Titanyum ve Titanyum Alaşımları

Titanyum ve Titanyum
Alaşımları
Prof. Dr. Ramazan YILMAZ
Yrd. Doç. Dr. Zafer BARLAS
Titanyum
Kimyasal Özellikleri







Simgesi : Ti
4B grubu Geçiş Metali
4. Periyotta yer alır
Atomik yarıçap: 2Å
Kristal yapısı: HSP
Atom numarası: 22
Atom ağırlığı: 47.87 g/mol
Fiziksel-Mekanik Özellikleri
•
•
•
•
•
•
Yoğunluğu :4.51 g/cm3
Ergime noktası : 1660 °C
Kaynama noktası: 3287 °C
Buharlaşma ısısı: 421 kJ/mol
Isıl kapasitesi: 0.52 J/g·K
Elektrik iletkenliği: 0.0234×106
1/ohm.cm
• Isı iletkenliği : 0.219 W/cm K
• Özgül ısı: 0.520 J g-1 K-1
Titanyum
Gümüşi beyaz, parlak bir elementtir.
Metalik halde kuvarsı çizecek kadar serttir.
Yerkabuğunda en çok bulunan altıncı 6. elementtir.
Titanyumun Tarihçesi
Titanyum nispeten metalürji için yeni bir metal sayılabilir.
Düşük saflıktaki formu 1825’de üretilmiş, fakat makul
saflıktaki Ti metalinin üretimi 1910’a kadar varmıştır.
Titanyum, 2. Dünya Savaşı’na kadar nadir metal olarak
kalmıştır.
Günümüzde bile titanyumun saflaştırılması zordur.
Ancak, Ti alaşımlarının yüksek mukavemet/ağırlık oranı
ve mükemmel korozyon direnci özellikleri, mühendisler
için zorlayıcı bir ilgiye neden olmaktadır ki jet motorları
ve askeri havacılıkta kullanımlar için büyük çapta
üretimler 1950’lerde başlamıştır.
Titanyumun Tarihçesi
 Sonrasında gemi pervaneleri, denizaltı gövdeleri, cerrahi
implantlar ve petrol sondajlarında delme boruları gibi diğer
uygulamalar bunları takip etmiştir.
 Günümüzde dünyanın Ti metali talebi 75.000 ton/yıl olup,
ekstraktif ve üretim maliyetlerinin yüksek oluşu titanyumun
daha fazla kullanımının önündeki en büyük engeldir.
 TiO2 boya, polimer ve kağıtlarda beyaz pigment olarak kullanılır
ve Ti metali kullanımından daha fazladır (4.5 M/ton).
Titanyumun Tarihçesi
Bazen metallerin “prima donna”sı olarak da adlandırılan
Ti, olağanüstü mühendislik verimliliği göstermektedir.
Bununla birlikte, saflaştırılması ve kullanımı çok reaktif
bir element olmasından dolayı zordur.
On yıllardır Kroll Prosesinde, Ti cevheri (TiO2 ve TiFeO3)
TiCl4’e dönüştürülür ve indirgenme işlemi Mg ile
gerçekleştirilmektedir.
Daha yeni bir proses olan eriyik CaCl2 elektrolitik
yöntemi (Cambridge Prosesi), titanyumun
indirgenmesinde kolaylık sağlaması ve üretim
maliyetlerinin azaltılması açısından umut verici bir
yöntem olarak karşımıza çıkmaktadır.
Titanyumun Tarihçesi
Sıvı titanyum çok reaktif olduğu için bütün
refrakterleri çözer.
Ergitme işlemi, ya soğuk kalıpta ark ergitmesi
şeklinde veya sıvı titanyumun soğukta bekletilmesi ve
katı-titanyum metal kabuk oluşumu şeklinde (skull
proses) yapılmalıdır.
Titanyum atmosfer ortamında ergitilemez, çünkü
yangın riskinin yanı sıra, O ve N absorbsiyonu (metal
sertleşip, gevrekleşir) söz konusudur.
Titanyumun Tarihçesi
Sonuç olarak, titanyumun bütün ergitme işlemlerinin
vakum veya koruyucu atmosfer altında
gerçekleştirilmesi gerekmektedir.
Yüksek oranda süneklik elde etmek ve inklüzyon
içeriğini en aza indirmek için Ti genellikle iki aşamalı
vakum ergitme işlemine alınır:
Öncelikle, sünger ve diğer hammadde metalleri
birleştirilir (sağlamlaştırılır) ve artık tuz ve bazı arayer
O ve N uzaklaştırılır.
İkincide ise, O ve N içeriği azaltılır ki böylece peletin
daha homojen olması sağlanır.
Titanyumun Tarihçesi
Çok daha yüksek süneklik için ise üç basamaklı
saflaştırma işlemi uygulanmaktadır.
1990’ların sonunda, inklüzyon içeriğini mükemmel
seviyede kontrol altına almak için, plazma ark ergitme
ve elektron ışın soğuk ocak ergitme yöntemleri
geleneksel ark ergitme yöntemleriyle rekabet edebilir
hale gelmiştir.
Titanyumun Tarihçesi
Titanyum ingotlar üretildikten sonra, metalin sahip
olduğu yüksek reaktivite, sıcak işlem, öğütme,
birleştirme, talaşlı imalat ve döküm işlemleri için bazı
ilave problemlere neden olmaktadır.
Titanyum hava atmosferinde sıcak dövülebilmekte,
sıcak haddelenebilmektedir.
Fakat 500 C’nin üzerindeki sıcaklıklarda, kaydadeğer
kalınlıklarda oksit hadde pul tabakaları birikir ki,
böylece yüzeyde sertlik ve gevreklik meydana gelir, bu
da kırılmalara neden olur.
Titanyumun Tarihçesi
Titanyumun yüksek reaktivitesi bütün birleştirme
tekniklerinin (ergitme kaynakları, katı-hal birleştirme
yöntemleri, sert lehimleme) vakum veya inert
atmosfer altında yapılmasını gerektirmektedir.
İnert gaz koruyuculu kaynak titanyum için
kullanılabilmesine karşın, kaynak kalitesi ergime
bölgesinde O, N ve H2O nedeniyle sıklıkla düşüktür.
Ayrıca gevrekliğe neden olan bu arayer impuritelerinin
yeniden oluşmalarını engellemek için oksit tufalları,
yağ gibi yüzeydeki kirleticiler birleştirme işlemi
öncesinde yüzeyden uzaklaştırılmalıdır.
Titanyumun Tarihçesi
Günümüzde Ti kullanımı, yüksek maliyetinden dolayı
kısıtlıdır.
William Kroll 20.yüzyılın ortalarında TiCl4 indirgenme
prosesini geliştirdiğinde, gelecek 15 yıl içerisinde daha
kolay, daha düşük maliyetli bir indirgenme prosesinin
bu tekniğin yerini alacağını düşünmüştü.
Ancak bütün çabalara rağmen, laboratuvar ortamında
başarılı bir elektrolitik prosese kadar yarım yüzyıldan
fazla zaman geçmiştir.
Eğer başarılı çalışmalar artış gösterip, titanyumun
maliyeti 2/3 oranında azaltılabilirse, Ti paslanmaz
çelikle rekabet edebilecek düzeye gelebilecektir.
Titanyumun Tarihçesi
Ti metalini, TiO2’i erimiş tuz
içerisinde elektrolizle çözmek
için birçok girişim yapılmıştır.
Cambridge Üniversitesi’nde bir
ekip, katı TiO2 peletlerini sıvı
CaCl2 içerisine batırarak farklı bir
yaklaşım ele almıştır.
Elektrik akımı bu peletlerden
oksijeni ayırır, Ti metalini yalnız
bırakır.
TiO2 peletleri, erimiş tuz
içerisinde bir tel üzerinde askıya
alınıp tutulur.
Titanyumun Tarihçesi
TiO2 normalde yalıtkandır, fakat 900 C’de uygulanan
gerilim (3.2 V) altında TiOx’e (x < 2) dönüşür ki, böylece
iyi bir iletken olur.
O iyonlaşır, tuz eriyik içerisinde çözünür, anoda doğru
göç eder ve hücre atmosferinde deşarj olur.
Saf Ti ise katotta toplanır.
Bu proses ayrıca, saf TiO2’in yerine farklı metal
oksitleriyle direk olarak Ti alaşımları üretimine de
imkan tanımaktadır.
Korozyon
Titanyum havaya maruz kaldığında, derhal birkaç nm kalınlığında bir
oksit tabakası oluşur ve bu tabaka, altında kalan metali daha sonraki
oksidasyona karşı korur.
Eğer bu oksit tabakası zarar görürse, eser miktarda (birkaç ppm) O ve
H2O varlığında bile tekrar oluşur.
Oksit tabakası çok güçlü bir şekilde bağlı ve nemin yanı sıra çok geniş
bir pH aralığındaki korozif çözeltilere karşı kararlıdır.
Diğer yandan klor gazı, hidroflorik asit, trikorasetik asit, fosforik asit
içeren ortamlarda kullanılmamalıdır.
Yükselen sıcaklıkla birlikte titanyumun yüzeyindeki koruyucu asit
tabakası parçalanmaya başlar ve kullanılabilirliğini düşürecek seviyede
oksijen, azot ve hidrojen malzeme içerisine nüfuz eder.
Nüfuz eden yabancı maddeler gevrekleşmeye ve çatlak oluşumuna
sebebiyet verir.
Tamamen H2O yokluğuyla birlikte kuvvetli oksitleyici veya indirgen
ortamlar titanyumun ciddi bir şekilde ekzotermik atağa karşılaşmasına
neden olabilir.
Elastisite-Plastisite
Ti alaşımları, çeliklerle rekabet edebilecek kadar yüksek
mukavemetlere sahip olmalarına rağmen, titanyumun elastik
modülü sadece 116 GPa’dır ve bu çeliğinkinden (206 GPa)
oldukça düşüktür.
Bu düşük E, aslında bazı uygulamalarda faydalı olmaktadır. Bu
durum, yüksek mukavemetli Ti alaşımlarının, fevkalade yüksek
rezilyans modülüne sahip olmasına katkı sağlamaktadır.
Titanyum golf sopaları ve tenis
raketleri, topa vurduklarında yüksek
miktarda elastik deformasyon
enerjisi depolayabilmektedirler. Bu
depolanan enerji, topa daha büyük
bir itme sağlamak için çarpışmanın
sonuna doğru serbest bırakılır.
Elastisite-Plastisite
Titanyumun yüksek rezilyans modülü, soğuk
şekillendirme operasyonlarında önemli bir “geri
yaylanma etkisi”ne (springback effect) neden
olmaktadır.
Çünkü metal, şekillendirme yükü kaldırıldığında,
deformasyonun elastik kısmı geri toplanmaktadır.
Ti için kalıplar, geri yaylanmayı karşılamak için, metali
fazla şekillendirecek biçimde ölçülendirilirler.
Ti genellikle geri yaylanma etkisini azaltmak ve
metalde gerilme-giderme için sıcak şekillendirilir.
Elastisite-Plastisite
Saf Ti, HSP metalleri içerisinde en sünek olanlardan birisidir.
Yüksek saflıkta çok kristalli Ti’nin (oksijen içeriği <500 ppm ağır.)
%0.2 ofset akma mukavemeti 140 MPa, çekme mukavemeti 235
MPa ve çekme uzaması %50’dir.
Arayer empurite miktarının artmasıyla mukavemet artarken,
süneklik azalmaktadır.
%0.1’den 0.4’e kadar O içeren Ti yaygın olarak kullanılmaktadır.
Elastisite-Plastisite
Daha yüksek O içeriğiyle beraber ortaya çıkan, düşük
süneklik ve kırılma tokluğu, çoğu uygulama için kabul
edilebilirdir ki, bu durumda daha az saflıktaki metal
kullanımının daha ucuz olduğu unutulmamalıdır.
Birçok metalde görüldüğü gibi, Ti’nin plastisitesi
yüksek sıcaklıklarda artış göstermektedir ve sıcak
haddeleme ve sıcak dövme yaygın olarak uygulanan
üretim metotlarıdır.
Faz Dönüşümleri
HSP Ti (α-Ti), 882 C’de HMK kristal yapıya (β-Ti)
dönüşmektedir.
Bu dönüşüm sıklıkla α+β mikroyapısı oluşumuyla, Ti
alaşımların ısıl işlemle mukavemetleştirilmesi için
kullanılır.
Yeterli miktarda V, Mo gibi alaşım elementi ilavesiyle
HMK fazı, oda sıcaklığında süresiz olarak yarı-kararlı
faz olarak kalabilmektedir.
Faz Dönüşümleri
Yüksek basınçta, üçüncü bir faz olan hegzagonal -Ti
oluşur.
Gevrek -Ti fazının, yarı-kararlı β alaşımlarında düşük
basınç altında oluşumu, Ti’nin ısıl işlemlerinde
problemlere neden olabilir.
Kompozisyonun kontrolü ve dengeleme tavlamalarıyla
(stabilizing anneals)  oluşumu engellenebilir.
Böylece Ti için önemli problemler
oluşmadan ısıl işlem yapılabilir.
Faz Dönüşümleri
Ti eldesi ve üretiminde masraf ve zorlukların
çoğunluğu, metale arayer empuriteleri ilavesinden
kaçınma gerekliliği önlemlerinden kaynaklanmaktadır.
O ve H özellikle sıkıntıları arttırmaktadır.
125 C’nin altında Ti yalnızca atomca %0.1 H çözmekte
iken, 300 C’de çözünürlük atomca %8 H
yükselmektedir.
Bu, kısmen yüksek sıcaklıklarda (örn; kaynak ve ısıl
işlemler sırasında) H’nin toplanması riskine ve
sonrasındaki metal soğumasında gevrekleşmeye
neden olmaktadır.
Titanyum Alaşımları
Titanyum uygulamaları temelde iki anahtar
karakteristiğine dayanmaktadır: mükemmel korozyon
direnci ve özellikle yüksek sıcaklıklarda yüksek
mukavemet/ağırlık oranı…
Fe, Ni, Al esaslı alaşımlarla kıyaslandığında, Ti daha
yüksek ilk maliyete sahiptir ve nihai ürün eldesi daha
pahalıdır.
Al, O, N, C, Sn gibi elementler alfa stabilizatör,
H, Ag, Au, Cr, Fe, V, Mg, Mo gibi elementler ise betastabilizatör alaşım elementleri olarak adlandırılırlar.
Katılan alaşım elementlerine bağlı olarak titanyumun
mekanik, fiziksel ve kimyasal özellikleri de değişir.
Titanyum Alaşımları
Saf Ti
∞Ticari saflıkta titanyum, titanyum tüketiminin önemli
bir kısmını oluşturmaktadır.
∞Saf titanyumun sulu korozyon direnci, titanyum
alaşımlarınınkinden daha iyidir.
∞Özellikle ısı eşanjörleri, tanklar, reaktör kazanları gibi Ti
parçalar daha çok alaşımsız titanyumdan
yapılmaktadır.
Titanyum Alaşımları
Saf Ti
∞Ticari saf titanyumun bazı kaliteleri (grade) sahip
oldukları O (yaklaşık ağırlıkça %0.18-0.4) ve Fe (yaklaşık
ağırlıkça %0.2-0.5) içerikleriyle fark edilmektedirler.
∞Daha yüksek O ve Fe içerikli ticari saflıkta Ti kaliteler,
daha yüksek mukavemet ve daha düşük maliyete,
ancak bir miktar daha az süneklik, kırılma tokluğu ve
korozyon direncine sahiptir.
∞Çok daha yüksek maliyetli, ağır. %0.05-0.2 Pt içeren
ticari saflıkta Ti alaşımları, maksimum aralık korozyonu
direnci için kullanılmaktadır.
Titanyum Alaşımları
α-Ti alaşımları
 Al, Sn veya O gibi alfajen elementlerin ilavesiyle
titanyumun αβ dönüşüm sıcaklığı artar ve katıçözelti sertleşmesiyle beraber mukavemet artış
gösterir.
 Al pahalı olmayan, düşük yoğunluğa sahip, alaşımın
sünekliğini arayer alfajen elementlerden daha fazla
sürdüren ve yüksek sıcaklıklarda oksidasyon direncini
geliştiren bir elementtir.
Titanyum Alaşımları
α-Ti alaşımları
 Gevrek Ti3Al intermetalik oluşumuna bağlı süneklikte
keskin bir düşüşe neden olabilmesinden dolayı, Al
ilavesinin %6-8’den daha fazla olmasından genellikle
kaçınılmaktadır.
 α-fazını stabilize eden elementler, sıcak işlem gibi ısıtma
operasyonlarında β-fazının dönüşümünü engellerler.
 En fazla kullanılan α alaşımı, Ti-%5 Al- %2.5 Sn olup, yapı 950
C’ye kadar α olarak kalmaktadır.
 Katı-çözelti mukavemetleştirmesi Ti-%5 Al- %2.5 Sn alaşımını
saf Ti’den daha güçlü yapmakta; alaşım ayrıca mükemmel
kaynaklanabilme, kriyojenik sıcaklıklarda iyi kırılma tokluğu
özelliklerine sahip olmaktadır.
Titanyum Alaşımları
α-Ti alaşımları
 Tavlanmış Ti-%5 Al- %2.5 Sn, 880 MPa akma
mukavemetine, 980 MPa maksimum çekme
mukavemetine ve %17 çekme uzamasına sahiptir.
 %15 soğuk çekilmiş alaşımın akma mukavemeti 1040
MPa’a, çekme mukavemeti 1200 MPa’a çıkmakta ve
çekme uzaması ise %10 olmaktadır.
 α-Ti alaşımları, HSP latisinde daha yavaş difüzyon
hızları ve faz sınırları olamaması nedeniyle, kısmen
veya tamamen β-alaşımlarından daha iyi sürünme
dirençlerine sahiptirler.
Titanyum Alaşımları
α-Ti alaşımları
 Bazı alaşımları, küçük miktarlarda β-fazını stabilize
eden elementler (örn; %1’den 2’ye kadar V, Nb veya Ta)
içermektedirler ki basit soğutmayla veya çözeltiye
alma ve yapay yaşlandırmayla düşük miktarlarda β
oluşur.
 Ancak, bu alaşımlarda ağırlıklı olarak faz hala α’dır
(near-α veya süper-α).
 Böylece α-alaşımın orta seviyede daha yüksek
mukavemetle beraber kaynaklanabilirlik ve tokluk
özelliği de sürdürülmüş olmaktadır.
Titanyum Alaşımları
α-Ti alaşımları
 Bunlardan en sık kullanılan alaşım olan Ti-%8 Al- %1 Mo- %1 Nb için en
yaygın tavlama ısıl işlemi 790 C’de 8 saat tavlama sonrası fırında
soğutmadır (mill annealing).
 Bu işlemle bazı β ve α2 ile birlikte mikroyapıda etkin faz α’dır.
 İkinci bir tavlama ile 790 C’de 15 dakika tekrar ısıtılır ve arkasından
havada soğutma yapılır.
 Bu, mevcut kırılgan α2’nin çoğunu α’ya dönüştürür ve sonuç
mikroyapısı α matris içerisinde oldukça homojen dağılmış 2-5 µm
çapında β parçacıklarından meydana gelir.
 Çift tavlanmış Ti-%8 Al- %1 Mo- %1 Nb alaşımının çekme mukavemeti
950 MPa ve uzaması % 15’dir.
 Çökelme sertleşmesi ile yüksek mukavemet sağlanmasına rağmen
metal, tuzlu suda gerilmeli korozyon çatlamasına karşı hassaslaşır
ve dolayısıyla nadiren kullanılır.
Titanyum Alaşımları
Yarı-kararlı β-Ti alaşımları
 V, Mo, Cr ve Cu gibi β-fazını kararlı yapıcı elementlerin
ilavesi, βα dönüşüm sıcaklığını düşürmektedir.
 Yeterli miktarda β yapıcı ilavesiyle, ince kesitlerde
havada soğutma veya kalın kesitlerde suda su
vermeyle, oda sıcaklığına kadar bir yarı-kararlı β kristal
yapısı kalabilir.
 HMK yapıdaki yarı-kararlı β alaşımları oda sıcaklığında
mükemmel şekillendirilebilirliğe sahiptir, fakat
mukavemetleri bütün β durumlarında düşüktür.
Titanyum Alaşımları
Yarı-kararlı β-Ti alaşımları
» Oda sıcaklığında çokça soğuk işlem veya oda sıcaklığı
üzerindeki orta seviyede sıcaklıklarda ısıtmayla β
matris içerisinde bazı α fazı oluşmaktadır.
» Bu, sıklıkla şekillendirme sonrası alaşımın
sertleştirilmesi için kullanılır; 450-650 C’de ısıtmayla β
matris içerisinde α parçacıkları ince bir şekilde
dağılacaktır ki böylece iyi bir kırılma tokluğuyla birlikte
yaklaşık 1200 MPa akma mukavemeti elde edilmiş olur.
Titanyum Alaşımları
Yarı-kararlı β-Ti alaşımları
• Ti-%13 V- %11 Cr- %3 Al ve Ti-%8 Mo- %8 V- %2 Fe- %3 Al alaşımları
ticari β alaşımları örnekleridir.
• β alaşımlarında nispeten yüksek oranda ağır geçiş
elementlerinin olması, alaşımın yoğunluğunu 5 g/cm3 ve daha
yukarıya çıkarmaktadır.
• Bu alaşımların soğuk şekillendirilebilirlik özellikleri mükemmel
olup, şekillendirme sonrası mukavemet artışı sağlamak için
yaşlandırılabilirler.
• Yaşlandırılmış β alaşımları, bütün Ti alaşımlarından daha yüksek
maksimum çekme mukavemetlerine (1500 MPa’a varabilir)
sahiptirler.
• Fakat yaşlandırılmış β alaşımları, diğer Ti alaşımlarına göre daha
düşük sürünme mukavemeti ve çekme sünekliği özelliği
gösterirler.
Titanyum Alaşımları
α-β alaşımları
En yaygın olarak kullanılan Ti alaşımları, hem α hem de β
fazı kararlı yapıcı elementlerin ilavesiyle meydana gelen,
α+β mikroyapılı, mükemmel mukavemet, tokluk ve
korozyon direncine sahip olan alaşımlardır.
α+β alaşımlarından biri olan Ti-%6 Al-%4 V (genellikle Ti-6-4
olarak adlandırılır) on yıllardır Ti metalürjisini domine
etmekte olup, bütün mill Ti üretimlerinin %45’idir.
α+β alaşımları yüksek sıcaklıkta ve tamamen β faz alanı
içinde çözeltiye alınmakta ve sonrasında β fazının bir
kısmının α fazına dönüşmesi için soğutulur ve sonuçta
denge halinde α+β mikroyapısı meydana gelir.
Titanyum Alaşımları
α-β alaşımları
α+β alaşımlarında geniş bir aralıkta mikroyapı çeşitliliği
görüldüğü için, tahmin edilebileceği gibi geniş bir aralıkta
da mekanik özellikler elde edilebilir.
Akma mukavemeti, tavlama durumuna göre 830 MPa ile
930 MPa aralığındaki Ti-%6 Al-%4 V alaşımı, maksimum 1100
MPa elde etmek için 955 C’den su verilir ve ardından 550
C’de yaşlandırılır.
Çekme uzamaları ise yine tavlama ve yaşlanmaya bağlı
olarak yaklaşık %15 ve %10’dır.
Titanyum ısıl işlemlerinin zorluğu, proses uygulamalarının
(örn; sıcak dövme, döküm) mikroyapıya olan etkileriyle
artış göstermektedir.
Titanyum Uygulamaları
Uçak-uzay endüstrisi her zaman için Ti alaşımlarının en
geniş uygulama alanı olmuştur ve Ti özellikle askeri
uçaklarda yüksek oranda kullanılmaktadır.
Hem askeri hem de ticari uçakların gaz türbin motor
kompresör kanatlarında Ti alaşımlarının kullanımı
yaygındır.
Ti alaşımlarının sahip olduğu önemli özellikler motor
bileşenleri için güven ve performans açısından
vazgeçilmezdir.
Uçak iskeletleri/gövdelerinde titanyumun kullanımı,
yüksek maliyetlerden dolayı daha az yaygındır.
Titanyum Uygulamaları
Boeing 757, ticari havacılıkta Ti’den en fazla
yararlananlardan biridir, fakat bir 757’nin boş
ağırlığının sadece %5’i titanyumdur.
Maliyet bir sorun olarak kalmasaydı, Ti çok daha geniş
miktarda kullanılabilirdi.
Askeri uçaklarda motor haricinde Ti’nin kullanımı daha
fazladır.
Öyle ki B1-B süpersonik bombardıman uçağı ağırlığının
%22’si, F-15 savaş uçağının %34’ü titanyumdur.
Titanyum Uygulamaları
Ti’nin korozyon direnci, kimyasal proseslerde ve petrol
endüstrisindeki boru, reaksiyon kazanları, ısı
eşanjörleri, filtreler ve valf uygulamaları açısından
değerli bir metal yapmaktadır.
Biyomedikal araçlar için de Ti kullanılmaktadır.
Protezler, diş implantları, gözlük çerçeveleri, damar içi
stentler, kalp kapakçıkları ve tekerlekli sandalyeler
gibi…
Denizcilikte gemi ve denizaltı gövde uygulamaları,
pervane ve su dağıtım sistemlerini de içine alan
uygulamaları vardır.
Titanyum Uygulamaları
Spor malzemeleri üreticileri Ti’yi golf sopası, bisiklet
iskeleti, kayaklar, dalgıçlar için gaz tüpleri, raket ve
hatta bilardo sopalarına adapte etmişlerdir.
Otomobil ve mimari parça üreticileri gibi maliyetlere
karşı hassas olan endüstrilerde Ti kullanımı egzoz
vanaları, yüksek performanslı motor parçaları ve
mimari süslemelerle sınırlıdır.
Kameralarda, mücevherat ve dekoratif uygulamaları
da vardır.
Titanyum Uygulamaları
Titanyum ayrıca özellikle çelik gibi diğer metallere
alaşım elementi olarak da kullanılmaktadır.
Paslanmaz çeliklere titanyum ilavesi, C ile olan
reaksiyonu nedeniyle taneler arası korozyonu
(duyarlılık) en aza indirir.
Bununla birlikte, Ti düşük alaşımlı yüksek mukavemetli
çeliklerin mekanik özelliklerini de geliştirir.
Titanyum Uygulamaları
Titanyum Uygulamaları
Ti önemli yararlarından dolayı geniş bir biçimde kullanılma
potansiyel sahiptir.
Günümüz paslanmaz çelik kullanıcılarının birçoğu, eğer
maliyetler eşit olsaydı, düşük yoğunluğu ve olağanüstü
korozyon direncinden dolayı titanyumu tercih ederlerdi.
Dünya paslanmaz çelik tüketimi yılda 20 milyon tondur ki bu, Ti
tüketiminin yüzlerce katından daha fazladır.
Paslanmaz çeliğin fiyatı sadece yaklaşık 2$/kg olup, mevcut Ti
mill ürünlerinkinden çok daha azdır.
Titanyum cevherinin düşük fiyatlarla kolaylıkla elde
edilebilmesine karşın, sadece saflaştırma ve üretim
maliyetlerinin keskin bir şekilde düşürülebilmesiyle Ti metalinin
kullanımı çok geniş bir şekilde artacaktır.
Titanyum Uygulamaları
Titanyum Kaynakları
 Ti yerkabuğunda en fazla bulunan elementlerden bir tanesidir ve
tüm kayaların %98’inde en azından düşük konsantrasyonlarda da
olsa bulunmaktadır.
 Yüksek konsantrasyonlara sahip, en yaygın kullanılan jeolojik
oluşumlar:
 rutil (TiO2, %97.4 TiO2 + %2.6 Fe2O3) kırmızımsı, 1800
 ilmenit (FeTiO3, %52.65 TiO2 + %47.35 FeO) İlmen Dağları, Rusya, 1827
 Avustralya, Brezilya, Kanada, Finlandiya, Hindistan, Malezya,
Norveç, Portekiz, Rusya, Sierra Leone, Güney Afrika, İsveç ve
ABD’de bulunurlar.
 Ülkemizde şu ana kadar kaydadeğer ölçüde bir titanyum cevheri
bulunamamıştır. Ancak son yıllarda bazı eklojitlerin %1.5-2.0
civarında Ti tenörüne sahip olduğu belirlenmiştir.
Titanyum Kaynakları
Rutil, tetragonal sistemde kristallenir. Sertliği 6-6.5, VHN100=894 - 974
kg/mm2; özgül ağırlığı 4.23 g/cm3; rengi sarımsı kırmızı, siyah ve kızıl
kahvedir. Elmas cilalıdır.
Titanyum Kaynakları
Titanyum Kaynakları
İlmenit, trigonal sistemde kristallenir. