Ti6Al4V Titanyum Alaşımının Isıl İşlemi

Bildiğimiz gibi, Titanyum son derece aktif bir metaldir ve hidrojen, oksijen ve karbon tarafından kolayca kirlenir, bu maddelerden herhangi biri titanyum alaşımını etkileyebilir, bu nedenle öğeyi malzeme, ekipman, süreç, test ve bakım vb. Titanyum alaşımlarının ısıl işlem süreci sıkı kontrol altında yapılmalıdır, argon korumalı bir vakum fırını kullanmanın yanı sıra, titanyum alaşımları oksitleyici bir atmosferde ısıtılmalıdır. Bu işlem hassas kontroller içerir ve iş parçasının yüzeyindeki oksit tabakasının çıkarılması gerekir. Makul alaşımlama ve ısıl işlem, titanyum alaşımlarının özelliklerini etkili bir şekilde geliştirebilir. Grade5 titanyum alaşımı için birçok ısıl işlem yöntemi vardır, tavlama, su verme yaşlandırma ve kimyasal ısıl işlem yaygın olarak kullanılır.

Tavlama, saf titanyum ve α titanyum alaşımı için tek ısıl işlem yöntemidir. Tavlama, gerilimi ortadan kaldırmak ve alaşım plastisitesini ve kararlı mikro yapıyı iyileştirmek için her türlü titanyum alaşımı için uygundur. Tavlama işlemi çeşitli titanyum alaşımları için kullanılır. Tavlamanın amacı malzemenin plastisitesini artırmak ve yapısını stabilize etmektir. İşlem üç şekilde gerçekleştirilebilir: gerilim giderme tavlaması, yeniden kristalleşme tavlaması ve çift tavlama.

Tavlama hava fırınında yapılır veya parçaların yüzey kontaminasyonu için bir gereklilik varsa inert gaz fırınında veya vakum fırınında tavlama yapılır. İzotermal tavlama sırasında, çok yavaş soğutma hızı nedeniyle çok büyük mikroyapıdan kaçınmak için parçanın boyutu çok büyükse bir dönüştürücü veya hava soğutma kullanılmalıdır. Çift tavlama sırasında, ilk ısıtmadan sonra hava soğutması, titanyum parçalar dağınık soğutulmalı, çok yavaş soğutma hızının performansı etkilemesini önlemek için gerekirse zorlamalı hava soğutması yapılmalıdır.

5. Sınıf Titanyumun Tavlanması

Sınıf	Titanyum levha/şerit			Titanyum çubuk/teller
	Sıcaklık	Zaman/dakika	Soğutma	Sıcaklık	Zaman	Soğutma
5. Sınıf	700℃-870℃	15-60	Hava soğutma	700℃-800℃	60-120	Hava soğutma

Not: Hava soğutması veya daha yavaş soğutma. Çift tavlama, 1 ~ 2 saat boyunca 15 ~ 30 ℃ altındaki β geçiş sıcaklığı, hava soğutması veya daha hızlı soğutma ve ardından 1 ~ 2 saat boyunca 705-760 ℃, hava soğutması.

Titanyum alaşımının ısıl işleminin kontrol parametreleri arasında çözelti sıcaklığı, çözelti süresi, soğutma modu (su söndürme, yağ söndürme, fırın soğutma) ve yaşlanma sıcaklığı bulunur. Farklı titanyum alaşımları farklı tavlama sıcaklıkları gerektirir. Eğer β tavlama veya β çözelti ısıl işlemi gerekiyorsa, Gr.5 alaşım veya diğer α-β tipi alaşım, parça grubunun β geçiş sıcaklığının (30 ± 15) ℃ üzerinde en az 30 dakika tutulmalı ve daha sonra hava veya inert gazda oda sıcaklığına soğutulmalı, fırın soğutmasına izin verilmemelidir. Su ile söndürme gerekiyorsa, ikinci tavlamadan önce su ile söndürmeden sonra 1 ~ 3 saat boyunca 730 ~ 760 ℃'de tutulmalıdır.

