LAZER KAYNAĞI İLE BİRLEŞTİRİLMİŞ TİTANYUM ALAŞIMLARININ FARKLI I SIL İŞLEMLER SONUCUNDA MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMES İ i T.C. BURSA ULUDAĞ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ LAZER KAYNAĞI İLE BİRLEŞTİRİLMİŞ TİTANYUM ALAŞIMLARININ FARKLI ISIL İŞLEMLER SONUCUNDA MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ ASLIHAN KENAR 0000-0003-1454-6082 Prof. Dr. Rukiye ERTAN (Danışman) 000-0002-9631-4607 YÜKSEK LİSANS TEZİ OTOMOTİV MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI BURSA – 2022 ii TEZ ONAYI Aslıhan Kenar tarafından hazırlanan “Lazer Kaynağı ile Birleştirilmiş Titanyum Alaşımlarının Farklı Isıl İşlemler Sonucunda Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi” adlı tez çalışması aşağıdaki jüri tarafından oy birliği ile Bursa Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Otomotiv Mühendisliği Anabilim Dalı’nda YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir. Danışman: Prof. Dr. Rukiye ERTAN Başkan : Aaaaa. Dr. Aaaaaaaa AAAAAAAA İmza 000-000-000-000 Aaaaaaaaa Üniversitesi, Aaaaaaaaaaaa Fakültesi, Aaaaaaaa Aaaaaaaaaaa Anabilim Dalı Üye : Aaaaa. Dr. Aaaaaaaa AAAAAAAA İmza 000-000-000-000 Aaaaaaaaa Üniversitesi, Aaaaaaaaaaaa Fakültesi, Aaaaaaaa Aaaaaaaaaaa Anabilim Dalı Üye : Aaaaa. Dr. Aaaaaaaa AAAAAAAA İmza 000-000-000-000 Aaaaaaaaa Üniversitesi, Aaaaaaaaaaaa Fakültesi, Aaaaaaaa Aaaaaaaaaaa Anabilim Dalı Üye : Aaaaa. Dr. Aaaaaaaa AAAAAAAA 000-000-000-000 Aaaaaaaaa Üniversitesi, Aaaaaaaaaaaa Fakültesi, Aaaaaaaa Aaaaaaaaaaa Anabilim Dalı Üye : Aaaaa. Dr. Aaaaaaaa AAAAAAAA 000-000-000-000 Aaaaaaaaa Üniversitesi, Aaaaaaaaaaaa Fakültesi, Aaaaaaaa Aaaaaaaaaaa Anabilim Dalı Yukarıdaki sonucu onaylarım Prof. Dr. Hüseyin Aksel EREN Enstitü Müdürü ../../…. iii B.U.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü tez yazım kurallarına uygun olarak hazırladığım bu tez çalışmasında; − tez içindeki bütün bilgi ve belgeleri akademik kurallar çerçevesinde elde ettiğimi, − görsel, işitsel ve yazılı tüm bilgi ve sonuçları bilimsel ahlak kurallarına uygun olarak sunduğumu, − başkalarının eserlerinden yararlanılması durumunda ilgili eserlere bilimsel normlara uygun olarak atıfta bulunduğumu, − atıfta bulunduğum eserlerin tümünü kaynak olarak gösterdiğimi, − kullanılan verilerde herhangi bir tahrifat yapmadığımı, − ve bu tezin herhangi bir bölümünü bu üniversite veya başka bir üniversitede başka bir tez çalışması olarak sunmadığımı beyan ederim. …/…/……… Aslıhan KENAR iv TEZ YAYINLANMA FİKRİ MÜLKİYET HAKLARI BEYANI Enstitü tarafından onaylanan lisansüstü tezin/raporun tamamını veya herhangi bir kısmını, basılı (kâğıt) ve elektronik formatta arşivleme ve aşağıda verilen koşullarla kullanıma açma izni Bursa Uludağ Üniversitesi’ne aittir. Bu izinle Üniversiteye verilen kullanım hakları dışındaki tüm fikri mülkiyet hakları ile tezin tamamının ya da bir bölümünün gelecekteki çalışmalarda (makale, kitap, lisans ve patent vb.) kullanım hakları tarafımıza ait olacaktır. Tezde yer alan telif hakkı bulunan ve sahiplerinden yazılı izin alınarak kullanılması zorunlu metinlerin yazılı izin alınarak kullandığını ve istenildiğinde suretlerini Üniversiteye teslim etmeyi taahhüt ederiz. Yükseköğretim Kurulu tarafından yayınlanan “Lisansüstü Tezlerin Elektronik Ortamda Toplanması, Düzenlenmesi ve Erişime Açılmasına İlişkin Yönerge” kapsamında, yönerge tarafından belirtilen kısıtlamalar olmadığı takdirde tezin YÖK Ulusal Tez Merkezi / B.U.Ü. Kütüphanesi Açık Erişim Sistemi ve üye olunan diğer veri tabanlarının (Proquest veri tabanı gibi) erişimine açılması uygundur. Prof. Dr. Rukiye ERTAN Aslıhan KENAR Tarih Tarih İmza İmza Bu bölüme kişinin kendi el yazısı ile okudum Bu bölüme kişinin kendi el yazısı ile okudum anladım yazmalı ve imzalanmalıdır. anladım yazmalı ve imzalanmalıdır. v ÖZET Yüksek Lisans LAZER KAYNAĞI İLE BİRLEŞTİRİLMİŞ TİTANYUM ALAŞIMLARININ FARKLI ISIL İŞLEMLER SONUCUNDA MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ Aslıhan KENAR Bursa Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Otomotiv Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Prof. Dr. Rukiye ERTAN Titanyum ve titanyum alaşımları yüksek mukavemet özellikleri ve korozyona karşı yüksek dirençleriyle bilinen ve aynı zamanda düşük yoğunluklarından dolayı hafif olmaları sayesinde günümüzde oldukça geniş uygulama alanına sahip, önemli bir mühendislik malzemesidir. Sahip olduğu bu özellikleriyle farklı endüstriyel uygulamalarda kullanılan titanyum alaşımlarının başlıca kullanım alanları uzay ve havacılık sanayi, kimya endüstrisi, denizcilik ve biyomedikal uygulamalar olarak sıralanabilir. Gelişen teknoloji ile değişen dünyamızda hafiflik ve yüksek mukavemet gibi önemli iki önemli bileşene sahip olan titanyum ve alaşımlarının mekanik özellikleri, kaynak işlemine bağlı olarak yüksek oranda değişmektedir. Bununla beraber, uygun ısıl işlemler uygulandığında bu mekanik özellikleri beklenen seviyeye taşımak mümkündür. Bu tez çalışmasında farklı sektörlerde çok geniş kullanım alanına sahip, Ti6Al4V kimyasal formüllü, Grade 5 olarak sınıflandırılan titanyum sac malzeme kullanılmıştır. 1 mm kalınlığındaki malzeme lazer kaynağı ile kaynak edilerek bu malzemeye farklı ısıl işlemler uygulanmıştır. Bunun sonucunda çekme ve sertlik deneyleri ile parçanın mekanik özelliklerinde meydana gelen değişimler incelenmiştir. Anahtar Kelimeler: Titanyum, grade-5, ısıl işlem, kaynak, mekanik özellikler, sertlik. 2022, xii + 52 sayfa. vi ABSTRACT MSc Thesis INVESTIGATION OF THE MECHANICAL PROPERTIES OF TITANIUM ALLOYS COMBINED WITH LASER WELDING AFTER DIFFERENT HEAT TREATMENTS PROCESSES Aslıhan KENAR Bursa Uludağ University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Automotive Engineering Supervisor: Prof. Dr. Rukiye ERTAN Titanium and titanium alloys are vital materials widely used in many engineering applications. Their low density, high stregth and high corrosion resistance spesifications make them superior in industial applications. Different areas where titanium and its alloys are extensively used can be listes as space and aviation industry, chemical, maritime and biomedical industries. Titanium and its alloys have two favorable characteristics such as lightness and high strength. On the other hand, the mechanical properties of these materials highly fluctute depending on the welding process. However, it is possible to bring these mechanical properties to the expected level when appropriate heat treatment processes are applied. In this thesis, titanium sheet material with Ti6Al4V chemical formula, was used. Ti6Al4V is classified as Grade 5-titanium material, which has a wide range of usage areas in different sectors, The material of 1 mm thickness was welded with laser welding and different heat treatments were applied to this material. As a result, the changes in the mechanical properties of the material were investigated with tensile and hardness tests. Key words: Titanium, grade-5, heat tratment, welding, mechanical properties, hardness 2022, xii + 52 pages. vii TEŞEKKÜR Tez çalışmalarım sırasında bilgi ve deneyimini benimle paylaşan, yönlendirmeleriyle çalışmalarımı kolaylaştıran hocam Sayın Prof. Dr. Rukiye ERTAN’ a teşekkürlerimi sunarım. Test çalışmalarım için numune hazırlama sürecinde desteklerini eksik etmeyen Tofaş Türk Otomobil Fabrikası’ndan değerli çalışma arkadaşlarım Arda Yılmaz, Batuhan Atıcı, Gürkan Yılmazoğlu ve Uğur Üzel’e yardımlarından dolayı teşekkürlerimi sunarım. Tüm bu süre boyunca işlerimi kolaylaştırarak çalışmalarıma destek olan yöneticim Yağmur Çevik’e değerli desteğinden dolayı teşekkürlerimi sunarım. Eğitim hayatımın başından bugünlere kadar maddi ve manevi tüm desteklerini her zaman yanımda hissettiğim değerli büyüklerim, ailem, Müberra & İsmail Kenar ve Gülfiye Cesur’a teşekkürlerimi sunarım. Son olarak hayatımın her anında yanımda olan ve bu süreçte desteğini hiçbir zaman esirgemeyen eşim Murat Cesur’a teşekkürlerimi sunarım Aslıhan Kenar 08/01/2022 viii İÇİNDEKİLER ÖZET ............................................................................................................................... vi ABSTRACT .................................................................................................................... vii TEŞEKKÜR ................................................................................................................... viii SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ ....................................................................... x ŞEKİLLER DİZİNİ .......................................................................................................... xi ÇİZELGELER DİZİNİ ................................................................................................... xii 1. GİRİŞ……. ................................................................................................................... 1 2. KURAMSAL TEMELLER VE KAYNAK ARAŞTIRMASI ...................................... 3 2.1. Titanyumun Tarihçesi ................................................................................................ 