Titanyum Alaşımlarının Mikroyapı ve Şekillendirilebilirliğine Sıcaklığın Etkileri

Abstract

Titanyum alaşımları sahip oldukları üstün mekanik özellikler sebebiyle havacılık ve medikal endüstrileri başta olmak üzere çok sayıda sektörde kullanılmaktadır. Ancak titanyum malzemelerin üretim maliyetlerinin yüksekliği ve sınırlı şekillendirilebilirlikleri bir dezavantaj olarak kullanım alanlarını sınırlamaktadır. Titanyum alaşımlarının şekillendirilebilirlik kabiliyetlerini artırmak için faz durumuna ve alaşım oranına göre uygun sıcaklık ve süreyle malzemeye ya da şekillendirme kalıbına müdahale etmek gerekebilmektedir. Bu çalışmada; titanyum alaşımlarının şekillendirilebilirlik kabiliyetlerini artırmak için yapılan çalışmalar, kullanılan ekipmanlar ve geliştirilen yöntemler ile sıcaklığın alaşımın mikroyapısına etkileri farklı faz gruplarına göre derlenmiştir.

Anahtar Kelimeler: Titanyum alaşımları, Isıl işlem, Mikroyapı, Şekillendirilebilirlik

Keywords

• Titanyum alaşımları
• ısıl işlem
• Şekillendirilebilirlik

The Effects of Temperature on Microstructure and Formability of Titanium Alloys

Abstract

Titanium alloys are used in many sectors, especially in the aviation and medical industries due to their superior mechanical properties. However, the high production costs and limited formability of titanium materials are a disadvantage limit their usage areas. In order to increase the formability of titanium alloys, it may be necessary to interfere with the material or the forming die at the appropriate temperature and time according to the phase state and alloy ratio. In this study; the studies carried out to increase the formability of titanium alloys have been reviewed in terms of the effects of temperature on the microstructure, the used equipment and the developed methods according to different phase groups.

Keywords: Titanium alloys, Heat treatment, Microstructure, Formability

Keywords

• Titanium alloys
• Heat treatment
• Formability

References

1. [1] S. H. Zahiri, D. Fraser, ve M. Jahedi, ''Recrystallization of Cold Spray-Fabricated CP Titanium Structures,'' Journal Of Thermal Spray Technology, c. 18, s.1, ss. 16-22, 2009.
2. [2] G. Ateş, ''Ti6Al4V Titanyum Alaşımının İç Yapısı ve Yüzey Özellikleri Üzerine Termokimyasal İşlem Parametrelerinin Etkisi,'' Tez (Yüksek Lisans), Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, 2018.
3. [3] L. Urtekin, Ö. Keleş, ''Biyomedikal Uygulamalar İçin Tin Kaplı Ti6Al4V Alaşımının Mekanik Özelliklerinin Araştırılması,'' Savunma Bilimleri Dergisi, c. 18, s.36, ss. 91-108, 2019.
4. [4] P. J. Arrazola, A. Garay, L. M. Iriarte, M. Armendia, S. Marya ve F. Le Maître, ''Machinability of Titanium Alloys (Ti6Al4V and Ti555.3),'' Journal Of Materials Processing Technology, c. 209, s.5, ss. 2223-2230, 2009.
5. [5] R. Santhosh, M. Geetha, V. K. Saxena ve M. Nageswararao, ''Studies on Single and Duplex Aging of Metastable Beta Titanium Alloy Ti–15V–3Cr–3Al–3Sn.,'' Journal Of Alloys And Compounds, c. 605, ss. 222-229, 2014.
6. [6] Y. Yılmaz, B. Avcı ve H. Demirören, ''Biyomalzeme Sektöründe Kullanılan Titanyum ve Alaşımları,'' SETSCI Conference Proceedings, c. 4, s. 6, ss. 357-362, 2019.
7. [7] X. Liu, P. K. Chu ve C. Ding, ''Surface Modification of Titanium, Titanium Alloys, and Related Materials for Biomedical Applications,'' Materials Science and Engineering: R: Reports, c. 47, s.3-4, ss. 49-121, 2004.
8. [8] C. Leyens, M. Peters, ''Titanium and Titanium Alloys: Fundamentals and Applications,'' John Wiley & Sons, 2003.

