hava kanalları ve kuyruk kaplamaları gibi yük taşımayan bileşenlerde kullandı. 1960'lardan itibaren titanyum alaşımları, arka gövdeden orta gövdeye doğru yayıldı ve yapısal çeliğin bir kısmını bölme duvarları, kirişler ve flap rayları .

1970'lerde, Boeing 747 gibi sivil uçakların seri üretimiyle birlikte Boeing 747 titan kullanımında büyük ölçüde artış yaşandı. Sadece Boeing 747’de kullanılan titan miktarı 3.640 kg’ı aşmaktaydı , bu da uçağın yapısal ağırlığının yaklaşık %%28’sini oluşturuyordu . Titan alaşımları ayrıca roketlerde, uydu ve uzay araçlarında da yaygın olarak kullanılmaya başlandı.

Titan Alaşımlarının İşleme Özellikleri

Öncelikle titan alaşımlarının nispeten düşük bir ısı iletkenliği vardır—bu değer, çeliğin yaklaşık dörtte biri, alüminyumun on üçte biri ve bakırın yirmi beşte biridir i̇şleme sırasında ısı dağılımı ve soğutma dolayısıyla verimsizdir ve bu durum kesme bölgesine yoğunlaşan yüksek sıcaklıklara neden olur. Bu, iş parçasının deformasyonuna ve elastik geri dönüşüne, kesme torkunun artmasına, kesici uç aşınmasının hızlanmasına ve kesici ömrünün önemli ölçüde azalmasına yol açabilir.

İkinci olarak, kesme ısısı kesici kenarın yakınında yoğunlaştığı ve hızlıca dağılamadığı için, talaş yüzeyindeki sürtünme artar; bu da talaş atımını zorlaştırır ve kesici aşınmasını daha da hızlandırır.

Son olarak, yüksek sıcaklıklarda titanyum alaşımlarının kimyasal aktivitesi önemli ölçüde artar. Bunlar, kesici malzemeleriyle tepkimeye girme eğilimindedir; bu durum yapışma, difüzyon ve biriken kenar oluşumuna neden olur. Bu olaylar, kesicinin yapışmasına, yanmasına veya kırılmasına yol açabilir ve işlemenin kalitesini ile verimliliğini ciddi şekilde etkiler.

İşleme Merkezlerinin Avantajları

İşleme merkezleri, birden fazla bileşeni aynı anda işleyebilir; bu da üretim verimliliğini önemli ölçüde artırır. Yüksek hassasiyetleri, mükemmel ürün tutarlılığını sağlar ve takım telafisi fonksiyonlarıyla tezgâhın doğasından gelen doğruluğu tam olarak değerlendirilebilir.

İşleme merkezleri ayrıca güçlü uyarlama yeteneği ve esnekliğe sahiptir; yay işlevi, pah kırma ve köşe yuvarlaması geçişleri gibi işlemler kolayca gerçekleştirilebilir. Daha etkileyici olan ise tek bir makinede çok işlevli operasyonları desteklemesidir; frezeleme, delme, büyütme (boring) ve diş açma işlemleri hepsi aynı makinede yapılabilir.

Maliyet kontrolü açısından bakıldığında, işleme merkezleri doğru maliyet muhasebesi ve üretim planlamasına imkân tanır, özel sabitleme aparatlarına (fikstürlerine) ihtiyaç duymaz, toplam maliyetleri azaltır ve üretim sürelerini kısaltır. Ayrıca iş gücü yoğunluğunu büyük ölçüde azaltır ve UG (NX) çok eksenli işlemenin gerçekleştirilmesi.

Kesici Takımların ve Soğutma Sıvılarının Seçimi

Titanyum alaşımlarının işlenmesinde uygun kesici takımların ve soğutma sıvılarının seçilmesi kritik öneme sahiptir. Takım malzemeleri, yüksek Sertlik ve Masrafta Dayanım verimli malzeme kaldırılmasını sağlamak için gerekli özelliklere sahip olmalıdır. Soğutma sıvısının seçimi, işleme kalitesini ve verimliliğini doğrudan etkiler; doğru soğutma sıvıları sürtünmeyi ve kesme ısısını azaltarak takım ömrünü uzatır ve işleme doğruluğunu artırır.

1. Takım Malzemesi Gereksinimleri

• Takım sertliği, etkili kesme işlemi için titanyum alaşımlarının sertliğinden önemli ölçüde yüksek olmalıdır.
• Takımlar, yüksek tork ve kesme kuvvetlerine dayanabilmesi için yeterli mukavemet ve tokluğa sahip olmalıdır.
• Titanyum alaşımlarının yüksek tokluğu göz önünde bulundurularak kesme kenarlarının keskin kalması gerekmektedir; bu nedenle takımın aşınmaya karşı üstün direnç göstermesi, işlenecek malzemenin yüzey sertleşmesini (work hardening) en aza indirmek için zorunludur.

2. Freze Ucunun Geometrisi Seçimi

Titanyum alaşımlarının benzersiz işleme özellikleri nedeniyle freze ucunun geometrisi, geleneksel takımlardan önemli ölçüde farklıdır.
A daha küçük vida açısı (β) kanal hacmini artırmak, talaş tahliyesini iyileştirmek ve ısı dağıtımını geliştirmek için önerilir.

3. Kesme Parametresi Seçimi

Titanyum alaşımlarının işlenmesinde daha düşük kesme hızları uygun ilerleme hızları ile birlikte, makul kesme derinlikleri ve kontrol edilen bitirme paylarıyla kullanılmalıdır.

4. Soğutma Sıvısı Seçimi ve Uygulaması

Toksik maddelerin oluşumunu ve hidrojen süneklik kaybını önlemek, ayrıca yüksek sıcaklıklarda gerilme korozyon çatlaması riskini azaltmak amacıyla klor içeren soğutma sıvılarından kaçınılmalıdır.
Kullanılması önerilir: sentetik su bazlı emülsiyonlar veya titanyum alaşımı işlenmesi için özel olarak formüle edilmiş soğutucular.