3 2.2. Titanyumun Genel Özellikleri.................................................................................... 5 2.3. Titanyum Üretimi ....................................................................................................... 8 2.4. Titanyum ve Alaşımlarının Sınıflandırılması .......................................................... 10 2.4.1 α Alaşımları ............................................................................................................ 17 2.4.2 α+β Alaşımları ....................................................................................................... 18 2.4.3 β Alaşımları ............................................................................................................ 20 3. MATERYAL ve YÖNTEM ........................................................................................ 27 3.1. Kullanılan Materyaller ............................................................................................. 27 3.2. Kaynak Prosesi ......................................................................................................... 28 3.3. Malzemelere Isıl İşlem Uygulanması....................................................................... 30 3.4. Yapılan Testler ve Analizler .................................................................................... 31 3.4.1 Çekme Testi ........................................................................................................... 32 3.4.2 Vicker’s Sertlik Testi ............................................................................................. 36 4. BULGULAR ............................................................................................................... 41 4.1. Çekme Test Sonuçları ve Değerlendirmeler ............................................................ 41 4.2. Sertlik Test Sonuçları ve Değerlendirmeler ............................................................. 43 5. TARTIŞMA ve SONUÇ ............................................................................................. 46 KAYNAKLAR ............................................................................................................... 49 ÖZGEÇMİŞ .................................................................................................................... 52 ix SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ Simgeler Açıklama F Kuvvet N Newton α Alfa β Beta Al Alüminyum C Celsius Fe Demir Ti Titanyum Zr Zirkonyum K Kelvin Mo Molibden Mpa Mpa Mega pascal Kısaltmalar Açıklama ASTM American Society for Testing and Materials TIG Tungsten Inert Gaz Kaynağı GR Grade ITAB Isı Tesiri Altındaki Bölge IEB Isıdan Etkilenmiş Bölge HV Vickers Sertlik Değeri DIN Alman Standartlari Enstitüsü LBW Nd-YAG Neodymium-doped yttrium aluminum garnet; Nd:Y3Al5O12 CpTi Ticari Saf Titanyum HMK Hacim merkezli kübik yapı HSP Hegzagonal sıkı paket yapısı x ŞEKİLLER DİZİNİ Sayfa Şekil 2.1. Saf titanyum süngeri ....................................................................................... 4 Şekil 2.2. Titanyum üretimi (Chen, Z., George, D., 2017) ............................................. 8 Şekil 2.3. Sünger titanyum üretim prosesi ...................................................................... 9 Şekil 2.4. Sünger titanyumun üretiminden sonra yapılan ergitme işlemleri ve ingot eldesi ............................................................................................................. 10 Şekil 2.5. Titanyum ve mikro yapısının sıcaklıkla değişimi (Demirel, 2021) .............. 11 Şekil 2.6. α ve 𝛽 titanyum kafes yapıları (Anonim, 2022) ........................................ 11 Şekil 2.7. Titanyuma ait mikroyapılar (Sıkı paket hekzagonal ve hacim merkezli kübik) (İcdem, 2007) .................................................................................... 11 Şekil 2.8. Titanyum faz diyagramı (Demirel, 2021) ..................................................... 12 Şekil 2.9. Alaşım elementlerinin titanyum faz diyagramı üzerine olan etkisi (Balaban 2007) .............................................................................................. 13 Şekil 2.10. Eşeksenli (a) ve iğnesel (b) içyapı örneği (Gökdemir, 2005) ....................... 15 Şekil 2.11. Ti6AlV’un farklı soğutma sıcaklıklarında oluşan mikroyapıları (İçdem, 2007) ................................................................................................ 18 Şekil 2.12. Uygulanabilir birleştirme yöntemleri ............................................................ 21 Şekil 2.13. Lazer kaynağının şematik gösterimi ve kaynaktan etkilenen metalik bölgeler (Yavuz, 2005) ............................................................................... 24 Şekil 2.14. Lazer ile kaynak işlemi sırasında oluşan bölgeler (Akman, 2006) ............... 24 Şekil 2.15. Nd-YAG lazer sisteminin bileşenleri (Akman, 2006) .................................. 25 Şekil 3.1. Nd-YAG lazer kaynak makinesi ................................................................... 28 Şekil 3.2. Isıl işlem fırını ............................................................................................... 30 Şekil 3.3. Çekme testi çubuğu için ASTM E8 standartları ........................................... 32 Şekil 3.4. Telerozyon tezgâhı ........................................................................................ 33 Şekil 3.5. Çekme testi numunelerinin görüntüsü .......................................................... 34 Şekil 3.6. Zwick Roell Z250 markalı çekme testi makinesi ......................................... 35 Şekil 3.7. Çekme testinde kopan numuneler ................................................................. 36 Şekil 3.8. Vicker’s sertlik testi ekipmanı ve formulasyonu .......................................... 37 Şekil 3.9. Vicker’s sertlik testi için numuneler ............................................................. 38 Şekil 3.10. Ultra Vilibo bakalitleme cihazı ..................................................................... 39 Şekil 3.11 Vicker’s sertlik ölçüm cihazı ........................................................................ 40 Şekil 4.1. Parametre grupları çekme deneyi sonuçları (Maksimum çekme kuvveti ve uzama miktarları) ..................................................................................... 42 Şekil 4.2. Parametre grupları çekme deneyi sonuçları (Parametre gruplarının maksimum çekme kuvvetleri ve uzama miktarları) ...................................... 42 Şekil 4.3. Sertlik ölçümü alınan noktalar ...................................................................... 43 Şekil 4.4. Sertlik ölçümü sonuçları grafiği ................................................................... 45 xi ÇİZELGELER DİZİNİ Sayfa Çizelge 2.1. Titanyum elementinin özellikleri .................................................................. 6 Çizelge 2.2. Bazı metal ve alaşımların yapısal özelliklerinin karşılaştırılması................. 7 Çizelge 2.3. Farklı titanyum alaşımlarına ait mekanik özellikler ................................... 14 Çizelge 2.4. Ticari saflıktaki titanyum malzemelerin genel özellikleri Gökdemir, 2005) ......................................................................................... 15 Çizelge 2.5. α ve β dengeleyici elementler (İşler, 1999) ................................................ 19 Çizelge 2.6. Bazı titanyum alaşımlarının kaynak edilebilirlikleri (Kahraman, 2007) .... 22 Çizelge 2.7. Titanyum tipik ısıl işlem değerleri (Kıral, 2012) ........................................ 26 Çizelge 3.1. Grade 5 Titanyumun fiziksel ve mekanik özellikleri .................................. 27 Çizelge 3.2. SWA 300 ND: Yag lazer kaynak makinesinin teknik özellikleri (Xeu ve ark., 2019) ..................................................................................... 29 Çizelge 3.3. Lazer kaynak parametreleri (Sevinç, 2019) ................................................ 29 Çizelge 3.4. Numunelere uygulanan ısıl işlem prosesleri ............................................... 31 Çizelge 4.1. Parametre grupları çekme deneyi sonuçları ................................................ 41 Çizelge 4.2. Numunelere uygulanan işlemler ve sertlik ölçüm değerleri ....................... 