9. [9] C. Ensarioğlu, M. C. Çakır, ''Titanyum ve Alaşımlarının İşlenebilirlik Etüdü Bölüm I,'' Mühendis ve Makina, c. 46, s. 546, ss. 36-46, 2005.
10. [10] T. Choda, H. Oyama ve S. Murakami, ''Technologies for Process Design of Titanium Alloy Forging for Aircraft Parts,'' Kobelco Technology Review, c. 33, ss. 44-49, 2015.
11. [11] A. İşler, ''Titanyum Alaşımlarının Isıl İşlem ve Mekanik Özellikleri,'' Tez (Yüksek Lisans), İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, 1999.
12. [12] Y. Yılmaz, ''Biyomalzeme Olarak Kullanılan Titanyum Alaşımlarının Mekanik Davranışları ve Korozyon Özellikleri Üzerine Isıl İşlemin Etkilerinin İncelenmesi,'' Tez (Yüksek Lisans), T.C. Fırat Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Metalurji Eğitimi Anabilim Dalı, 2019.
13. [13] R. Gilbert, ''Heat Treating of Titanium and Titanium Alloys, in ASM Handbook: Volume 4: Heat Treating,'' ASM Handbook, ss. 913-923, 1991.
14. [14] J. D. Beal, R. Boyer ve D. Sanders, ''Forming of Titanium and Titanium Alloys, in Asm Handbook, Volume 14b: Metalworking: Sheet Forming,'' Editor S. Semiatin, ASM International. ss. 656-669, 2006.
15. [15] F. Öztürk, S. Toros, E. Esener ve E. Uysal, ''Otomotiv Endüstrisinde Yüksek Mukavemetli Çeliklerin Kullanımının İncelenmesi,'' Mühendis ve Makina, c. 50, s. 596, ss. 44-49, 2009.
16. [16] P. Oyar, ''Titanyum ve Özellikleri.'' Atatürk Üniversitesi Diş Hekimliği Fakültesi Dergisi, c. 25, s. 1, ss. 151-159, 2015.
17. [17] I. Weiss, S. Semiatin, ''Thermomechanical Processing of Alpha Titanium Alloys - an Overview,'' Materials Science and Engineering: A, c. 263, s.2, ss. 243-256, 1999.
18. [18] A. O. Caballero, F. Li, D. E. l. Ojos, M. D. Atkinson ve J. Q. Fonseca, ''On the Ductility of Alpha Titanium: The Effect of Temperature and Deformation Mode,'' Acta Materialia, c. 149, ss. 1-10, 2018.
19. [19] F. Öztürk, R. E. Ece, N. Polat, A. Köksal, Z. Evis, ve J. Y. Sheikh-Ahmad, ''Application of Electric Resistance Heating Method on Titanium Hot Forming at Industrial Scale.'' Arabian Journal for Science and Engineering, c. 41, s.11, ss. 4441-4448, 2016.
20. [20] F. K. Chen, K. H. Chiu, ''Stamping Formability of Pure Titanium Sheets.'' Journal of Materials Processing Technology, c. 170, s.1-2, ss. 181-186, 2005.
21. [21] J. M. Liu, S. S. Chou, ''Study on the Microstructure and Formability of Commercially Pure Titanium in Two-Temperature Deep Drawing.'' Journal of materials processing technology, c. 95, s.1-3, ss. 65-70, 1999.
22. [22] A. L. Port, F. Toussaint ve R. Arrieux, ''Finite Element Study and Sensitive Analysis of the Deep-Drawing Formability of Commercially Pure Titanium,'' International Journal of Material Forming, c. 2, s.2, ss. 121, 2009.
23. [23] C. Leyens, M. Peters, D. Weinem ve W. A. Kaysser, ''Influence of Long-Term Annealing on Tensile Properties and Fracture of Near-a Titanium Alloy Ti-6Al-2.75 Sn-4Zr-0.4 Mo-0.45 Si.'' Metallurgical and Materials Transactions A, c. 27, s.6, ss. 1709-1717, 1996.
24. [24] C. Töre, ''Mekanik Tasarımda Titanyum ve Özellikleri,'' MMO/671, Ankara: TMMOB Makina Mühendisleri Odası, 2007.
25. [25] F. Bülbül, İ. Çelik, ''Isıl İşlemin Akımsız Ni-B Kaplanan Saf Titanyumun Yapısına Etkisi,'' Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, c. 29, s.1, ss. 89-94, 2014.
26. [26] O. M. Badr, B. Rolfe, P. Hodgson, ve M. Weiss, ''Forming of High Strength Titanium Sheet at Room Temperature,'' Materials & Design, c. 66, ss. 618-626, 2015.
27. [27] N. Şen, ''Experimental Investigation of The Formability of Ultrahigh-Strength Sheet Material Using Local Heat Treatment,'' Ironmaking & Steelmaking, c. 47, s. 2, ss. 93-99, 2020.
28. [28] N. Şen ve N. Kurgan, ''Sac Metal Malzemelerin Ilık Derin Çekme Yöntemiyle Şekillendirme Prosesinde Malzeme Karekterizasyonu,'' Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, c. 3, ss. 663-674, 2015.
29. [29] N. Kotkunde, H. N. Krishnamurthy, P. Puranik, A. K. Gupta, ve S. K. Singh, ''Microstructure Study and Constitutive Modeling of Ti–6Al–4V Alloy at Elevated Temperatures.'' Materials & Design (1980-2015), c. 54, ss. 96-103, 2014.
30. [30] Z. Hu, H. Zheng, G. Liu ve H. Wu, ''Effects of Cryogenic Treatment after Annealing of Ti-6Al-4V Alloy Sheet on Its Formability at Room Temperature,'' Metals, c. 8, s. 5, ss. 295, 2018.
31. [31] X. Li, G. Guo, J. Xiao, N. Song ve D. Li ''Constitutive Modeling and the Effects of Strain-Rate and Temperature on the Formability of Ti–6Al–4V Alloy Sheet.'' Materials & Design, c. 55, ss. 325-334, 2014.
32. [32] M. Kopec, K. Wang, D. J. Politis, Y. Wang, L. Wang, ve J. Lin, ''Formability and Microstructure Evolution Mechanisms of Ti6Al4V Alloy During a Novel Hot Stamping Process,'' Materials Science and Engineering: A, c. 719, ss. 72-81, 2018.
33. [33] G. Çetin, ''Ti-6Al-4V Sacların Mikroyapı Değişimi ve Geri Yaylanma Davranışının Incelenmesi,'' Tez (Yüksek Lisans), T. C. Bursa Uludağ Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Otomotiv Mühendisliği Anabilim Dalı. 2019.
34. [34] A. Gheysarian, M. Abbasi, ''The Effect of Aging on Microstructure, Formability and Springback of Ti-6Al-4V Titanium Alloy,'' Journal of Materials Engineering and Performance, c. 26, s.1, ss. 374-382, 2017.
35. [35] N. Kotkunde, A. D. Deole, A. K. Gupta ve S. K. Singh, 'Numerical Analysis of Warm Deep Drawing for Ti–6Al–4V Alloy,'' Advances in Material Forming and Joining, ss. 109-139, 2015.
36. [36] R. Ding, Z. Guo, ve A. Wilson, ''Microstructural Evolution of a Ti–6Al–4V Alloy During Thermomechanical Processing,'' Materials Science and Engineering: A, c. 327, s.2, ss. 233-245, 2002.
37. [37] S. Zherebtsov, M. Murzinova, G. Salishchev, ve S. Semiatin, ''Spheroidization of the Lamellar Microstructure in Ti–6Al–4V Alloy During Warm Deformation and Annealing,'' Acta Materialia, c. 59, s.10, ss. 4138-4150, 2011.
38. [38] S. Semiatin, P. Fagin, M. Glavicic, I. Sukonnik, ve O. Ivasishin, ''Influence on Texture on Beta Grain Growth During Continuous Annealing of Ti–6Al–4V,'' Materials Science and Engineering: A, c. 299, s.1-2, ss. 225-234, 2001.
39. [39] T. Seshacharyulu, S. Medeiros, W. Frazier, ve Y. Prasad, ''Hot Working of Commercial Ti–6Al–4V with an Equiaxed Α–Β Microstructure: Materials Modeling Considerations,'' Materials Science and Engineering: A, c. 284, s.1-2, ss. 184-194, 2000.
40. [40] B. Ma, X. Wu, X. Li, M. Wan, ve Z. Cai, ''Investigation on the Hot Formability of Ta15 Titanium Alloy Sheet,'' Materials & Design, c. 94, ss. 9-16, 2016.
41. [41] S. Akyol, ''Ti6Al4V Titanyum Alaşımının İşlenebilirliğinin Isıl İşlem Yardımıyla Arttırılması,'' Tez (Yüksek Lisans), İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Malzeme ve İmalat Lisansüstü Programı, 2007.
42. [42] P. J. Bania, ''Beta Titanium Alloys and Their Role in the Titanium Industry,'' The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society-Jom, c. 46, s.7, ss. 16-19, 1994.
43. [43] R. Santhosh, M. Geetha, ve M. N. Rao, ''Recent Developments in Heat Treatment of Beta Titanium Alloys for Aerospace Applications,'' Transactions of the Indian Institute of Metals, c. 70, s.7, ss. 1681-1688, 2017.
44. [44] R. R. Boyer, ''Aerospace Applications of Beta Titanium Alloys,'' The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society-Jom, c. 46, s.7, ss. 20-23, 1994.
45. [45] Q. Shi, Y. Tse, ve R. Higginson, ''Microstructure Evolution and Microhardness Analysis of Metastable Beta Titanium Alloy Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn Consolidated Using Equal-Channel Angular Pressing from Machining Chips,'' Journal of Materials Engineering and Performance, c. 29, s.6, ss. 4142-4153, 2020.
46. [46] S. Rajaraman, G. Manivasagam, V. Kumar, ve M. N. Rao, ''Structure-Property Correlation in an Aircraft Sheet Metal Alloy Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn,'' TMS 2014: 143rd Annual Meeting & Exhibition, ss. 105-112, 2014.
47. [47] M. Naveen, R. Santhosh, M. Geetha, ve M. N. Rao, ''Experimental Study and Computer Modelling of the Β→ Α+Β Phase Transformation in Ti15-3 Alloy Under Isothermal Conditions,'' Journal of Alloys and Compounds, c. 616, ss. 607-613, 2014.
48. [48] J. Zhang, H. Di, H. Wang, K. Mao, T. Ma, ve Y. Cao, ''Hot Deformation Behavior of Ti-15-3 Titanium Alloy: A Study Using Processing Maps, Activation Energy Map, and Zener–Hollomon Parameter Map,'' Journal of Materials Science, c. 47, s. 9, ss. 4000-4011, 2012.
49. [49] N. Şen, N. Kurgan, İ. Karaağaç ve O. Uluer, ''Ilık Derin Çekme Prosesinde Yağlayıcı Etkisinin Şekillendirilebilirlik Açısından Deneysel Araştırılması,'' Politeknik Dergisi, c. 19, s. 2, ss. 185-193, 2016.
50. [50] Y. Harada, Y. Maeda, M. Ueyama, ve I. Fukuda, ''Improvement of Formability for Multistage Deep Drawing of Ti-15v-3cr-3sn-3al Alloy Sheet,'' Procedia Engineering, c. 81, ss. 819-824, 2014.
51. [51] R. Neugebauer, L. W. Meyer, T. Halle, M. Popp, S. Fritsch, ve C. John, ''Manufacture of a Β-Titanium Hollow Shaft by Incremental Forming,'' Production Engineering, c. 5, s.3, ss. 227-232, 2011.
52. [52] J. D. Cotton, R. D. Briggs, R. R. Boyer, S. Tamirisakandala, P. Russo, N. Shchetnikov, ve J. C. Fanning, ''State of the Art in Beta Titanium Alloys for Airframe Applications,'' The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society-Jom, c. 67, s.6, ss. 1281-1303, 2015.