Tavlama, saf titanyum ve α titanyum alaşımı için tek ısıl işlem yöntemidir. Tavlama, gerilimi ortadan kaldırmak ve alaşım plastisitesini ve kararlı mikro yapıyı iyileştirmek için her türlü titanyum alaşımı için uygundur. Tavlama işlemi çeşitli titanyum alaşımları için kullanılır. Tavlamanın amacı malzemenin plastisitesini artırmak ve yapısını stabilize etmektir. İşlem üç şekilde gerçekleştirilebilir: gerilim giderme tavlaması, yeniden kristalleşme tavlaması ve çift tavlama.

Tavlama hava fırınında yapılır veya parçaların yüzey kontaminasyonu için bir gereklilik varsa inert gaz fırınında veya vakum fırınında tavlama yapılır. İzotermal tavlama sırasında, çok yavaş soğutma hızı nedeniyle çok büyük mikroyapıdan kaçınmak için parçanın boyutu çok büyükse bir dönüştürücü veya hava soğutma kullanılmalıdır. Çift tavlama sırasında, ilk ısıtmadan sonra hava soğutması, titanyum parçalar dağınık soğutulmalı, çok yavaş soğutma hızının performansı etkilemesini önlemek için gerekirse zorlamalı hava soğutması yapılmalıdır.

5. Sınıf Titanyumun Tavlanması

Sınıf	Titanyum levha/şerit			Titanyum çubuk/teller
	Sıcaklık	Zaman/dakika	Soğutma	Sıcaklık	Zaman	Soğutma
5. Sınıf	700℃-870℃	15-60	Hava soğutma	700℃-800℃	60-120	Hava soğutma

Not: Hava soğutması veya daha yavaş soğutma. Çift tavlama, 1 ~ 2 saat boyunca 15 ~ 30 ℃ altındaki β geçiş sıcaklığı, hava soğutması veya daha hızlı soğutma ve ardından 1 ~ 2 saat boyunca 705-760 ℃, hava soğutması.

Titanyum alaşımının ısıl işleminin kontrol parametreleri arasında çözelti sıcaklığı, çözelti süresi, soğutma modu (su söndürme, yağ söndürme, fırın soğutma) ve yaşlanma sıcaklığı bulunur. Farklı titanyum alaşımları farklı tavlama sıcaklıkları gerektirir. β tavlama veya β çözelti ısıl işlemi gerekiyorsa, Gr5 alaşımı veya diğer α-β tipi alaşım, parça partisinin β geçiş sıcaklığının (30 ± 15) ℃ üzerinde en az 30 dakika tutulmalı ve daha sonra hava veya inert gazda oda sıcaklığına soğutulmalıdır, fırın soğutmasına izin verilmez. Su ile söndürme gerekiyorsa, ikinci tavlamadan önce su ile söndürmeden sonra 1 ~ 3 saat boyunca 730 ~ 760 ℃'de tutulmalıdır.

Gerilim Giderici Tavlama

Titanyum ısıtma ve yalıtımın gerilim giderme temperlemesi standarda uygun olmalıdır. İzolasyondan sonra, parçalar havada veya inert gazda veya fırın ile soğutulmalıdır. Gerilim giderme tavlamasının ısıtma sıcaklığı, bir çözelti ile muamele edilmiş ve yaşlandırılmış veya çift tavlama uygulanmış titanyum alaşımları için yaşlandırma sıcaklığını veya 2. aşama tavlama sıcaklığını aşmamalıdır.

Gerilim giderme tavlaması için kullanılan sıcaklıklar yeniden kristalleştirmeye göre daha düşüktür ve tavlama süresi genellikle yeniden kristalleştirmeye göre daha kısadır. Bu işlem, imalat sırasında artık gerilmeleri azaltmak için gerçekleştirilir. İşlem, optimum mukavemet, süneklik ve boyutsal kararlılık kombinasyonları üretir. İşleme ve ısıl işlem de dahil olmak üzere sonraki işlemler sırasında istenmeyen artık gerilmeleri azaltmak için kullanılabilir. Çift fazlı titanyum alaşımları için idealdir ve ayrıca gerilme korozyonuna karşı dirençlerini artırabilir. Ancak ısıl işlemden kaçınmak istiyorsanız, bu yöntem sizin için önerilmez.