45 xii 1. GİRİŞ Birçok metal ve alaşımları, endüstriyel alanda ve değişiklik sektörlerde yoğunlukla kullanılmaktadır. Ürün ve prosese bağlı olarak değişik sektörlerde, farklı özelliklere (sertlik, mukavemet, kırılganlık, ısı iletkenliği vb.) sahip metaller öncelikli olarak tercih edilmektedir. Özellikle son yıllarda, titanyum ve titanyum alaşımları bazı sektörler başta olmak üzere birçok alanda yoğun şekilde kullanılmaya başlanmıştır. Titanyum elementinin düşük yoğunluğu, yüksek mukavemet karakteristiği, düşük ışıl genleşme katsayısı, yüksek korozyon ve ısı direnci gibi özellikleri bu malzemenin en önemli tercih sebepleridir. Titanyum elementi, bu üstün özellikleri öncelikle havacılık ve biyomedikal sektörlerinin ilgisini çekmiş ve birçok farklı sektörde artan ivme ile yaygınlaşmıştır. Uzay endüstrisi, enerji sektörü ekipmanları, uçak parçaları, hava araçlarının hidrolik sistemleri, biyomedikal protezler titanyumun ve alaşımlarının kullanıldığı başlıca çevrelerdir. Titanyum elementinin tüm bu kullanım alanlarında başarısını artırmak ve yeni alanlara da penetrasyonunu sağlamak için, bu malzemenin özelliklerini geliştirmek ve daha dayanıklı ve işlenebilir yapılar elde etmek için birçok çalışma yapılmıştır ve yapılmaya devam etmektedir. Titanyum komplelerinin ve çeşitli tekniklerle birleştirilmiş veya işlenmiş parçalarının mukavemetini artırma çalışmaları bu kapsamdaki en önemli araştırma gruplarından biridir. Çeşitli yöntemlerle birleştirilmiş titanyum alaşımlarının dayanımını artırmak için ısıl işlem prosesleri uygulanmakta ve bu işlemlerin sonucunda daha dayanıklı ve gelişmiş özelliklere sahip ürünler elde edilmeye çalışılmaktadır. Bu kapsamda kaynak yöntemiyle birleştirilen titanyum malzemelerin, farklı ısıl işlem senaryolarında karakteristiklerinin nasıl değiştiği ve geliştiği sorusuna cevap aranmaktadır. Bu tezde, çok farklı alanlarda geniş kullanım alanına sahip, Ti6Al4V kimyasal formüllü, Grade 5 olarak sınıflandırılan titanyum sac malzeme kullanılmıştır. 1 mm kalınlığındaki 1 malzeme lazer kaynağı ile kaynak edilerek bu malzemeye farklı ısıl işlemler uygulanmıştır. Bunun sonucunda çekme ve sertlik deneyleri ile parçanın mekanik özelliklerinde meydana gelen değişimler incelenmiştir. Çalışmaların sonucunda, farklı seviyelerde olmakla birlikte uygun ısıl işlem senaryoları uygulandığında, kaynakla birleştirilmiş titanyum malzemelerin mekanik özelliklerin daha iyi seviyeye taşımanın mümkün olduğu görülmüştür. 2 2. KURAMSAL TEMELLER VE KAYNAK ARAŞTIRMASI 2.1. Titanyumun Tarihçesi Keşfedilmesi 1791 yılına dayanan titanyum metalinin ortaya çıkışı İngiltere’de, kimyager William Gregor ile gerçekleşmiştir. William Gregor bu metal ile ilk olarak bir akarsuda bulduğu siyah kumlarda karşılaşmıştır. İlmenit (manyetik demir tozu) olarak bilinen bu cevherin mıknatıstan etkilendiği fark ederek ilmenitin içinde yeni bir elementin olabileceğini düşünmüştür (Krebs, 2006). Ardından siyah kumlardan demirin hidroklorik asit ile ayrılması sonucu daha önce hiç karşılaşmadığı farklı bir metal oksit elde ederek bulduğu bu sonucu ilgili bilim otoriteleri ile paylaşmıştır. Eş zamanlarda Alman bilim insanı Martin Heinrich Klaproth da kırmızı bir cevher olan rutillerin (TiO2) analizinde William Gregor’un paylaşımıyla benzer sonuçlar elde etmiştir. Klaproth, Yunan mitolojisinde dünyanın oğulları anlamına gelen Titanlardan esinlenerek bu elemente titanyum adını vermiştir. Titanyumun azot ve oksijene olan ilgisinden dolayı saf titanyumun elde edilmesi uzun ve teknolojik prosesler gerektirmektedir. Bu sebeple saf titanyumun elde edilmesi diğer metallere kıyasla daha pahalı olmaktadır. Titanyumu karbonun varlığında ısıtarak ayırmak, bu işlem sonucunda titanyum karbit oluşturacağı için mümkün olmamaktadır. %99,9 saflıkta titanyumun eldesini ilk olarak 1910’da General Elektrik için çalışan Matthew Hunter oluşturmuştur. Hunter, bu işlemi titanyum tetra klorür ile sodyumu 700– 800 °C'de ısıtarak gerçekleştirmiştir. (Britannica, 2021). Keşfedilmesi iki yüz yıl öncesine dayansa da ticari olarak üretimi 1950’lerde başlayan titanyumun metalinin laboratuvar dışında kullanımı bu yıllara kadar mümkün olmamıştır. 1946 yılında William Justin Kroll titanyum metalinin mineral kaynaklarından elde edilmesi üzerine çalışmalarda bulunmuştur. Kroll bu çalışmasında inert gaz ortamında titanyum tetrakloridin magnezyum ile indirgenmesini sağlayarak titanyum elde etmiştir. Ortaya çıkan yapı gri, gözenekli ve süngerimsi görünümünden dolayı “titanyum süngeri” olarak adlandırılmıştır. (Nakamura ve arkadaşları, 2017). 3 Şekil 2.1.’de sünger şeklindeki titanyumun görseli verilmiştir. Şekil 2.1. Saf titanyum süngeri Titanyum alaşımları çok yüksek sıcaklıklarda bile sahip oldukları yüksek mukavemetsel özellikleri, korozif ortamlarda gösterdikleri korozyon dirençleri ve yüksek dayanıma sahip olmalarıyla diğer metallerden ayrılır. Diğer metallere kıyasla hafif bir metal olan titanyum (yoğunluk: 4.54 g/cm3) çelik kadar güçlüdür ancak çelikten %45 daha hafiftir. Sahip olduğu karakteristik özellikler sayesinde günümüzde oldukça geniş kullanım alanına sahiptir. Titanyum düşük yoğunluk ve düşük ısıl iletkenlik ile yüksek mukavemete sahip olması nedeniyle uçak ve uzay kapsüllerinin gövdelerinde, füzelerde, enerji santrallerinde kullanılan borularda, savunma sanayinde zırh kaplamalarda ve askeri gemilerde kullanılır. Titanyum elementi ayrıca, yüksek hızla çalışan ve titreşime maruz kalan otomobil parçalarında da tercih edilir. Titanyumun hafif bir malzeme olması, uzay, havacılık ve otomotiv sektöründe tasarlanan parçaların ağırlığını azalttığı için yakıt tüketimini de önemli ölçüde azaltmaktadır. Bu şekilde hem ekonomik hem de çevresel fayda sağlamak söz konusudur. Araç ağrılığının azaltılarak yakıt tasarrufu sağlanması ve verimliliğinin artırılması, araçta gürültünün azaltılması gibi konularda titanyum ideal mühendislik malzemelerinden biridir. Titanyum alaşımlı otomobil parçaları ağırlıklı olarak bağlantı çubuklarında, motor supaplarında, egzoz sistemlerinde ve süspansiyon yaylarında kullanılır. Özellikle 4 motosiklet egzoz sistemlerinde (susturucu) düşük maliyetli alaşımlar geliştirilerek titanyum alaşım kullanımı yaygınlaştırılmıştır. Tampon, orta çubuk, somun ve cıvata, kontrol çubuğu, bağlantı elemanları, tahrik mili, tampon braketi, kiriş ve fren kaliper, piston, motor bağlantı çubuğu, pin mili cıvatası, vana ve yatak yuvası gibi çeşitli otomotiv parçalarında kullanım alanı vardır. Biyolojik uyumluluğu nedeniyle titanyum, biyomedikal uygulamalarda da kullanım alanına sahiptir. Anti-alerjik ve anti-toksik bir metal oluşu ve organik sıvılara olan dayanıklılığı nedeniyle biyolojik uyumluluğu yüksek olan bu metalin, diş implantları, yapay protezler, cerrahi aletlerin yapımı olmak üzere medikal alanda çok geniş kullanım alanı bulunmaktadır. Titanyum yapısı itibari ile kimya sektöründe, vernik, cila, plastik ve boya ham maddelerinin yapımında da kullanılmaktadır. Kâğıt dolgu ve kâğıt kaplamalarında, beyaz mürekkep, renkli cam ve seramik, kozmetik ürünler, cep telefonu, spor aletleri, gözlük, saat, takı ve mücevher gibi aksesuarlarda da geniş kullanım alanına sahiptir. 2.2. Titanyumun Genel Özellikleri Periyodik tablonun dört numaralı grup ve periyodunda yer alan titanyumun simgesi Ti ve atom numarası 22’dir. Atom ağırlığı 47.87 g/mol’dur. 4.51 g/cm3 ‘lük yoğunluk ile çeliğin ve süper alaşımların %60‘ı kadar bir yoğunluğa sahiptir. Parlak ve grimsi yapısıyla beraber oldukça güçlü ve hafif bir metal olan titanyuma ait spesifik bilgiler Çizelge 2.1.’de gösterilmiştir: 5 Çizelge 2.1. Titanyum elementinin özellikleri Titanyumun 126 kg/mm2 akma dayanımı, bakır ve krom-nikelli çeliklere oranla yüksek korozyon direnci öne çıkan özellikleri arasındadır. Titanyum genellikle 500°C ile 700°C aralığında verimli çalışma alanına sahiptir. Erime noktası 1668°C olan titanyum erime noktası 1536°C olan demire göre daha yüksek erime noktası değerine sahipken, 116 Gpa elastisite modülü ile demirin 194 Gpa elastisite modülüne kıyasla daha düşük bir elastisite modülüne sahip olduğu bilinmektedir. Başta demir olmak üzere molibden, vanadyum, alüminyum, kalay ve zirkonyum gibi çeşitli metaller ile alaşım yapabilir. 6 Çizelge 2.2.’de titanyumun, alüminyum, çelik ve ortak kullanım alanına sahip bazı metaller ile karşılaştırılması yer almaktadır. Çizelge 2.2. Bazı metal ve alaşımların yapısal özelliklerinin karşılaştırılması Koroyozyona karşı yüksek dayanımı, manyetik özelliğinin olmayışı, yüksek biyolojik uyumluluğu ile bilinen titanyum metali doğada kayalarda, toprakta, suda ve canlı varlıkların birçoğunda bulunur. Titanyum metali demir, magnezyum ve alüminyumun ardından doğada en çok rezerve sahip elementlerin başında gelir ve yer kabuğunun yaklaşık %0,6’sını bu metal oluşturmaktadır. Titanyumun ayrıca güneş ve göktaşları üzerinde de bulunduğu bilinmektedir. Apollo 17 tarafından Ay’dan gelmiş taşlarda da %12 civarında titanyum dioksit bulunmuştur. (Larousse, 2021) 7 Titanyum elementi doğada litosferde ve yer kabuğunda geniş bir şekilde dağılmış olan rutil (TiO2) ve ilmenit (FeTiO₃) cevherlerinde bulunur. Titanyum en yüksek dağılımı ile TiO2 şeklinde (%97-98) rutil cevherinde bulunmaktadır. 