Titanyum, sembolü Ti olan 22 atom numaralı, parlak gümüş gri renkli kimyasal bir elementtir. Titanyum, periyodik tablonun 4. grubunun bir üyesidir. İki adet 4s ve iki adet 3d valans elektronuna sahip olan bir geçiş elementidir. Elektronik konfigürasyonu 1s2 2S2p 6 3s2 p6d2 4s2 şeklindedir [31].
Titanyum yer kabuğunda %0.6 oranla alüminyum, demir ve magnezyumdan sonra en çok bulunan metaldir. Doğada genellikle rutile (TiO2) ya da ilmenit (FeTiO3) formunda bulunan bu element, 1789 da William McGregor tarafından İngiltere’ de oksit formunda keşfedilmiştir [114,115]. %98-99’ luk saf titanyum ilk olarak 1910 yılında Hunter tarafından elde edilmiştir [115].
Titanyum endüstrisinin hızlı büyümesinin sebebi, bu metalin sahip olduğu yüksek spesifik mukavemet ve iyi korozyon direncidir. Çeliğin yaklaşık %55’i kadar yoğunluğa sahip titanyum alaşımları, havacılıkta, hem gövde hem de jet motor bileşenleri de dahil olmak üzere, düşük sıcaklıktan yüksek sıcaklığa kadar ve büyük yükler altında geniş bir uygulama alanı bulmaktadır. Titanyumun korozyon direnci, dengeli, koruyucu bir oksit tabakasının oluşumuna dayanır. Bu pasifleştirici davranış, metali kimyasal işleme ekipmanlarından cerrahi implantlara ve protez cihazlarına kadar bir çok alanda faydalı kılmaktadır [116]. Titanyum metaline ait genel özellikler Tablo 3.8’de verilmiştir.
Tablo 3. 8. Titanyum elementinin özellikleri [113]. Özellik Değeri Atom Numarası 22 Atom Ağırlığı 47,9 Yoğunluğu (gr/cm3) 4,51 Kristal Yapısı <882.5°C SPH >882.5°C HMK Elastisite Modülü (Gpa) 120
Ergime Noktası (oC) 1670
Isıl İletkenlik (Wm-1K-1) 11.4 (oda sıcaklığında) Elektrik İletkenliği %3 (bakıra göre)
3.6.1. Titanyum borürlerin özellikleri
Hekzagonal AlB2 yapısına (boşluk grubu: P6 / mmm) sahip olan birçok geçiş metal diborürleri MB2 (M: geçiş metal atomu), yüksek ergime sıcaklığı, yüksek sertlik, yüksek elektriksel ve termal iletkenlik gibi üstün özelikleri ile birçok farklı uygulamalarda kullanılmaktadır. Örneğin, TiB2 sıklıkla çelik gibi çeşitli kompozit malzemelerde takviye olarak kullanılmıştır. TiB2, çok düşük difüzyon katsayısı nedeniyle çok büyük ölçekli entegre (LSI) devrelerde elektromigrasyonu önleme amaçlı difüzyon bariyerleri uygulamalarında da düşünülmüştür. [117]. Şekil 3.6.’da gösterilen Ti-B ikili faz diyagramına göre, TiB, Ti3B4 ve TiB2’ yi içeren üç borür fazı bulunmaktadır. TiB ve TiB2 intermetalik bileşikler olup yapıları ve ergime mekanizmaları iyi belirlenmiştir. Ti3B4 ise sıvı eriyikten sadece dar bir sıcaklık aralığında oluşan bir fazdır [118].
Şekil 3.4. Ti-B ikili denge diyagramı [108]
Titanyum borürler, yüksek ergime noktası, sertlik, aşınma direnci ve elektrik iletkenliği gibi pek çok avantaja sahiptirler. Titanyum borürlerin potansiyel uygulama alanları, darbe dirençli zırhlar, kesici aletler, aşınmaya dirençli parçalar, tane arındırıcı ve her türlü yüksek sıcaklık yapısal malzemeleri olmak üzere oldukça geniştir. Buna ek olarak, yüksek elektrik iletkenliği titanyum borürlerin elektrik boşaltma işleminde kullanılmasını sağlar. Bu nedenle son yıllarda bu borürler üzerinde daha fazla deneysel ve teorik araştırmalar yapılmaya başlanmıştır [43].
3.6.2. Titanyum borürler ile ilgili araştırmalar
Wang ve ark. (2008), in-situ TiC-TiB2 partikülleri ile güçlendirilmiş çelik matris kompozit kaplamaları, bağlayıcı malzemeler olarak farklı kütle oranlarında Fe ve Ti+B4C tozları ile argon ark kaynak tekniği kullanarak üretmişler ve üretilen kaplamaların mikroyapı, mikro sertlik ve aşınma özelliklerini incelemişlerdir. Yapılan incelemeler sonucunda, kaplamada bulunan ana fazların TiC, TiB2 ve -Fe olduğunu ve kompozit kaplama ile alt tabaka arasında mükemmel metalurjik bağ oluştuğunu tespit etmişlerdir. Ayrıca, kaplamanın üniform, sürekli ve hemen hemen kusursuz olduğu, takviye parçacıkların üretilen kaplamada dağıtılmış bir şekilde yayıldığını
gözlemlemişlerdir. Kaplama içerisinde dağılmış durumda olan TiC+TiB2 içeriğinin artmasıyla, normal atmosfer koşullarında ve oda sıcaklığında kaplamanın mikro sertlik ve aşınma direncinin geliştiğini belirlemişlerdir [44].
Yılmaz ve ark. (2009) yapmış oldukları çalışmada, AISI 4340 çelik altlık üzerinde gaz tungsten ark (GTA) kaynağı ile Fe-Ti, Fe-Cr, Fe-W, Fe-B alaşımları ve B2O3 tozları kullanarak, in-situ sentezlenmiş TiB2 takviyeli Fe esaslı kaplamalar imal etmişler ve işlem parametrelerin kaplama üzerindeki etkilerini deneysel olarak araştırmışlardır. Yapılan incelemelerde, kaplama yüzeyinde ferrit () fazında primer dendritler ve kompleks TiB2, Fe2B borürleri tespit edilmiş ve kaplanmış yüzeyin veya arayüz mikroyapılarının özellikle bor ve titanyum konsantrasyonunun dağılımı ile oluştuğu gözlemlenmiştir. Elde edilen kaplamalarda yapılan sertlik ölçümleri sonucunda Fe2B fazının sertlik değerleri 1100-1700 HV arasında, TiB2 fazının sertlik değerleri 2300-3300 HV arasında tespit edilmiş ve kaplama yüzeyine ait sertlik ölçümleri sonucunda 44,1-53,7 arasında HRc sertlik değerlerine ulaşılmıştır. FeW-FeCr-B2O3-Al-FeTi karışımı ile üretilen kaplama numunesinde en yüksek sertlik değeri ve en düşük aşınma direnci elde edilmiştir [119].
Darabara ve ark. (2009), plazma transfer ark (PTA) kaynak tekniği kullanarak düz bir çelik yüzeyine Fe2B-TiB2 takviyeli metal matrisli kompozit (MMC) sert yüzey tabakası elde etmişlerdir. Bu işlem için bor içeriği arttırılarak beş farklı toz bileşimi elde edilmiş ve sert yüzey alaşım tabakaları bu tozlardan üretilmiştir. Üretilen sert yüzey alaşım tabakalarının mikroyapıları incelenmiş, faz analizleri yapılmış ve sertlikleri ölçülmüştür. Sonuç olarak bor içeriğinin arttırılması, sert demir borür parçacıklarının, Fe2B’nin varlığına bağlı olarak, mikro sertlikte bir artışa neden olduğu tespit edilmiştir [120].
BÖLÜM 4. DENEYSEL ÇALIŞMALAR
4.1. Giriş
Bu çalışmanın amacı, TIG kaynak yöntemiyle düşük karbon oranına sahip çelik yüzeylerin üzerine, sert borür fazları oluşturmak suretiyle, sert yüzey alaşım tabakalarının oluşturulmasıdır. Bu amaçla farklı bileşimlerde ve oranlarda elde edilen Fe-M-B (M: Nb, V ve Ti) esaslı sert yüzey alaşım tabakalarının; mikro yapı özellikleri, faz analizleri, sertlikleri ve aşınma özellikleri, optik mikroskop, mikro sertlik cihazı, x-ışınları difraktometresi, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve ball-on-disk aşınma cihazları kullanılarak incelenmiştir. Deneysel çalışmalarda altlık malzeme SAE 1320 olacak şekilde seçilmiş ve benzer şartlarda, farklı oranlarda hazırlanan Fe-B, Fe-Nb-B, Fe-V-Fe-Nb-B, Fe-Ti-B esaslı tozlarla sert yüzey alaşım tabakaları oluşturularak; çelik özellikleri üzerine etkileri araştırılmıştır.