Bu işlem, alfa fazının kaybolduğu ve mikroyapının kübik benzeri bir yapıya dönüştüğü nokta olan beta transus sıcaklığının (beta geçişi) üzerindeki bir sıcaklıkta gerçekleştirilebilir. Bu yöntem, karmaşık şekillerde şekillendirilmesi gereken titanyum alaşımlı parçaların mekanik özelliklerini iyileştirmek için kullanılır.

Sınıf 5 Titanyumun gerilim giderme tavlaması

Alaşımlar	Sıcaklık	Zaman/dakika
5. Sınıf	480℃ -650℃	60-240

Not: Gerilim giderme tavlaması, sıcak şekillendirme ile eş zamanlı olarak 760 ~ 790 ℃'de tamamlanabilir.

İzotermal Tavlama

İzotermal tavlama en iyi plastikliği ve termal kararlılığı sağlar. Yüksek miktarda b-stabilize element içeren iki fazlı titanyum alaşımları için iyi bir seçimdir. İşlem, alaşımın yeniden kristalleşme sıcaklığının üzerinde ısıtılmasını ve daha düşük sıcaklıktaki bir fırına aktarılmasını gerektirir. Bu işlem sırasında korunan ısı, hava soğutması ile alaşımın yüzeyine aktarılır. Bu işlem, istenen sonucu elde etmek için birkaç kez tekrarlanabilir.

Yeniden Kristalleşme Tavlaması

Yeniden kristalleştirme tavlama işlemi, temel gerilimleri ortadan kaldırmak için belirli bir titanyum alaşımı türü için sıcaklığı ayarlama yöntemidir. Yeniden kristalleştirme tavlamasının amacı, istenen plastisite ve mukavemet özelliklerini elde etmektir. Yeniden kristalleştirme tavlaması için sıcaklık genellikle 450 ila 650 ℃ arasındadır.

Çekme tavlama işlemi sırasında, bir titanyum alaşımının yeniden kristalleşmesi, bir dislokasyon kayması ile eşzamanlı olarak gerçekleşir. Bu, çift akma fenomeni olarak bilinir. 920°C'lik tavlama sıcaklığı mukavemeti artırırken plastisiteyi azaltır. Yeniden kristalleşmeden sonra ikincil bir faz çökelir. Titanyum alaşımlarının nihai mekanik özelliklerinin belirlenmesinde uzun tavlama süresi önemli değildir.

Söndürme yaşlanması, güçlendirme ısıl işlemi olarak da bilinen güçlendirme üretmek için faz dönüşümünü kullanan Ti6Al4V titanyum alaşımının ısıl işlem güçlendirmesinin ana yoludur. Çözelti işleminden sonra, titanyum alaşımlı parçalar hükümlere göre yaşlandırma işlemine tabi tutulmalıdır (aşağıdaki tabloya bakınız). Yaşlandırmadan sonra parçalar havada veya inert gazda veya fırın ile soğutulur.

Gr.5 titanyumun su verme yaşlandırması 

Sınıf	Sıcaklık	Zaman/h
5. Sınıf	480℃ -690℃	2-8

Titanyum alaşımının kimyasal ısıl işlemi esas olarak aşınma direncini, termal stabiliteyi ve yüzey mukavemetini iyileştirmek içindir. Bildiğimiz gibi, titanyum alaşımı büyük bir sürtünme katsayısına ve zayıf aşınma direncine sahiptir (genellikle çelikten yaklaşık 40% daha düşüktür) ve temas yüzeyinin bağlanması kolaydır ve sürtünme korozyonuna neden olur. Titanyum alaşımı oksitleyici ortamda güçlü korozyon direncine sahiptir, ancak indirgeyici ortamda (hidroklorik asit, sülfürik asit, vb.) zayıf korozyon direnci vardır. Bu özellikleri iyileştirmek için elektrokaplama, püskürtme ve kimyasal ısıl işlem, yani nitrürleme, oksijenasyon ve diğer yöntemler kullanılabilir. Nitrürlemeden sonra, nitrürleme yüzeyinin sertliği nitrürlemesiz yüzeye göre 2-4 kat daha yüksektir, bu da alaşımın aşınma direncini açıkça artırabilir ve indirgeyici ortamda korozyon direncini artırabilir. Alaşımın korozyon direnci oksijenasyon ile 7~9 kat artırılabilir, ancak dezavantajı plastisite ve yorulma mukavemetinde bir miktar kayıp olmasıdır.