Ti6Al4V alaşımının silisyumlanması ve silisit kinetiklerinin incelenmesi

Abstract

Günümüz havacılık, uzay, biyomedikal ve otomotiv sanayinde yaygın kullanım olarak çelik, alüminyum, titanyum alaşımları ön plana çıkmaktadır. Rekabetçi endüstri koşulları sebebiyle mühendislik uygulamalarında gerekli olan düşük özgül ağırlık ve yüksek mukavemet gereksinimlerini sağlayabilecek alaşımlar tercih edilmekte ve yöntemler kullanılarak bu alaşımların özellikleri geliştirilmektedir. Özellikle havacılık ve uzay sanayinde kullanımı yaygın olan malzemeler arasında kendisine en fazla yer bulan titanyum alaşımının, Ti6Al4V alaşımı olduğu görülmektedir. Sergilediği düşük özgül ağırlık, yüksek mukavemet ve yüksek oksidasyon direnci özellikleri sayesinde hava aracı gövdeleri, uçaklarda iniş takımları ve gaz türbinli motorların hava emme sistemlerinde kullanımı hızla artış göstermektedir. Yüksek sıcaklık koşullarında, yüksek sıcaklık oksidasyonuna sebebiyet vermesi sebebiyle, maksimum sıcaklık dayanımı 550°C olan Ti6Al4V gibi titanyum alaşımlarının performanslar sınırlı kalmaktadır. Farklı bileşimlere sahip titanyum alaşımlarına ısıl işlem, kaplama, plastik şekillendirme gibi yöntemler uygulanarak servis koşullarında istenilen özelliklerin elde edilebildiği görülmüştür. Mevcut tez çalışmasında, Ti6Al4V alaşımının yüksek sıcaklık servis koşullarında, yüksek sıcaklık oksidasyon direncini arttırmak amacıyla yüzey özelliklerini iyileştirecek şekilde silisyumlama işlemi gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmalarda, sırasıyla 2, 4, 6 ve 10 saatlik işlem sürelerinde ve 1000°C, 1100°C, 1200 °C işlem sıcaklıklarında Ti6Al4V alaşımları, kutu silisyumlama yöntemi kullanılarak silisyumlanmıştır. Silisyumlama işlemi sonrasında yüzeyde oluşan intermetalik titanyum silisit tabakaların morfolojileri SEM ve optik mikroskop yardımıyla incelenmiş, EDS cihazı kullanarak elementel analiz, XRD cihazı kullanılarak da faz analizleri gerçekleştirilmiştir. Oluşan titanyum silisit intermetalik kaplamanın en dış yüzeyinden altlık matrisine kadar mikrosertlik tarama testi gerçekleştirilerek genel mekanik özellikler tayin edilmiştir. Kaplama sonrasında elde edilen kaplama kalınlıkları, sıcaklık ve süreler göz önünde bulundurularak, titanyum silisit kaplamasına ait oluşum kinetiğinin hesaplamaları yapılmıştır. DTA ve TGA termal analizleri yapılarak kaplamanın oksidasyon ve termal dayanım özellikleri tespit edilmiştir. Mevcut tezde silisyumlama işlemi sonrasında elde edilen tabakalara ait morfolojilerin uniform olduğu ve Ti5Si3, TiSi, TiSi2 gibi fazları içeren çoklu tabaka yapısına sahip olduğu tespit edilmiştir. Sıcaklık ve süre artışına bağlı olarak mekanik özelliklerin iyileştiği ve sertliğin arttığı gözlemlenmiştir. Silisyumlama kinetiği çalışmaları sonunda kaplama büyümesinin difüzyon kaplamalar için karakteristik olan parabolik büyüme şeklinde olduğu tespit edilmiştir. Normal koşullarda 550°C'ye kadar bozunma göstermeyen Ti6Al4V alaşımı yapılan silisyumlama işlemi sonucunda 850°C'ye kadar bozunmadan karakteristiğini korumuştur. Anahtar Kelimeler: Ti6Al4V, Kutu Silisyumlama, Difüzyon Kinetiği, Yüzey Sertliği

In today's aerospace, biomedical and automotive industries; steel, aluminum and titanium alloys are widely used. Due to competitive industry conditions, alloys that can provide the low specific density and high strength requirements which are required in engineering applications are preferred and the properties of these alloys are improved by using various methods. It is known that Ti6Al4V alloy is the most common titanium alloy among the materials widely used in the aerospace industry. Through their low specific density, high strength and high oxidation resistance properties, their usage in aircraft frames, aircraft landing gear and air intake systems of gas turbine engines are increasing rapidly. Under high temperature conditions, the performance of titanium alloys such as Ti6Al4V, which has a maximum temperature resistance of 550°C, is limited due to its high temperature oxidation behavior. It has been observed that the desired properties of titanium alloys, under various service conditions can be obtained by applying methods such as heat treatment, coating. In the present thesis, a siliconization process was carried out to improve the surface properties of Ti6Al4V alloy in order to increase its high temperature oxidation resistance under high temperature service conditions. In the experimental studies, Ti6Al4V alloys were siliconized using the pack siliconizing method at process times of 2, 4, 6 and 10 hours and process temperatures of 1000°C, 1100°C, 1200°C, respectively. The morphologies of the intermetallic titanium silicide layers formed on the surface after the siliconizing process, were examined with the help of SEM and optical microscope devices. For elemental analysis, EDS devices and for phase analysis XRD devices are used. A microhardness scan test was performed from the surface of the titanium silicide intermetallic coating to the substrate matrix to determine the general mechanical properties. Considering the coating thicknesses, temperatures and times after coating process; the formation kinetics of the titanium silicide coating were calculated. DTA and TGA thermal analyses were performed to determine the oxidation and thermal resistance properties of the titanium silicides coating. In the present thesis, it was determined that the morphologies of the layers obtained after the siliconization process were uniform and had a multilayer structure containing phases such as Ti5Si3, TiSi, TiSi2. It was observed that mechanical properties improved and hardness increased with increasing temperature and time. At the end of the siliconization kinetics studies, it was determined that the coating growth was in the type of parabolic growth, which is characteristic for diffusion coatings. It was determined that Ti6Al4V alloy, which does not degrade up to 550°C under normal conditions, maintained its characteristics without degradation up to 850°C as a result of the siliconization process. Key Words: Ti6Al4V, Pack Siliconization, Diffusion Kinetics, Surface Hardness