1. Ticari Olarak Saf Titanyumun Soğuk İşlenmesi
1.1 İşleme Zorluğu
Düşük oda-sıcaklığı sünekliği ve iş sertleşmesi hassasiyeti: Oda sıcaklığında CP Ti, sınırlı kayma sistemlerine (yalnızca 3 bağımsız kayma sistemi) sahip bir HCP kristal yapısına sahiptir; bu, yüzey -merkezli kübik (FCC) metallerle (örneğin, alüminyum alaşımı, östenitik paslanmaz çelik) karşılaştırıldığında nispeten zayıf plastik deformasyon kabiliyetine neden olur. Üstelik CP Ti son derece yüksek iş sertleştirme oranına sahiptir-soğuk deformasyon derecesinin artmasıyla gücü keskin bir şekilde artar. Örneğin, %20 soğuk haddelemeden sonra Grade 2 CP Ti'nin gerilme mukavemeti başlangıçtaki 345-415 MPa'dan 550 MPa'nın üzerine çıkabilirken, uzaması %20-25'ten %8'in altına düşer. Bu, sürekli soğuk şekillendirme sırasında (derin çekme, bükme gibi), ara işlem yapılmadığı takdirde malzemenin çatlamaya eğilimli olduğu anlamına gelir.
Yüksek deformasyon direnci: CP Ti oda sıcaklığında yüksek akma dayanımına ve akış gerilimine sahiptir. Örneğin, Sınıf 2 CP Ti'nin akma dayanımı yaklaşık 275–345 MPa'dır; bu, 6061-T6 alüminyum alaşımından (yaklaşık 240 MPa) önemli ölçüde daha yüksek ve düşük karbonlu çeliğinkine (yaklaşık 250–300 MPa) yakındır. Soğuk işlem sırasında daha yüksek şekillendirme yükleri gerekir, bu da şekillendirme ekipmanının sertliği ve tonajı için daha yüksek gereksinimleri ortaya çıkarır.
Yüzey kalitesi hassasiyeti: CP Ti, oda sıcaklığında yüksek kimyasal aktiviteye sahiptir ve yüzeyde sert ve kırılgan bir oksit filmi (TiO₂) oluşturmaya eğilimlidir. Soğuk deformasyon sırasında (çekme ve haddeleme gibi), oksit filmin düşmesi kolaydır ve yüzeyin çizilmesine veya kalıba yapışmasına neden olarak iş parçasının yüzey kaplamasını etkiler. Buna ek olarak, yüzeyde kusurlar (mikro çatlaklar gibi) varsa, soğuk işleme sırasında gerilim yoğunlaşması kolaylıkla meydana gelebilir ve bu da kusurların genişlemesine ve hatta iş parçasının kırılmasına yol açabilir.
1.2 Özel Süreç Gereksinimleri
Ara tavlama işlemi: Soğuk deformasyon derecesi %15-20'yi aştığında, iş sertleşmesini ortadan kaldırmak, malzemenin sünekliğini yeniden sağlamak ve sonraki işlemlerde çatlamayı önlemek için ara gerilim giderme tavlaması veya yeniden kristalleştirme tavlaması yapılmalıdır. Tavlama sıcaklığı genellikle 600-700 derecedir ve malzemenin yeniden kristalleşmesini ve iç gerilimin ortadan kaldırılmasını sağlamak için fırın soğutması veya hava soğutması ile tutma süresi 0,5-2 saattir.
Kalıp ve yağlama teknolojisi: Kalıp, yüksek-sertliğe ve aşınmaya-dirençli malzemelerden yapılmalı (semente karbür veya yüzey kaplamalı yüksek-hız çeliği gibi) ve sürtünmeyi azaltmak için yüzey cilalanmalıdır. Aynı zamanda, kalıp ile iş parçası arasında stabil bir yağlayıcı film oluşturmak, yapışmayı önlemek ve deformasyon direncini ve yüzey çiziklerini azaltmak için yüksek-performanslı yağlayıcılar (molibden disülfit-bazlı yağlayıcılar veya özel titanyum işleme yağları gibi) kullanılmalıdır.
Yüzey ön işlemi: Soğuk işlemden önce, boş titanyumun yüzey temizliğini ve düzlüğünü sağlamak ve yüzey kusurlarının işleme kalitesi üzerindeki etkisini önlemek için, asitleme (karışık asit hidroflorik asit ve nitrik asit, formül genellikle %2–5 HF + 15–%20 HNO₃ + sudur) veya kumlama gibi yöntemlerle yüzey oksit filmi ve safsızlıklar giderilmelidir.
Kontrollü deformasyon oranı ve deformasyon miktarı: Soğuk deformasyon hızı orta düzeyde olmalıdır (genel olarak gerinim hızı 0,001–0,1 s⁻¹'de kontrol edilir). Çok hızlı bir deformasyon oranı, malzemenin plastik akış için yeterli zamana sahip olmamasına neden olacak ve bu da çatlamaya yol açacaktır; çok yavaş bir oran üretim verimliliğini azaltacaktır. Aynı zamanda, tek-geçişte deformasyon miktarı sıkı bir şekilde kontrol edilmelidir (örneğin, soğuk haddelemenin tek-geçişte azalma oranı genellikle %5–10'dur ve tek-geçişte bükme açısı 30 dereceden fazla değildir) ve deformasyonun tekbiçimliliğini sağlamak için ara tavlamada çok sayıda küçük deformasyon geçişi benimsenmelidir.
2. Ticari Olarak Saf Titanyumun Sıcak İşlenmesi
2.1 İşleme Zorluğu
Dar sıcak çalışma sıcaklığı aralığı: CP Ti'nin faz geçiş sıcaklığı yaklaşık 882 derecedir (HCP yapısı (-faz), bu sıcaklığın üzerinde vücut-merkezli kübik (BCC) yapıya (-faz) dönüşür). Optimum sıcak çalışma sıcaklığı aralığı genellikle 700–850 derecedir (oda sıcaklığı ile faz geçiş sıcaklığı arasında, yani -faz bölgesinde). Sıcaklık 700 dereceden düşükse, malzeme hala yüksek deformasyon direncine ve bariz iş sertleşmesine sahiptir; sıcaklık 850 dereceyi aşarsa (faz geçiş sıcaklığına yakın), tane hızlı bir şekilde büyüyecek, bu da iş parçasının kaba taneli yapısına neden olacak ve bu da mekanik özelliklerin (tokluk ve yorulma mukavemeti gibi) azalmasına neden olacaktır. Ayrıca sıcaklığın 882 dereceyi aşıp -faz bölgesine girmesi durumunda tane ciddi şekilde kabalaşacak, hatta soğuduktan sonra kırılgan taneler arası fazlar oluşacak ve bu da malzemenin performansını önemli ölçüde bozacaktır.
Yüksek-sıcaklık oksidasyonu ve kirlilik hassasiyeti: CP Ti, yüksek sıcaklıklarda (400 derecenin üzerinde) son derece güçlü kimyasal reaktiviteye sahiptir ve havadaki oksijen, nitrojen, hidrojen ve diğer gazlarla reaksiyona girerek kırılgan yüzey katmanları oluşturur:
Oksidasyon: İş parçasının yüzey kalitesini ve mekanik özelliklerini azaltan gözenekli ve kırılgan bir TiO₂ tabakasının oluşması;
Nitrürleme: Malzemeyi kırılgan hale getiren ve işleme sırasında çatlamaya yatkın hale getiren TiN sert ve kırılgan fazının oluşturulması;
Hidrojen emilimi: TiH kırılgan fazının oluşturulması, malzemenin hidrojen kırılganlığına yol açması ve tokluğunun azalması.
Düşük ısı iletkenliği ve eşit olmayan sıcaklık dağılımı: CP Ti'nin ısıl iletkenliği çeliğinkinin yalnızca 1/5'i ve alüminyum alaşımınınkinin 1/3'ü kadardır. Sıcak işlem sırasında, malzemenin içindeki ısı transferi yavaştır, bu da iş parçasının yüzeyi ile çekirdeği arasında eşit olmayan sıcaklık dağılımına neden olmak kolaydır, bu da eşit olmayan deformasyona ve iç gerilime ve hatta iş parçasının çatlamasına veya deformasyonuna neden olur.
2.2 Özel Süreç Gereksinimleri
Hassas sıcaklık kontrolü: Isıtma sıcaklığı 700–850 derece aralığında sıkı bir şekilde kontrol edilmeli ve sıcaklık sapması ±10 dereceyi geçmemelidir. Isıtma ekipmanı, açık alevle ısıtma yerine hassas-kontrollü bir elektrikli fırın veya vakumlu fırın kullanmalıdır (yerel aşırı ısınmayı veya eşit olmayan ısınmayı önlemek için). İşleme sırasında iş parçasının sıcaklığı gerçek zamanlı olarak izlenmelidir (kızılötesi sıcaklık ölçümü veya termokupl kullanılarak). Sıcaklık 700 derecenin altına düşerse, yüksek deformasyon direncine sahip düşük-sıcaklık bölgesinde işlemden kaçınmak için iş parçası yeniden ısıtılmak üzere fırına geri gönderilmelidir.
Koruyucu atmosfer veya yüzey kaplaması: Yüksek-sıcaklık oksidasyonunu ve gaz kirliliğini önlemek için aşağıdaki koruyucu önlemler alınabilir:
Vakumlu ısıtma: Havayı tamamen izole etmek ve gaz reaksiyonunu önlemek için iş parçasının vakum ortamında (vakum derecesi 10⁻³ Pa'dan büyük veya eşit) ısıtılması;
İnert gaz koruması: Koruyucu bir atmosfer oluşturmak için ısıtma fırınının yüksek-saflıkta argon veya nitrojen (nitrojen yalnızca nitridasyonu önlemek için 600 derecenin altındaki düşük-sıcaklıkta ısıtma için uygundur) ile doldurulması;
Yüzey-oksidasyon önleyici kaplama: İş parçasının yüzeyinin, ısıtmadan önce, oksijen ve nitrojeni izole etmek için yüksek sıcaklıklarda yoğun bir koruyucu film oluşturabilen özel bir anti-oksidasyon kaplama (cam-bazlı kaplama veya bor-bazlı kaplama gibi) ile kaplanması.
Makul sıcak çalışma süreci parametreleri: Sıcak deformasyon hızı 0,1–10 s⁻¹'de kontrol edilmelidir (CP Ti'nin -fazı bu gerinim hızı aralığında daha iyi plastikliğe sahiptir). Malzemenin yüksek sıcaklıklardaki yüksek plastisitesinden tam olarak yararlanmak ve tane irileşmesine yol açan çok sayıda küçük deformasyondan kaçınmak için tek geçişli deformasyon miktarı uygun şekilde artırılmalıdır (genellikle %30–50). Sıcak işlemden sonra, tane büyümesini bastırmak ve ince-tanecikli yapıyı sağlamak için iş parçasının zamanla soğutulması (malzemenin kalitesine ve kalınlığına bağlı olarak havayla soğutma veya suyla soğutma) gerekir.
İşlem sonrası ısıl işlem-: Sıcak işlemden sonra, iç gerilimi ortadan kaldırmak ve taneleri inceltmek için iş parçasının gerilim giderme tavlamasına veya yeniden kristalleştirme tavlamasına tabi tutulması gerekir. Tavlama sıcaklığı 600–700 derece olup bekleme süresi iş parçasının kalınlığına göre belirlenir (genellikle 1–3 saat). Yüksek performans gereksinimleri olan iş parçaları için, yapıyı ve özellikleri daha da optimize etmek amacıyla çift tavlama (önce tutma için 750 dereceye ısıtma, ardından tutma için 600 dereceye soğutma ve son olarak havayla soğutma) benimsenebilir.
