Titanyum ve titanyum alaşımlarının yeni süreçleri, teknolojileri ve uygulamaları

1. Yüksek mukavemet. Titanyum alaşımları, 686 - 1176 MPa'lık bir çekme mukavemeti ile çok yüksek bir mukavemete sahipken yoğunlukları çeliğin yoğunluğunun yalnızca %60'ı kadardır, dolayısıyla spesifik mukavemetleri çok yüksektir.

2. Yüksek sertlik. Titanyum alaşımlarının sertliği (tavlanmış durum) HRC'dir 32 - 38.

3. Düşük elastik modül. Titanyum alaşımlarının (tavlanmış durum) elastik modülü 1.078×10-1.176×10 MPa olup, çelik ve paslanmaz çeliğin yaklaşık yarısı kadardır.

4. Mükemmel yüksek ve düşük sıcaklık performansı. Yüksek sıcaklıklarda titanyum alaşımları hala iyi mekanik özellikleri koruyabilir ve ısı dirençleri geniş bir çalışma sıcaklığı aralığına sahip alüminyum alaşımlarından çok daha yüksektir. Şu anda, yeni ısıya-dirençli titanyum alaşımlarının çalışma sıcaklığı 550 - 600 dereceye ulaşabilir; düşük sıcaklıklarda titanyum alaşımlarının mukavemeti oda sıcaklığı yerine artar ve iyi tokluğa sahiptirler. Düşük-sıcaklıktaki titanyum alaşımları -253 derecede hala iyi tokluğu koruyabilir.

5. Titanyumun güçlü korozyon direnci. Havada 550 derecenin altındaki sıcaklıklarda titanyum, yüzeyinde hızlı bir şekilde ince ve yoğun bir titanyum oksit filmi oluşturur, bu nedenle atmosferde, deniz suyunda, nitrik asitte, sülfürik asitte ve diğer oksitleyici ortamlarda ve güçlü alkalide korozyon direnci çoğu paslanmaz çeliğinkinden daha iyidir.

2.1 Titanyum Hazırlama Yöntemleri
Titanyum doğada nispeten bol miktarda bulunmasına rağmen dağınık halde bulunması ve çıkarılmasının zor olması nedeniyle nadir bir metaldir. Şu anda titanyumun hazırlanması iki ana kategoriye ayrılabilir: termal indirgeme yöntemi ve erimiş tuz elektroliz yöntemi.

(1) Titanyum hazırlamak için termal indirgeme yöntemi: Termal indirgeme yöntemi, Li, Na, Mg, Ca ve bunların hidritleri gibi güçlü indirgeme maddeleri kullanılarak titanyumun belirli bir sıcaklıkta TiCl4, TiO2 ve K2TiF6 gibi bileşiklerinden indirgenmesini içerir. Farklı titanyum bileşiklerine göre titanyum hazırlamak için termal indirgeme yöntemi üç kategoriye ayrılabilir:

① Kroll işlemi, Hunter işlemi, Armstrong işlemi ve EMR işlemi gibi titanyum klorürlerin oksidasyon-indirgeme yöntemi;

② OS işlemi, PRP işlemi ve MHR işlemi gibi titanyum oksitlerin oksidasyon-indirgeme yöntemi;

③Titanatların oksidasyon-indirgeme yöntemi. Şu anda endüstriyel üretimde sadece Kroll prosesi ve Hunter prosesi başarıyla uygulanmaktadır. Kroll işleminde titanyumu klorürlerden çıkarmak için metalik magnezyum kullanılırken Hunter işleminde bunu yapmak için metalik sodyum kullanılır. Ek olarak, Chicago, ABD'de bulunan International Titanium Powder Company tarafından geliştirilen Armstrong prosesi Hunter prosesine benzer ve ayrıca metalik titanyumu saflaştırmak için indirgeyici ajan olarak sodyum kullanır. Amerika Birleşik Devletleri bu yöntemi kullanarak fabrikalarda ön-üretim yapmaya başladı.