2.3. Titanyum Üretimi Günümüzde titanyumun metalik eldesi işin yaygın olarak kullanılan yöntem Kroll prosesidir. Şekil 2.2. ve Şekil 2.3.’de Kroll prosesi ile titanyum süngerinin elde edilme adımları gösterilmektedir. İlk olarak cevher zenginleştirme işlemi ile hazırlanan rutil veya ilmenit mineralleri kullanım durumuna göre pik demir ya da cüruf olarak alınırlar. Bu aşamada ilmenit cevheri kullanılacaksa pik demir, rutil ise cüruf olarak kullanılır. Kroll prosesinde rutil veya ilmenit metalleri klor gazı ile 900°C’de reaksiyona girerek TiCl4 (titanyum tetra klorür) elde edilmektedir. Kimyasal tepkime sonucu oluşan klorlu gazlar ve tetra klorür ayrımsal damıtma yöntemi ile ayrıştırılarak ayırma reaktöründeki titanyum tetra klorür 800°C-850°C’de paslanmaz çelik kap içinde sıvı magnezyum ile metalik titanyuma indirgenir. Tepkimeler (2.1) ve (2.2)’de görüleceği üzere gerçekleşir. Şekil 2.2. Titanyum üretimi (Chen, Z., George, D., 2017) 8 11111111111111111111111 Rutil / İlmenit Zenginleşme Metalurjik Proses Pik Demir Curuf (İlmenit) Konsantresi Klor Titanyum Tetra Klorür Magnezyum Magnezyum ile Redüksiyon Titanyum Magnezyum Vakum Oksit Klorür Elektrolizi Destilasyonu Sünger Titanyum Şekil 2.3. Sünger titanyum üretim prosesi Ortaya çıkan ürüne gözenekli yapısından dolayı sünger titanyum adı verilir. Sıvı haldeki MgCl2 periyodik olarak reaktörden alınır ve elektroliz yoluyla yeniden magnezyuma dönüştürülebilir. Bu aşamada süngerimsi yapıda bulunan titanyum, ergitme işlemi görmeden önce kırılır ve preslenir. Bu sırada alaşım elementleri ve hurda titanyum ilavesi de karışıma eklenebilir. Preslenmiş titanyum vakum altında metal parça ark fırınında ergitilir. Bu işleme vakum ark ergitme (VAR) adı verilir. Ergimiş halde bulunan metal vakum altında yeniden katılaştırılabilir. Daha saf ve homojen bir yapının istenildiği 9 durumlarda tekrar ergitilip katılaştırılabilir. Bu şekilde tekrarlayan ergitme işlemleri sonucunda rafinasyon gerçekleşmiş olur. Bu ergitme işlemleri çoğunlukla döküm parçaların üretiminde ve hurda hammadde kullanıldığındaki ergitme işlemlerinde tercih edilmektedir. Ekstrüzyon ve haddeleme gibi işlemlerle titanyum yarı-mamulleri elde edilmektedir. Sünger titanyum üretiminden sonra yapılan ergitme işlemleri ve ingot eldesi aşağıdaki gibidir. Sünger titanyum üretiminin ardından yapılan ergitme ve ingot eldesine ait işlemler Şekil 2.4.’de görülmektedir. Alaşım Elementi İlavesi Sünger Titanyum Hurda Titanyum Kompaktın Soğuk Ergitme Preslenmesi -Elektron Demeti ve (2,3 – 68 kg) -İndüksiyonla Ergitme İngot Slab Plazma Ergitme ( Argon Atmosferinde) Ergitme Rafine VAR H arcanabilir Elektrod (2730-16360 kg) Şekil 2.4. Sünger titanyumun üretiminden sonra yapılan ergitme işlemleri ve ingot eldesi 2.4. Titanyum ve Alaşımlarının Sınıflandırılması Tita nyum, allotropik bir malzeme olup, farklı sıcaklıklarda farklı kristal yapı ve fazlara sahiptir. Oda sıcaklığında hekzagonal sıkı paket kristal yapıdaki (HSP) α fazında olan titanyum, 882 ˚C sıcaklığın üzerinde hacim merkezli kübik yapıdaki (HMK) β fazına geçmektedir. α titanyumundan β titanyumuna allotropik dönüşüm sıcaklığı “β dönüşüm sıcaklığı” olarak tanımlanmaktadır. 10 HSP 𝛼 titanyum ve HMK 𝛽 titanyumun kristal yapısı, titanyum kafes yapıları ve hekzagonal ve kübik kristal yapıları Şekil 2.5.-2.7.'de şematik olarak gösterilmektedir Şekil 2.5. Titanyum ve mikro yapısının sıcaklıkla değişimi (Demirel, 2021) Şekil 2.6. α ve 𝛽 titanyum kafes yapıları (Anonim, 2022) Şekil 2.7. Titanyuma ait mikroyapılar (Sıkı paket hekzagonal ve hacim merkezli kübik) (İcdem, 2007) 11 Titanyum alaşımları mikro yapılarına göre, α alaşımları, β alaşımları ve 𝛼+ β alaşımları olarak sınıflandırılmaktadır. Bu alaşımlar α→β dönüşüm sıcaklığının artırılması ya da azaltılmasına etki eden elementlerin ilavesiyle oluşturulmaktadır. Alaşım elementlerinin faz değişimine etkisi Şekil 2.8.’da gösterilmiştir. Şekil 2.8. Titanyum faz diyagramı (Demirel, 2021) 𝛼 sabitleyiciler, 𝛽 sabitleyiciler ve nötral elementler olarak ayrılan alaşım elementlerinden Al, O, N, C, gibi elementler 𝛼 fazı sabitleyicileri ve Mo, V gibi metaller ise 𝛽 fazı sabitleyicileri olarak bilinmektedirler. Sn ve Zr ise nötral elementlerdir. Nötral, 𝛼 veya 𝛽 dengeleyici elementlerin farklı sıcaklıklarda faz yapısı üzerine etkisi de Şekil 2.9’de gösterilmiştir: 12 Şekil 2.9. Alaşım elementlerinin titanyum faz diyagramı üzerine olan etkisi (Balaban 2007) Oda sıcaklığında 𝛼 fazında bulunan ticari saflıktaki titanyumlar mekanik özellikleri itibariyle saf titanyuma benzemektedirler. Bu alaşımlara az miktarda 𝛽 sabitleyicileri eklendiğinde yakın 𝛼 fazı olarak adlandırılan faz meydana gelmektedir. Bu faz 𝛼 fazlı titanyuma benzer özelliklere sahiptir. Ayrıca bu alaşımlar sahip olduğu özelliklere ek olarak 500°C'ye varan sıcaklıklarda kullanılabilmektedir. Her iki fazın da bulunduğu 𝛼+ β alaşımları yüksek mukavemetleri ile öne çıkarken üretilen titanyum alaşımlarının yarısından fazlası bu grupta yer alan Ti6Al4V alaşımı oluşturmaktadır. 𝛼+ β alaşımlarına göre daha iyi şekillendirilebilme ve sertleştirilebilme özellikleri nedeniyle son yıllarda yaygın olarak kullanılmakta olan bir diğer grup ise β titanyum alaşımlarıdır. Bu alaşımlar da yapılarında yüksek oranda β fazı sabitleyicileri içermektedirler. Özellikle uzay ve havacılık sanayisinde sık kullanılan Ti6Al4V alaşımına alternatif olarak geliştirilen Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn alaşımı β alaşımına örnek olarak verilebilir. Çizelge 2.3.’de farklı titanyum alaşımlarına ait mekanik özellikler verilmiştir. 13 Çizelge 2.3. Farklı titanyum alaşımlarına ait mekanik özellikler Ticari Saf Titanyum Ticari saflıktaki titanyum (CpTi commercially pure titanium) %98,63 ila %99,5 oranında titanyum içerir. Titanyumun içinde az miktarda oksijen, hidrojen, azot, demir ve karbon gibi elementler bulunabilir. Bu elementlerden karbon, azot ve oksijen titanyumun sünekliğini bir miktar azaltsa da aynı zamanda malzemeyi güçlendirir. Oda sıcaklığındaki ticari saf titanyumun mikro yapısı tamamıyla α fazındadır ve hekzagonal sıkı paket (HSP) yapıdadır. 885 °C’ye ısıtıldıktan sonra bu faz hacim merkezli kübik yapıdaki β fazına dönüşür. Farklı kalitelerdeki ticari saf titanyumlara ait α ve β dönüşüm sıcaklıkları Çizelge 2.4.’de verilmiştir. Ticari saflıktaki titanyum katkı elementi içeriğine göre Grade 14 1’den Grade 7’ye kadar kalite gruplarına ayrılmıştır. Bu kalite grupları arasındaki en önemli fark titanyumun içerdiği oksijen miktarından kaynaklanmaktadır. Çizelge 2.4. Ticari saflıktaki titanyum malzemelerin genel özellikleri (Gökdemir, 2005) Çizelge 2.4.’te görüldüğü gibi titanyumun akşam mukavemeti 170 MPa ile 480 MPa arasında değişmektedir. Önemli katkı metalleri olan oksijen ve demirin titanyumdaki içeriği arttıkça malzemenin aynı zamanda akma ve çekme mukavemetleri de artmaktadır. 700 °C’lerde tavlama işlemi ile kullanılan ticari saf titanyumun tavlanmış haldeyken mikro yapısı iğnesel veya eş eksenli olabilmektedir. Beta fazdan alfa faza dönüşüm sırasında malzemeye uygulanan soğutma hızı iğnesel alfa fazını oluşturmaktadır. İğnesel alfa plakalarının genişliği soğutma hızının artmasıyla daralacaktır. Yeniden kristalleşme tavlaması uygulanmış durumda ise eş eksenli yapı görülmektedir. Malzemenin mikro yapısında iğnesel alfa fazının görülmesi bu malzemenin beta dönüşüm sıcaklığının üzerindeki noktalara kadar ısıtıldığını göstermektedir. Şekil 2.10’da ticari saf titanyumda gözlemlenen iğnesel ve eş eksenli mikroyapılar gösterilmiştir (Leyens ve Peters 2003). Şekil 2.10. Eşeksenli (a) ve iğnesel (b) içyapı örneği (Gökdemir, 2005) 15 Titanyum ve alaşımlarının eşeksenli ve iğnesel mikroyapılarına göre mekanik özellikleri değişmektedir. Eşeksenli mikroyapıya sahip olan alaşımlar yüksek mukavemet, yüksek süneklik, iyi bir şekillendirme kabiliyetine sahipken, iğnesel mikroyapıdaki alaşımların kırılma tokluğu ve sürünme direnci oldukça yüksektir. Saf titanyum, alaşımlı titanyum malzemelere kıyasla daha zayıftır ve yüksek sıcaklıklarda dayanımını yitirir. Fakat saf titanyumun çok yüksek korozyon direncine sahip olması bu malzemenin özellikle yüksek mukavemet gerektirmeyen, daha çok korozif ortamlarda kullanılmasında tercih edilir. Özellikle kimya ve petrol endüstrisinde, rafinerilerde, boru donanımları, reaktörler, pompa ve valflerin üretiminde klorit, sülfit ve diğer kimyasallara karşı gösterdiği yüksek korozif direnç sayesinde geniş kullanım alanına sahiptir. 16 2.4.1 α Alaşımları α alaşımlarının mikro yapıları yüksek oranda alfa fazı içermektedir. Genellikle çok yüksek sıcaklık dayanımı gereken ya da kriyojenik uygulamalarda (-253°C) tercih edilirler. Alfa titanyum alaşımları alüminyum, kalay ve zirkonyum elementlerini içerir. Genel olarak %5 Al- %2,5 Sn içeren bu alaşımlar sıkı paket hegzagonal yapılarına rağmen yüksek sıcaklıklarda bile yüksek mukavemet gösterirler. Bu alaşımların sürünme dayanımları β alaşımlarına göre daha fazladır. Bu sebeple yüksek sıcaklık aralığında kullanılan alfa alaşımları en yüksek mukavemetlerini 315-595 °C sıcaklık aralığında gösterirler. α alaşımları kararlı α fazına sahip olduklarından dolayı α +β alaşımları ve β alaşımları gibi ısıl işlem ile sertleştirilmezler. Bununla birlikte, soğuk işlem uygulamalarının ardından oluşacak gerilmeleri yok etmek amacıyla tavlama işlemi ya da yeniden kristalleşme tavlaması yapılabilmektedir. α +β alaşımları ve β alaşımlarına kıyasla daha dar bir sıcaklık aralığında dövme sıcaklığına sahip olan α alaşımlarının genel olarak dövülebilme kabiliyetleri düşüktür. Döve işlemi sırasında malzemenin yüzeyinde oluşacak çatlakların önüne geçebilmek için dövme prosesinde deformasyon miktarının düşük tutulması ve malzemenin belirli aralıklarla tavlanması gerekmektedir. Tavlama işleminin sonrasındaki soğutma hızına bağlı olarak alfa alaşımlarının mikroyapısı iğnesel ve eşeksenli olarak değişmektedir. Ti5Al2.5Sn alaşımı tek fazlı alfa alaşımına örnek olarak verilebilir. Bu alaşım 300°C’ye kadar olan sıcaklıklarda iyi bir şekillendirme kabiliyeti gösterirken yüksek çekme ve sürünme dayanımına sahiptir. Yapısındaki alfa fazı yüksek kararlılığa sahipken aynı zamanda yapısında sınırlı miktarda beta fazını kararlı kılan elementler içeren alaşımlar “süper alfa” ya da “α’ya yakın” olarak adlandırılır. Bu alaşımlara örnek olarak Ti8Al5Zr0.5Mo0.25Si verilebilir. Bu alaşımlar 500°C’ye çıkan sıcaklıklarda kullanılabilen, yüksek dayanıma sahip malzemelerdir. Yüksek korozyon dayanımını ve deformasyon kabiliyetinin beklenildiği kimya ve petrol endüstrisinde saf titanyumun dayanım gereksinimi karşılayamadığı durumlarda alfa titanyum alaşımları tercih edilmektedir. Düşük sıcaklıklarda, hidrojen depolama ve 17 basınçlı tanklarda sıklıkla kullanılan alfa alaşımlarının en bilinen örneklerinden biri Ti- 5A1-2,5Sn olarak verilebilir. 2.4.2 α+β Alaşımları α ile β faz dengeleyici elementlerin oda sıcaklığında uygun oranda kullanılmasıyla α ve β fazlarının karışımı olan bir yapı elde edilmektedir. α+β alaşımları bileşimlerinde %5 oranında β fazı kararlaştırıcı elementler içerirler. Bu alaşım  dönüşüm sıcaklığının altına ısıtıldığında az miktarda ’nın kalmasını ve tane irileşmesi önlenir. Alaşıma hızlı soğutma işlemi uygulandığında iğnesel alfa fazı meydana gelir. Yavaş soğutma işlemi ise eşeksenli alfa yapısı meydana getirmektedir. Şekil 2.11.’de Ti-6Al-V aşımında farklı sıcaklıklarda yavaş soğutma ve su vererek soğutma sonucunda oluşan mikroyapılar gözükmektedir. Şekil 2.11. Ti6AlV’un farklı soğutma sıcaklıklarında oluşan mikroyapıları (İçdem, 2007) 18 α+β alaşımlarına uygulanan tavlama işlemi ile yüksek süneklik ve dayanım dengesi elde edilir. Ayrıca bu alaşımlara çözündürme, su verme ve yaşlandırma ısıl işlemleri ugulanabilir. Yaşlandırma işlemi ile malzemenin dayanımı artmaktadır. Alaşımların kimyasal yapıları içerdikleri alaşım elementleri ve malzemeye uygulanan ısıl işlemlere göre değişiklik göstermektedir. Çizelge 2.5.’te  ve  dengeleyici elementler görülmektedir. Çizelge 2.5. α ve β dengeleyici elementler (İşler, 1999) Titanyum alaşımlarının %70’inden fazlasını α+β alaşımları oluşturmaktadır. En çok kullanılan - alaşımları Ti6Al4V ve Ti6Al6V2Sn formüllerine sahip alaşımlardır. Bu alaşımlar gününüzde kullanılan titanyum alaşımlarının %50‘den fazlasını oluşturmaktadır. Ti6Al4V alaşımı sahip olduğu üstün özellikleri nedeniyle uzay ve havacılık sanayi başta olmak üzere medikal çalışmalarda, petrokimya endüstrisinde çok geniş alanlarda kullanılmaktadır. Bu alaşımlar yüksek çekme ve yorulma dayanımları ile yüksek korozyon direncine sahiptir. Ayrıca işlenebilirlik, kolay kaynak edilebilirlik ve ticari bakımdan temin edilebilirlik açısından oldukça kullanışlıdır. Ti6Al4V alaşımının içeriğindeki alüminyum elementinin güçlü bir katı çözelti sertleşme etkisi göstermesi ve vanadyum elementinin de oda sıcaklığında  fazını stabil hale getirirken yüksek sıcaklıklarda malzemenin sünekliği iyileştirmesi bu malzemeye yüksek mukavemet özelliği sağlamaktadır. 19 - alaşımları ekstrüze edilmiş, levha, çubuk ve tel şeklinde mamül halde bulunur. Haddelenmiş ve ekstrüze edilmiş malzemeler genellikle havacılık sanayisinde uçak parçalarının üretiminde kullanılmaktadır. Yüksek sıcaklıklarda kullanılması gereken parçaların çekme dayanımını artırmak için ısıl işlem uygulanmaktadır. Bu alaşımlar 482 °C’lerde ve 1138 MPa’a kadar çıkan bir çekme dayanımında kullanılabilmektedirler. 2.4.3 β Alaşımları β Alaşımları yüksek oranda β fazı dengeleyici elementlerinden molibden ve vanadyum içerirler. Özellikle molibden ve vanadyum içeren β alaşımlarının korozyon direnci yüksektir ve yüksek kırılma tokluğuna sahiptirler. β matrisi içerisinde  fazının çökelmesi ile sertleştirilebilirler. Tavlama işlemi ile mikroyapılarında yalnızca β fazı bulunan bu alaşımlara hızlı soğutma uygulandığında yapılarında tamamı β fazından meydana gelen on bir dengesiz faz oluşmaktadır. β alaşımları yüksek yoğunluk, sertleştirilebilirlik, dövülebilirlik ve iyi soğuk şekillendirme özellikleri ile diğer titanyum alaşımlarından ayırt edilebilirler. Isıl işlem ve şartlı kaynak işlemlerine uygundurlar. β titanyum alaşımları yüksek dayanımın önemli olduğu uzay ve havacılık uygulamalarında, bağlantı elemanlarında ve kirişlerde kullanılabilirler. (İçdem, 2007) 2.5. Titanyum ve Alaşımlarının Kaynak Kabiliyeti Metal malzemelerin kaynak işlemlerinin öncesinde birtakım ön hazırlık uygulamaları vardır. Bunların başında kaynak yapılacak malzemenin temizlenmesi, uygun kaynak yönteminin belirlenmesi ve kaynak ağzı açılması gelir. Kaynak işlemi sırasında ise, ortamın temizliği, ortamın nemi ve sıcaklığının optimum düzeyde olması, koruma gazının türü, her pasodan sonra mekanik temizlik ve çapak giderme işlemlerinin düzenli şekilde yapılması gerekir. Kaynak sonrası uygulanacak işlemler ve kontroller ise, varsa malzeme üzerinde mekanik ve ısıl işlem gerekliliği, tahribatsız ve tahribatlı muayeneler olacaktır. Titanyum ve alaşımları kaynak yeteneği bakımından genel olarak iyi malzemelerdir. Kaynak dikişi ve kaynak yapılmış bölgeye bakıldığında malzemenin mekanik özelliklerinin korunduğu ve korozyon dayanımının çok değişmediği görülür. ASTM 20 International titanyuma uygulanabilecek otuz bir farklı kaynak türü tanımlamıştır. (Kıral 2012). Titanyum alaşımları östenitik paslanmaz çelik veya alüminyum kaynağında kullanılan ekipmanlar ve gaz metal ark kaynağı, plazma ark kaynağı, gaz tungsten ark kaynağı ve lazer kaynak ile kaynak edilebilmektedirler. Titanyuma kullanılacağı şartlara göre farklı kaynak işlemleri uygulanabilir. Kimya ve petrol sektöründe kullanılacak basınçlı kap ve aparatların üretiminde TIG kaynağı, daha kalın iş parçalarının üretiminde ise plazma kaynağı uygulanması uygun olacaktır. Uzay ve havacılık endüstrisinde ise genellikle elektrik ışın kaynağı ve lazer kaynağı tercih edilmektedir. Şekil 2.12’de titanyuma uygulanan kaynak yöntemleri gösterilmiştir. Şekil 2.12. Uygulanabilir birleştirme yöntemleri Alaşımsız titanyumlar ve tüm titanyum alaşımları kaynak edilebilirler. Alaşımsız haldeki saf titanyumun tavlanmış ve soğuk işlemden geçmiş titanyumlara göre kaynak kabiliyeti daha yüksektir.  alaşımlarından Ti-5Al-5Sn-5Zr, Ti-5Al-20Sn, Ti-6Al-2Cb-1Ta-1Mo, Ti-8Al-1Mo-1V ve Ti-7Al-12Zr daima tavlanmış şekilde kaynak edilmelidir. En bilinen Ti6Al4V formülüne sahip - alaşımı ve az miktarda  kararlılaştırılmış alaşımlar da kaynak işlemine uygundur. Fakat içeriğindeki kararlaştırılmış  fazı arttıkça kaynak 21 işlemi sırasında malzemenin gevrekleştiği gözlemlenmektedir. Bu gevrekleşmeyi önlemek için kaynaklı malzemeye yaşlandırma sertleşmesi uygulanabilir. Yaşlandırma işleminin uygulanmadığı kaynaklı malzemeler istenmeyen oranda gevrek hale gelebilirler. Bu nedenle Ti6Al4V alaşımı tavlanmış halde veya eriyik işlem ve yaşlandırma yapılarak kaynak edilir. Çizelge 2.6’da bazı titanyum alaşımlarının kaynak edilebilirlikleri gösterilmiştir. Çizelge 2.6. Bazı titanyum alaşımlarının kaynak edilebilirlikleri (Kahraman, 2007) Alaşım Türü Alaşım Sembolü Kaynak Edilebilirlik Ticari Saflıktaki - Çok iyi Titanyum Ti-0,2Pd Çok iyi α Alaşımları Ti-5Al-2,5Sn İyi Ti-5Al-2,5Sn-ELI Çok iyi Ti-8Al-1Mo-1V Çok iyi α'ya yakın Ti Ti-66Al-2Cb-1Ta-0,8Mo Çok iyi Alaşımları Ti-6Al-4Zr-2Mo-2Sn İyi Ti-6Al-4V İyi Ti-6Al-4V-ELI Çok iyi α+β Ti Alaşımları Ti-7Al-4Mo Özel uygulamalar için sınırlandırılmış Ti-6Al-4V-2Sn Özel uygulamalar için sınırlandırılmış Ti-8Mn Kaynak yapılması önerilmez β Alaşımları T, -13V-11Cr-3Al İyi Titanyum ve titanyum alaşımlarının gazlara olan ilgisi farklı kaynak türlerinin uygulanmasına engel olurken, uygulama esnasında bazı ek önlemler alınmasını da gerektirir. Kullanılan Argon veya Helyum koruyucu gazları yüksek saflığa sahip olmalıdırlar. Reaktif yapısından dolayı oksiasetilen (gaz) kaynağının yapılması mümkün değildir. Titanyum alaşımlarının yüksek sıcaklıkta havada bulunan gazları bünyesine almasından dolayı yapısında bir miktar gevrekleşme meydana gelmektedir. Bu yüzden kaynak işleminin koruyucu gaz altında yapılması daha uygun olacaktır. Küçük ve orta hacimli kaynak uygulamaları çevrenin kontrol altında olduğu ortamlarda yapılabilirken daha büyük hacimli kaynaklar ise korucu gaz odalarının kurulması ve bu odalarda sadece 22 kaynak bölgesinin alt ve üst taraftan koruyucu atmosfer altına alınması ile yapılırlar. Bu koruma ortamı, kaynak dikişi ve kaynak bölgesinin sıcaklıklarının 540°C altına düşmesine kadar devam etmektedir. Ana metalin ve ilave metalin kaynak sırasında kirlenmesini önlemek için temiz olması gerekir. Dolayısıyla malzemenin yüzeyindeki kirlerin, kaynak sonrası renklenmelerin ve oksidasyonların temizlenmesi gerekir. Aksi durumda malzeme, ortamdaki gaz ile reaksiyona girecek, kaynak dikişlerinde hatalar belirgin olacak ve bu da malzemenin mekanik özelliklerini bozacak ve kaynak kalitesini olumsuz etkileyecektir. Ayrıca ergimiş halde yüksek sıcaklıkta bulunan titanyum kendi oksitlerini de çözeceğinden, kullanılacak kaynak teli temiz deri eldivenler ile tutulmalıdır. Titanyum alaşımlarında kaynak bölgesi ana malzeme kadar çevre şartlarına ve farklı kimyasal ortamlara dayanıklılık göstermektedir. Fakat kaynak kalitesi düştükçe kaynak bölgesinde de bu durum azalacak ve hatta kaynak dikişi ana malzemeye göre daha az dayanıklı konuma geçecek, daha erken korozyona uğrama durumu ile karşılaşılacaktır. Titanyuma uygulanan kaynak işleminin ardından malzemenin mekanik özellikleri değiştiği bilinmektedir. Kaynak sırasında oluşan iç gerilimleri azaltmak için malzemeye kaynak sonrası gerilim giderme ve rekristalizasyon tavlaması gibi ısıl işlemler uygulanması gerekir. Lazer Kaynağı Uyarılmış radyasyon ile ışığın kuvvetlendirilip yayınımı anlamına gelmektedir. Lazer kaynağı ile kaynak yapılan metallerin birbirine temas eden yüzeylerinin eritilmesi ve bu yüzeylerin soğumaya bırakılmasıyla füzyon işlemi gerçekleşir. İngilizce “Light Amplification by Stimulated Emission of Radition” kelimelerinin baş harfleri kısaltılarak LASER olarak kullanılan kelime dilimizde de lazer olarak kullanılmaktadır. Lazer uyarılmış radyasyon ile ışığın kuvvetlendirilip yayınımını ifade eder. (Arslan, 2020) Lazer kaynağı yapılmış malzeme esas itibariyle üç ana bölümden meydana gelmektedir: İlki ana malzeme olarak belirtilen kaynak yapılan malzemenin kendisidir ve bu 23 malzemede herhangi bir yapısal değişiklik olmamaktadır. İkinci alan ise füzyon alanı olarak belirtilen erimiş metalin (kaynak dikişinin) olduğu alandır ve son olarak bu iki alan arasında kalan, ısıdan etkilenmiş bölge yer almaktadır. Bu bölge ısı tesiri altında kalan bölge (ITAB) olarak adlandırılır. Şekil 2.13’te lazer kaynağının şematik gösterimi ve Şekil 2.14’te kaynaktan etkilenen metalik bölgeler gösterilmektedir. Şekil 2.13. Lazer kaynağının şematik gösterimi ve kaynaktan etkilenen metalik bölgeler (Yavuz, 2005) Şekil 2.14. Lazer ile kaynak işlemi sırasında oluşan bölgeler (Akman, 2006) 24 Nd: YAG Lazeri Katı hal lazerleri içinde en yaygın kullanılan lazer Nd-YAG lazeridir. Ana kristal olarak Y3Al5O12 (YAG, Yttrium Aliminyum Garnet) kullanılır. Sürekli veya yarı atımlı çalışan bu lazer hem lamba hem de AlGaAs yarı iletken lazerleriyle pompalanabilirler. Nd-YAG lazerlerde çubuk şeklindeki kristalin baş ve son kısımları yansımayı giderecek mat bir madde ile kaplanarak yansımanın önlenmesi sağlanır. Kaplanmış bu kristal metal bir kap içerisine monte edilerek bu kap üzerine kullanılacak yönteme uygun seçilen flaş lambalar ile yansıtıcı aynalar yerleştirilir. Şekil 2.15.’te bir Nd-YAG lazer sisteminin bileşenleri gösterilmektedir. Şekil 2.15. Nd-YAG lazer sisteminin bileşenleri (Akman, 2006) 25 2.6. Titanyum ve Alaşımlarına Uygulanan Isıl İşlemler Titanyum ve alaşımlarına gerilim giderme, tavlama, çözeltiye alma ve yaşlandırma ısıl işlemleri uygulanır. Titanyum ve alaşımlarına uygulanan ısıl işlemlerde genel olarak, gerilim giderme işlemi ile parçanın üretimi sırasında oluşan iç gerilmelerin önlenmesi, tavlama işlemi ile malzemenin yapısal ve boyutsal kararlılığının sağlanması ve talaş kaldırmaya uygunluk gibi önemli parametrelerinin optimizasyonu sağlanırken, çözeltiye alma ve yaşlandırma işlemleri ile parçanın mukavemetinin artırılması amaçlanmaktadır. Parçalara uygulanan tavlama, çözeltiye alma ve gerilim giderme ısıl işlemleri ile malzemenin korozyon direncini arttırmak ve yapı içinde oluşacak çarpılmaları önlemek mümkün olacağı gibi parçanın şekillendirme öncesinde beklenen duruma getirilmesi de sağlanır. Titanyum ve alaşımlarına uygulanan ısıl işlemler ile malzemenin kırılma dayanımının, kırılma sünekliğinin ve yüksek sıcaklık ortamında sürünme özelliklerinin iyileştirilmesi de mümkündür. Çizelge 2.7’de titanyuma uygulanan ısıl işlem türleri verilmiştir. Çizelge 2.7. Titanyum tipik ısıl işlem değerleri (Kıral, 2012) 26 3. MATERYAL ve YÖNTEM 3.1. Kullanılan Materyaller Bu tez çalışmasında endüstride uzay ve havacılık sanayi başta olmak üzere, medikal ve kimyasal sektörlerde çok geniş kullanım alanına sahip, Ti6Al4V kimyasal formüllü, Grade 5 olarak sınıflandırılan titanyum sac malzeme kullanılmıştır. Kullanılan Grade 5 titanyum malzemenin kimyasal bileşimi Çizelge 3.1’de, fiziksel ve mekanik özellikleri Çizelge 3.2’de verilmiştir. 1 mm kalınlığında, 13 x 32,5 mm ölçülerinde Tİ6AL4V alaşımlı titanyum sac malzeme NG-YAG lazer kaynağında birleştirilerek deneylerde kullanılmak üzere hazırlanmıştır. Malzemeye farklı ısıl işlem uygulanarak bu değişken parametreler altında, çekme ve sertlik deneyleri ile parçanın mekanik özellikleri incelenecektir. Çizelge 3.1. Grade 5 Titanyumun fiziksel ve mekanik özellikleri (Anonim, 2022) 27 3.2. Kaynak Prosesi Literatür incelendiğinde kaynak çeşitleri arasından lazer kaynak yönteminin diğer yöntemlere kıyasla daha sağlam olduğu ve kaynak nüfuziyenin yüksek oranda sağlandığı görülmüştür. (Akman 2006, Kıral 2012). Lazer kaynak işleminde nüfuziyetin uygun oranda karşılanabilmesi için çift taraflı kaynak yapılmıştır. İlgili deney parçalarının kaynak prosesi Şekil 3.1.’de görülen Sısma SWA 300 Nd: YAG lazer kaynak makinesi ile yapılmıştır. Çizelge 3.2.’de Sısma SWA 300 Nd: YAG lazer kaynak makinesine ait teknik özellikler belirtilmiştir. Şekil 3.1. Nd-YAG lazer kaynak makinesi 28 Çizelge 3.2. SWA 300 ND: Yag lazer kaynak makinesinin teknik özellikleri (Xeu ve ark., 2019) Lazer kaynak için belirlenen makine parametreleri Çizelge 3.3.’te gösterilmiştir. (Sevinç, 2019). Çizelge 3.3. Lazer kaynak parametreleri (Sevinç, 2019) Kaynak işlemi sırasında havanın kaynak bölgesine girmesini engellemek ve kaynak dikişiyle kaynak bölgesinin havanın olumsuz etkilerinden önlenmesini sağlamak 29 amacıyla koruyucu gaz olarak yüksek saflıkta argon gazı kullanılmıştır.120 barda, 10 lt/dk ile yüksek saflıkta argon gazı otuz derecelik açı ile kaynak bölgesine verilmiştir. 3.3. Malzemelere Isıl İşlem Uygulanması Deneysel çalışmada 1 mm kalınlığında, orta yerinden kaynak ile birleştirilmiş, 13 x 32,5 mm ölçülerinde parçalar kullanılmıştır. Parçalar Uludağ Üniversitesi malzeme laboratuvarında bulunan, 75 litre hacimli, 1200 Cº’ye kadar ısıtma yapabilen Nevola marka fırında ısıtılmıştır. Fırın görselleri Şekil 3.2.’de verilmiştir. Şekil 3.2. Isıl işlem fırını Altı farklı gruba ayrılan parçalardan ilki oda sıcaklığında hiçbir ısıl işlem görmeden ayrılmış olup diğer parçalara Çizelge 3.4.’te belirtilen ısıl işlemler uygulanmıştır. 30 Çizelge 3.4. Numunelere uygulanan ısıl işlem prosesleri 3.4. Yapılan Testler ve Analizler Farklı ısıl işlemler uygulanmış malzeme üzerinde meydana gelen değişiklikleri inceleyebilmek ve yorumlayabilmek üzere parçalara çekme ve sertlik testleri uygulanmıştır. Bu testler ile parçaların farklı ısıl işlemler altında mekanik özellikleri incelenmiştir. 31 3.4.1 Çekme Testi Malzemenin mekanik özelliklerini belirlemek için kullanılan testlerden birisi de çekme testidir. Çekme testi ile statik yük altındaki malzemenin elastik ve plastik özellikleri incelenir. Çekme testi sonucu elde edilen değerler mühendislik hesaplarında direkt olarak kullanılabilir. Çekme deneyinde, kullanılacak malzemenin boyutları daha önceden belirlenen standartlara göre daire veya dikdörtgen olarak numune hazırlanır. Çekme testi için standartlara göre oluşturulmuş deney numunesi, cihazın aşağı ve yukarı doğru hareket edebilen çenelerine bağlanır. Sabit hızda hareket eden çenelerden biri deney parçasına değişken çekme kuvveti uygulamış olur. Uygulanan bu çekme kuvvetine karşılık gelen uzama kaydedilerek gerilme-uzama grafiği elde edilir. Çekme deneyi ile malzemeye ait akma değeri, elastik modülü, kopma dayanımı, kopma uzaması, kopma büzülmesi, tokluk gibi malzemeye spesifik değerler elde edilir. Yapılacak çekme testi için altı gruba ayrılmış iş parçalarının her birinden üçer adet olmak üzere toplam on sekiz adet çekme numunesi hazırlanmıştır. Numuneler ASTM E8 standartlarına uygun olarak Şekil 3.3.’teki ölçüler referans alınarak oluşturulmuştur. Şekil 3.3. Çekme testi çubuğu için ASTM E8 standartları 32 Deneyde kullanılacak numuneler Şekil 3.4.’te görseli bulunan SODICK AG600L markalı telerozyon tezgahında, telerozyon yöntemi ile kesilmiştir. Kesilen numuneler Şekil 3.5.’te gösterilmiştir. Şekil 3.4. Telerozyon tezgâhı 33 Şekil 3.5. Çekme testi numunelerinin görüntüsü Çekme sırasında oluşabilecek salınım değerlerini mimimumda tutabilmek amacıyla, her ısıl işlem parametresine sahip parçadan üçer adet numune test edilmiştir. Çekme testi Şekil 3.6’da görseli verilen Zwick Roell Z250 markalı 250 kN kapasiteye sahip test cihazında 5 mm/dk hızında yapılmıştır. Deney sırasında kuvvet ve uzama değerleri çekme cihazından bilgisayara otomatik aktarılarak veriler elde edilmiştir. Deney sonucunda kopan test parçaları ise Şekil 3.7.’de verilmiştir. 34 Şekil 3.6. Zwick Roell Z250 markalı çekme testi makinesi 35 Şekil 3.7. Çekme testinde kopan numuneler 3.4.2 Vicker’s Sertlik Testi Vicker’s sertlik testi 1921 yılında İngiltere’de Vicker’s Ltd tarfından diğer sertlik testlerine alternatif olarak geliştirilmiştir. Uygulanışı diğer sertlik ölçme yöntemlerine kıyasla zaman alsa da oldukça duyarlı bir sertlik ölçme yöntemi olduğundan, özellikle araştırmalar için sertliklerin ölçülmesinde başvurulan bir yöntemdir. Vicker’s deneyi ile 36 5HV sertlik derecesine sahip yumuşak malzemelerden 1500 HV sertlik derecesine sahip sert malzemelere kadar farklı birçok malzemenin sertliği ölçülebilir. Bu yöntem ile sertliği ölçülecek metal parçasının üzerine, tabanı kare olan 136° tepe açılı piramit şeklinde bir uç belirli bir yük altında batırılır ve yük kaldırıldıktan sonra meydana gelen izin köşegen uzunlukları ölçülür. Meydana gelen izin tabanı, köşegeni d olan, 136° tepe açılı kare bir piramittir. Kg olarak ifade edilen deney yükünün mm2 olarak belirtilen iz alanına bölünmesi sonucunda Vicker’s sertlik değeri bulunur. Şekil 3.8. Vicker’s sertlik testi ekipmanı ve formulasyonu 37 Vicker’s sertlik deneyi ASTM E-92-72, B.S. 427, DIN 50133 ve TS 207 standartlarında tanımlanır. Elmas piramit sertlik deneyi anlamına gelen DPH veya HV ile sembolize edilmiştir. Testin şematik gösterimi Şekil 3.8.’de verilmiştir. Vicker’s sertlik değeri, sembolün yanında uygulanan yükü gösteren sayısal değer ve yükün uygulama süresini belirten ikinci sayısal değer ilave edilerek gösterilir. Örneğin, 306/30/15 ifadesi, 15 saniye uygulanan, 30 kg yük altında ölçülen 306 Vicker’s değerini belirtmektedir. Bu tez çalışmasında Şekil 3.9.’da görüldüğü gibi lazer kaynağı ile birleştirilmiş ve çeşitli ısıl işlemler uygulanmış altı adet sac parçadan kaynak dikişi ortada kalacak şekilde 10 mm eninde ve 40 mm uzunluğunda test numuneleri hazırlanmıştır. Şekil 3.9. Vicker’s sertlik testi için numuneler 38 Numuneler 4 mm çapında bakalite alınarak sertlik testleri yapılmıştır. Numunelerin yüzey parlatma, bakalite alma gibi sertlik testine hazırlama işlemleri ve sertlik testi Şekil 3.10. ve Şekil 3.11.’de görselleri bulunan ekipmanlar ile gerçekleştirilmiştir. Sertlik deneyi Zwick Roell marka cihaz ile, 10 saniye boyunca 1 kg yük ile malzeme üzerinde tahribat bırakarak ölçüm yapılmıştır. Bunun sonucunda kaynak bölgesi, kaynaktan etkilenen bölge (ITAB) ve parçanın genelinde çıkan sertlik sonuçları değerlendirilmiştir. Şekil 3.10. Ultra Vilibo bakalitleme cihazı 39 Şekil 3.11 Vicker’s sertlik ölçüm cihazı 40 4. BULGULAR 4.1. Çekme Test Sonuçları ve Değerlendirmeler Farklı ısıl işlemlerin uygulandığı lazer kaynaklı Ti6Al4V alaşımının 6 parametre grubunun her birinden üçer adet çekme numunesi alınmıştır. Bu numunelere 1 N ön yük uygulanarak 5 mm/dk hız ile çekme testi uygulanmıştır. Çekme deneyi sonucunda her bir parametre grubu için (S1,S2, S3, S4, S5, S6) ortalama maksimum çekme kuvveti ve ortalama uzama miktarlarına ulaşılmıştır. Örneğin S1 parametre grubundaki 3 numunenin maksimum çekme kuvvetleri 8260 N, 8390 N ve 9500 N olarak gerçekleşmiştir. Bu 3 değerin ortalaması olan 8717 N, S1 parametre grubunun ortalama “maksimum çekme kuvveti” olarak hesaplanmıştır Aynı şekilde 3 numunenin uzama miktarları da 0,92, 0,95 ve 1,96 mm olarak ölçülmüştür. Bu 3 değerin ortalaması olan 1,28 değeri de S1 parametre grubunun ortalama “uzama miktarı” olarak bulunmuştur. Aynı şekilde S1 parametre grubu için ortalama “uzama oranı” değerleri hesaplanmıştır. Aynı işlem S1-S6 arasındaki 6 parametre grubu için de yapılmıştır. Değerler Çizelge 4.1.’de, her parametre grubu için maksimum çekme değeri-uzama grafikleri ise Şekil 4.1.’de verilmiştir. Çizelge 4.1. Parametre grupları çekme deneyi sonuçları Parametre F-max Uzama Uygulanan İşlem Uzama (mm) Grubu (N) Oranı (%) S1 İşlem Görmemiş Plaka 8717 1,28 2,55% S2 600°C 'de 30 dakika ısıtılmış, hava ortamında soğumuş 10147 1,54 3,09% 600°C 'de 30 dakika ısıtılmış, hava ortamında soğumuş, S3 7517 1,06 2,11% 900°C 'de tekrar 30 dakika ısıtılmış su ortamında soğumuş. 600°C 'de 30 dakika ısıtılmış, hava ortamında soğumuş, S4 900°C 'de tekrar 30 dakika ısıtılmış su ortamında soğumuş, 10967 1,33 2,67% 600°C 'de 60 dakika ısıtılmış, hava ortamında soğumuş. 600°C 'de 30 dakika ısıtılmış, hava ortamında soğumuş, S5 900°C 'de tekrar 30 dakika ısıtılmış su ortamında soğumuş, 11997 1,66 3,33% 500°C 'de 60 dakika ısıtılmış, hava ortamında soğumuş. 600°C 'de 30 dakika ısıtılmış, hava ortamında soğumuş, S6 900°C 'de tekrar 30 dakika ısıtılmış su ortamında soğumuş, 12233 1,69 3,37% 400°C 'de 60 dakika ısıtılmış, hava ortamında soğumuş. 41 Şekil 4.1. Parametre grupları çekme deneyi sonuçları (Maksimum çekme kuvveti ve uzama miktarları) Şekil 4.2. Parametre grupları çekme deneyi sonuçları (Parametre gruplarının maksimum çekme kuvvetleri ve uzama miktarları) 42 Şekil 4.2’de görüleceği üzere, farklı ısıl işlem parametreleri kullanılarak elde edilen test numunelerinden en yüksek çekme mukavemetine yaşlandırma ısıl işlemi görmüş parçaların ulaştığı gözlemlenmiştir (S4, S5, S6). Bunlar içerisinde de özellikle 400°C - 500 °C aralığında 400°C’ye yakın noktalarda en iyi mukavemet sonucuna ulaşıldığı gözlemlenmiştir. Gerilim giderme tavlamasının ardından su verme işlemi uygulanan üç numaralı numunenin (S3) gevrekleştiği ve en düşük çekme değerine sahip olduğu görülmektedir. Aynı zamanda bu parçanın en yüksek sertlik değerine sahip olduğu göz önüne alınırsa malzemenin sertlik değeriyle kırılganlığının ve gevrekliğinin de orantılı bir şekilde arttığı görülmektedir. Tüm işlemler sonucunda çekme testi uygulanan tüm deney parçalarının kaynak dikişinden koptuğu gözlemlenmiştir. Bu şekilde kopmanın sebebi kaynak nüfuziyetinin parça et kalınlığı boyunca sağlanamaması olarak yorumlanmıştır. 4.2. Sertlik Test Sonuçları ve Değerlendirmeler Farklı ısıl işlemlerin uygulandığı lazer kaynaklı Ti6Al4V alaşımında, kaynak, ITAB ve ana malzeme üzerinde sertlik değişimini belirlemek amacıyla altı adet iş parçasından 3’er adet numune alınarak sertlik testi uygulanmıştır. Sertlik ölçümlerine kaynak bölgesinden başlanmıştır. Ardından Şekil 4.3’te görüldüğü üzere 0,5mm ilerleyerek ısı tesiri altında kalan bölgeye ve 0,5 mm ilerleyerek ana metale doğru ölçümler alınmıştır. Şekil 4.3. Sertlik ölçümü alınan noktalar 43 Ölçüm sonucu Çizelge 4.2 ve Şekil 4.4.’te gösterilmiştir. Grafik incelendiğinde grade 5 titanyum için nominal sertlik değeri 349 HV’dir. En yüksek sertlik değerine ise S3 numaraları numune parçasının sahip olduğu görülmektedir. Bu değerleri sırasıyla S6, S5, S4, S1 ve en yumuşak sertliğe sahip olan S2 numaralı numuneler takip etmektedir. Test sonucu tüm numunelere bakıldığında en yüksek sertlik değerlerinin kaynak çekirdeğinde olduğu görülürken bu değerleri sırasıyla ITAB ve ana metal bölgeleri takip etmektedir. Test sonucunda uygulanan farklı ısıl işlemlerin kaynak etkisiyle artan sertlik değerini düşürdüğü gözlemlenmiştir. Kaynak sonrası gerilim gidermesi uygulanan S2 numaralı numunenin en yumuşak sertlik değerine sahip olması bu durumu desteklemektedir. S3 numaralı numuneye gerilim giderme işleminin ardından su verme işlemi uygulanmış ve malzemenin iç yapısı değişmekle birlikte malzeme bir miktar tokluk kazanmıştır. Fakat bu işlem sonucunda malzeme çokça kırılgan bir hal alıp en yüksek sertlik değerine ulaşmıştır. Gerilim giderme tavlamasının ardından sırasıyla 600 °C, 500°C ve 400°C’ye ısıtılarak yaşlandırma işlemi uygulanan S4, S5 ve S6 numaralı numunelerin sertlik değerlerinin yaşlandırma sıcaklığı ile ters orantılı değiştiği görülmektedir. Bu değerler, maksimum çekme kuvvetleri ile de karşılaştırıldığında, anlamlı şekilde sertlik ile çekme mukavemeti ters orantılı şekilde değişmektedir. Sadece yaşlandırma prosesine giren grupların sertliği bir miktar yüksek kalmaya devam etmektedir. Bu da yaşlandırma prosesi ile malzemenin iç yapısının değişmesi ile açıklanabilir. 44 Çizelge 4.2. Numunelere uygulanan işlemler ve sertlik ölçüm değerleri Örneklem Uygulanan İşlem Kaynak 0,5 mm 1 mm 2 mm 3 mm S1 İşlem Görmemiş Plaka 349 325 327 327 321 S2 600°C 'de 30 dakika ısıtılmış, hava ortamında soğumuş 332 321 326 322 322 600°C 'de 30 dakika ısıtılmış, hava ortamında soğumuş, S3 382 373 361 348 349 900°C 'de tekrar 30 dakika ısıtılmış su ortamında soğumuş. 600°C 'de 30 dakika ısıtılmış, hava ortamında soğumuş, S4 900°C 'de tekrar 30 dakika ısıtılmış su ortamında soğumuş, 353 339 321 328 325 600°C 'de 60 dakika ısıtılmış, hava ortamında soğumuş. 600°C 'de 30 dakika ısıtılmış, hava ortamında soğumuş, S5 900°C 'de tekrar 30 dakika ısıtılmış su ortamında soğumuş, 361 353 349 331 338 500°C 'de 60 dakika ısıtılmış, hava ortamında soğumuş. 600°C 'de 30 dakika ısıtılmış, hava ortamında soğumuş, S6 900°C 'de tekrar 30 dakika ısıtılmış su ortamında soğumuş, 368 341 333 335 330 400°C 'de 60 dakika ısıtılmış, hava ortamında soğumuş. Şekil 4.4. Sertlik ölçümü sonuçları grafiği 45 5. TARTIŞMA ve SONUÇ Bu tez çalışmasında 1 mm kalınlığında Ti6Al4V kimyasal formülüne sahip grade 5 titanyum saçlar lazer kaynağı ile birleştirilmiş ardından bu malzemelere farklı sıcaklıklarda ısıl işlemler uygulanmıştır. Kaynak işlemi malzemenin kendisiyle herhangi bir ilave metal kullanılmadan gerçekleşmiştir. Çalışma ile Ti6Al4V alaşımının kaynak işlemine uygunluğu bir kez daha görülmüştür. Diğer yandan kaynak işlemi bilindiği gibi malzemenin yapısında bazı değişikliklere yol açarak malzemenin mekanik özelliklerini değiştirmektedir. Mekanik özellikleri değişen malzemelere ısıl işlem uygulanarak bu değerlerin optimum seviyeleri araştırılmıştır. Farklı ısıl işlem parametrelerinin ardından parçalara çekme ve sertlik deneyleri uygulanmıştır. Gerilim giderme tavlamasıyla beraber su verme ve yaşlandırma ısıl işlemleri uygulanan malzemenin çekme değerinde iyileşmeler görülmüştür. • Çekme testi uygulanan on sekiz adet numunenin tamamı farklı zamanlarda ve farklı değerlerde kaynak dikişinden kopmuştur. Bu şekilde bir kopmanın gerçekleşmesinin sebebi farklı ısıl işlemlerden bağımsız olarak kaynak kalitesiyle ilişkilendirilebilir. Kaynak dikişi boyunca nüfuziyetin homojen olmayışı yani bir bölgede nüfuziyet sağlanmışken aynı kaynak hattı üzerinde başka bir bölgede bu nüfuziyetin sağlanamamış oluşu bu şekilde kaynak dikişinden kopmaya sebep olmuştur. • Bu şekilde kopmanın sebeplerinden birisi kaynak parçalarının kesiminde giyotin kullanılırken parça yüzeylerinin paralelliğinin tam olarak sağlanamamış oluşudur. Kaynak sırasında yüzeylerin tam olarak temasının sağlanmamış oluşu kaynak nüfuziyetini olumsuz olarak etkilemiş ve bu da kaynak kalitesini düşürmüştür. Giyotin ile kesmenin kaçınılmaz olduğu durumlarda ise parçalar özel fikstürler ile sabitlenmiş olmalıdır. Giyotin ile kesme işlemi yerine tel erozyon ya da lazer ile kesme yöntemleri tercih edilerek daha homojen yüzeyler elde edilebilir. Fakat 46 lazer ile kesme sonucunda oluşacak kesme bölgesi ve ITAB’da sertlik değerlerinde bir miktar değişim oluşacağının göz önünde bulundurulması gerekir. • Bu şekilde kopmanın bir diğer sebebi ise lazerde odak mesafesi, ilerleme hızı gibi değerlerin operatör tarafından belirlenmesi sonucunda aynı hat üzerinde farklı değerler oluşturacak kaynak nüfuziyetlerinin oluşmasıdır. Mümküne manuel seçimlerin olmadığı robotik sistemler tercih edilerek daha homojen bir kaynak elde edilmelidir. • Sertlik testi sonucunda numunelere bakıldığında en yüksek sertlik değerlerinin kaynak çekirdeğinde olduğu görülürken bu değerleri sırasıyla ITAB ve ana metal bölgeleri takip etmektedir. Test sonucunda, yaşlandırma ısıl işleminin kaynak etkisiyle artan sertlik değerini düşürdüğü gözlemlenmiştir • Çekme testi sonuçlarına bakıldığında farklı ısıl işlem parametreleri kullanılarak elde edilen test numunelerinden en yüksek çekme mukavemetine yaşlandırma ısıl işlemi görmüş parçaların ulaştığı gözlemlenmiştir. Gerilim giderme tavlamasının ardından su verme işlemi uygulanan S3 numunesinin gevrekleştiği ve en düşük çekme değerine sahip olduğu görülmektedir. Aynı zamanda bu parçanın en yüksek sertlik değerine sahip olduğu göz önüne alınırsa malzemenin sertlik değeriyle kırılganlığının ve gevrekliğinin de orantılı bir şekilde arttığı görülmektedir. Bu daha iyi bir çekme mukavemeti için yaşlandırma işlemiyle prosesin devam etmesi gerekliliğini ortaya koymaktadır. • Çekme testi sonucunda numunelere bakıldığında en yüksek çekme mukavemeti sağlanması için gerilim giderme tavlamasıyla beraber su verme işlemi uygulaması sonrası yaklaşık 400 °C civarlarında yaşlandırma işlemi uygulanmasının optimal sonucu verdiği gözlemlenmiştir. 47 Özellikle havacılık ve uzay sanayisinde sıklıkla kullanılan Ti6Al4V alaşımı yüksek sıcaklık ve gerilmelere maruz kalmaktadır. Bu çalışma ile Ti6Al4V alaşımının kaynak edildikten sonra uygun ısıl işlemlerle mekanik özelliklerinin iyileştirilebileceği görülmüştür. 48 KAYNAKLAR Akman, E. 2006. Ti6Al4V Titanyum Alaşımlarının Atımlı Nd:YAG Lazeri Kullanarak Kaynak Edilmesi ve Kaynak Parametrelerinin Belirlenmesi. Y. Lisans Tezi KÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü, Fizik ABD, Kocaeli Akman, E., Demir, A., Canel, T., Sınmazçelik, T. 2009. Laser Welding Of Ti6Al4V Titanium Alloys, Journal Of Materials Processing Technology; 209:3705-3713 Akyol, S. 2007 Ti6Al4V Titanyum Alaşımlarının İşlenebilirliğinin Isıl İşlem Yardımıyla Arttırılması, Y. Lisans Tezi, İTÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü, Malzeme Mühendisliği ABD, İstanbul Anonim, 2022. Titanium Ti-6Al-4V (Grade 5), Annealed. http://asm.matweb.com/search/SpecificMaterial.asp?bassnum=MTP641 (Erişim tarihi: 15.02.2022) Arslan, Ş. 2020. Ti6Al4V Titanyum Alaşımının Lazer Kaynak Kabiliyeti ve Biyoaktivite Özelliklerinin İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Karabük Üniversitesi, Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, Karabük ASM Metals Handbook, 8. Edition, Volume 7 Atlas of Microstructures of Industrial Alloy, Microstructure of Titanium and Titanium Alloys, 321-352 Balaban, N. 2007. Titanyum ve Alaşımlarının Biyouyumluluklarının İncelenmesi. Y. Lisans Tezi, İTÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü, Malzeme Mühendisliği ABD, İstanbul Britannica, The Editors of Encyclopaedia. "titanium". Encyclopedia Britannica, 22 Oct. 2021, https://www.britannica.com/science/titanium. Accessed 7 January 2022. Chen, Z., George, D., 2017. Springer Handbook of Electrochemical Energy, Springer, Berlin, Heidelberg Choda, T., Oyama, H., Murakami, S. 2015.Technologies for Process Design of Titanium Alloy Forging for Aircraft Parts, Kobelco Technology Review No:33 Feb 2015 Demirel, M., Karaağaç İ., 2021. Titanyum Alaşımlarının Mikroyapı ve Şekillendirilebilirliğine Sıcaklığın Etkileri, Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 9 (2021) 192-207 Ermachenko, A.G., Lutfullin R. Ya., Mulyukov, R. 2011. Advanced technologies of processing titanium alloys and their applications in industry, Rev. Adv. Mater. Sci. 29 (2011) 68-8. 49 Ferro, P., Berto, F., Bonollo F, Romanin, L., Salemi, G. 2020. Post welding heat treatment improving mechanical properties on Ti-6Al-4V, Τhe 1st Mediterranean Conference on Fracture and Structural Integrity, MedFract1 Gökdemir, Y. 2005. Saf Titanyum ve Ti6Al4V Alaşımının Yüksek Sıcaklıkta Oksidasyon Davranışı, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Anabilim Dalı, İstanbul. Güney, M. 2006. Ti6Al4V’nin Tornalanmasında Takım Aşınması ve Yüzey Pürüzlülüğüne Etki Eden Parametrelerin Araştırılması, Yüksek Lisans Tezi, Batman Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Batman. İçdem, C. 2007. Saf Titanyum ve Ti6Al4V, Ti6Al7Nb Alaşımlarının Akışkan Yatak Ortamında Termal Oksidasyonu. Y. Lisans Tezi, İTÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği ABD, İstanbul. İşler, A. 1999. Titanyum Alaşımlarının Isıl İşlem ve Mekanik Özellikleri, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul. Kıral, M. 2012. Titanyumun Kaynak Edilebilirliğinin İncelenmesi. Y. Lisans Tezi, SÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği ABD, Sakarya. Köse, C., Karaca, E. 2019. Nd:YAG lazer kaynağı ile birleştirilen Ti6Al4V alaşımının mikroyapı ve mekanik özelliklerine ısıl işlemlerin etkileri, BAUN Fen Bil. Enst. Dergisi, 21(1), 232-243, (2019) Leyens, C., Peters, M., 2003. Titanium and Titanium Alloys Fundamentals and Applications, 2003 Wiley‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA Nakamura, K., Iida, T., Nakamura, N., Araike, T., 2017. Titanium Sponge Production Method by Kroll Process at OTC, Materials Transactions, Vol. 58, No. 3 (2017) pp. 319 to 321 Special Issue on New Proposals on Titanium Production and Molten Salts Oğuz, B., 1990. Demir Dışı Metallerin Kaynağı. Oerlikon Yayınları, https://www.magmaweld.com.tr/Content/UserFiles/OerlikonKutuphanesi/Demir_disi_m etallerin_kaynagina_giris.pdf Omoniyi, P.O., Akinlabi, E.T., Mahamood, R.M. 2020. Heat Treatments of Ti6Al4V Alloys for Industrial Applications, International Conference on Engineering for Sustainable World (ICESW 2020) Sevinç, S. 2019. Titanyum Alaşımlarının Plastik Şekil Verme Öncesi ve Sonrası Lazer Kaynak İşleminin Mekanik ve Boyutsal Davranışlar Üzerine Etkisi, Yüksek Lisans Tezi, Bursa Uludağ Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Bursa 50 Sezer, S. 2019. Titanyum Alaşımlarının Kaynak Sonrası Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Bursa Uludağ Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Bursa Sıcakyüz, Ö. 2007. Titanyum ve Titanyum Alaşımlarının Anodik Oksidasyon Davranışı ve Karakterizasyonu, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul. Subaşı, M., Karataş Ç.,2012. Titanyum ve Titanyum Alaşımlarından Yapılan İmplantlar Üzerine İnceleme, Politeknik Dergisi, Cilt:15 Sayı: 2 s. 87-103, 2012 Yavuz, H., Çam G. 2005. Lazer – Ark Hibrit Kaynak Yöntemi, Mühendis ve Makina- Cilt: 46 Sayı: 543 51 ÖZGEÇMİŞ Adı Soyadı : Aslıhan Kenar Cesur Doğum Yeri ve Tarihi : Eskişehir, 1989 Yabancı Dil : İngilizce Eğitim Durumu Lise : Eskişehir Fatih Anadolu Lisesi Lisans : Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Makine Mühendisliği Yüksek Lisans : Bursa Uludağ Üniversitesi Otomotiv Mühendisliği Çalıştığı Kurum/Kurumlar : Tofaş Türk Otomobil Fabrikası A.Ş. İletişim (e-posta) : aslihankenar@gmail.com 52