(2) Titanyum hazırlamak için erimiş tuz elektroliz yöntemi: 1959'da Kroll, erimiş tuz elektrolizinin 5 ila 10 yıl içinde titanyum üretiminde ana yöntem olarak Kroll işleminin yerini alacağını öngördü. Yıllar geçtikçe yerli ve yabancı araştırma kurumları ve laboratuvarlar, erimiş tuz elektrolizi yoluyla titanyum hazırlamak için bir düzineden fazla yeni teknoloji geliştirdi. Bunlar hammaddelere göre üç kategoriye ayrılabilir:

① Titanatların elektrolizi;

② Titanyum klorürlerin elektrolizi;

③ FFC Cambridge işlemi, MER işlemi, USTB işlemi, QIT işlemi, SOM işlemi ve iyonik sıvı elektrolizi dahil olmak üzere titanyum oksitlerin elektrolizi.

2.2 Titanyumun Yeni Kullanımları
1940'lı yıllardan bu yana titanyumun kullanım alanları hızla gelişmiş ve uçaklarda, roketlerde, füzelerde, yapay uydularda, uzay gemilerinde, gemilerde, askeri sanayide, tıp alanında ve petrokimya endüstrisinde yaygın olarak uygulanmaktadır. Son araştırmalar, insan vücudunun belirli miktarda titanyum içerdiğini ve titanyumun fagositleri uyarabildiğini ve bağışıklık fonksiyonunu geliştirebildiğini buldu. Bu nedenle birçok laboratuvar biyo-titanyumun geliştirilmesi ve uygulanmasına adanmıştır.

3.1 Titanyum alaşımlarının hazırlama yöntemleri

Titanyum alaşımlarının geleneksel işlenmesinde genellikle eritme ve döküm teknikleri kullanılır. En son işleme teknolojileri aşağıdaki şekilde sınıflandırılır:

(1) Yakın-net-şekil oluşturma teknolojisi;

(2) Tel sürtünme kaynak teknolojisi;

(3) Süperplastik şekillendirme teknolojisi;

(4) Malzeme hazırlama ve işleme için bilgisayar simülasyon teknolojisi. Yakın-net-şekil oluşturma teknolojisi, lazer şekillendirme, hassas döküm, hassas kalıpta dövme, toz metalurjisi ve sprey şekillendirme vb. içerir. Toz metalurjisi, ham madde olarak titanyum tozu veya titanyum alaşımı tozu kullanılarak titanyum bileşenlerinin üretilmesine yönelik yeni bir işlemdir, ardından şekillendirme ve sinterleme yapılır. İlk olarak, hammaddelerin yoğun darbeye, öğütme ve karıştırmaya tabi tutulması için bir bilyeli değirmen kullanılarak genellikle mekanik alaşımlama yoluyla toz üretilir. Daha sonra, oluşturulan alaşım tozu iki presleme yöntemiyle şekillendirilir: izostatik presleme ve soğuk presleme. Bu adımın amacı, belirli bir yoğunluk ve mukavemete sahip, belirli bir şekil ve boyutta preslenmiş bir iş parçası elde etmektir. Daha sonra, oluşturulan işlenmemiş parça, üst ve alt kalıp zımbaları ve elektrikli elektrotlar yoluyla sinterleme tozuna spesifik sinterleme gücünün ve presleme basıncının uygulandığı kıvılcım plazma sinterlemesine tabi tutulur. İşlem, yüksek{10}}performanslı titanyum malzemeleri elde etmek için boşaltma aktivasyonu, sıcak plastik deformasyon ve soğutma yoluyla tamamlanır. Daha sonra, plazma sinterlemesinden sonra titanyum alaşımı, genellikle ısıl işlem veya plastik işleme olmak üzere ileri işlemlere tabi tutulur.

3.2 Titanyum alaşımlarının yeni uygulamaları

Titanyum alaşımları başlangıçta havacılık alanında, özellikle uçak motorları veya pnömatik bileşenlerin üretiminde yaygın olarak kullanıldı. Daha sonra teknolojinin sürekli gelişmesiyle birlikte titanyum alaşımları sıradan insanların hayatına girmiş, fabrikalarda veya ev aletlerinde bulunabilmektedir. Günümüzde ülkeler ve kurumlar düşük maliyetli ve yüksek performanslı yeni titanyum alaşımları geliştirmek için yarışıyor. Titanyum alaşımlarındaki son gelişmeler temel olarak aşağıdaki beş hususa odaklanmaktadır.

(1) Tıbbi titanyum alaşımları

Titanyum alaşımları düşük yoğunluğa ve iyi biyouyumluluğa sahiptir, bu da onları insan vücuduna bile implante edilebilecek ideal tıbbi malzemeler haline getirir. Daha önce tıp alanında kullanılan titanyum alaşımları insan vücuduna zarar verebilecek vanadyum ve alüminyum içeriyordu. Ancak son zamanlarda Japon bilim adamları iyi biyouyumluluğa sahip yeni bir tür titanyum alaşımı geliştirdiler. Bu alaşımın henüz seri üretimi yapılmamış olsa da-yakın gelecekte bu tür yüksek-kaliteli alaşımların günlük hayatta yaygın olarak kullanılacağına inanılıyor.

(2) Alev-geciktirici titanyum alaşımları

Belirli basınç, sıcaklık ve hava akış hızları altında yanmaya direnç gösterebilen titanyum-bazlı alaşımlar, alevi-geciktiren titanyum alaşımlarıdır. Amerika Birleşik Devletleri, Rusya ve Çin başarılı bir şekilde yeni alevi-geciktiren titanyum alaşımları geliştirdi. Amerika Birleşik Devletleri bu alev geciktirici titanyum alaşımlarını motorlara uyguladı çünkü yanmaya duyarlı değillerdi ve bu da motorun stabilitesini önemli ölçüde artırabilir.

(3) Yüksek-mukavemetli ve yüksek-tokluklu -tip titanyum alaşımları

-tipi titanyum alaşımları yüksek dayanıma, iyi kaynaklanabilirliğe ve mükemmel soğuk ve sıcak işlenme özelliklerine sahiptir. Araştırmacılar bu özelliği, farklı özelliklere sahip -tipi titanyum alaşımları geliştirmek için kullandılar: iyi sıcak çalışma performansı, iyi plastiklik ve iyi kaynaklanabilirlik. Ayrıca çözelti muamelesi ve yaşlandırma sonrasında mekanik özellikleri önemli ölçüde iyileşir. Şu anda hem Japonya hem de Rusya bu tür titanyum alaşımlarını geliştirdi.

(4) Titanyum-alüminyum bileşikleri

Genel titanyum alaşımlarıyla karşılaştırıldığında, titanyum-alüminyum bileşikleri mükemmel yüksek-sıcaklık performansına, iyi oksidasyon ve sürünme direncine ve genel titanyum alaşımlarından daha düşük yoğunluğa sahiptir. Bu olağanüstü özellikler, titanyum-alüminyum bileşiklerinin yeni bir alaşım trendini tetikleyeceğini gösteriyor. Şu anda ABD bu yeni titanyum-alüminyum bileşiği alaşımını sentezledi ve seri üretim sürecinde.

(5) Yüksek-sıcaklık titanyum alaşımları

Hızlı katılaştırma yöntemleri ile toz metalurjisinin birleştirilmesiyle, fiber veya parçacık-güçlendirilmiş kompozitler kullanılarak hazırlanan titanyum alaşımları, mükemmel yüksek-sıcaklık mekanik özelliklerine sahiptir. Yüksek-sıcaklıktaki titanyum alaşımlarının servis sıcaklığı sınırı, sıradan titanyum alaşımlarından çok daha yüksektir. Şu anda Amerika Birleşik Devletleri yeni yüksek-sıcaklık titanyum alaşımları geliştirmektedir. (6) Titanyum-nikel alaşımı, titanyum ve nikelden oluşan bir alaşım, "hafızalı alaşım" olarak bilinir. Bu alaşım önceden belirlenmiş bir şekle getirilip{10}}bir şekillendirme işlemine tabi tutulduğunda, dış kuvvet tarafından deforme edilirse, yalnızca hafif bir ısıtmayla orijinal görünümüne geri dönebilir. Bu alaşım aletler, sayaçlar, elektronik cihazlar vb. gibi çeşitli alanlarda kullanılabilir.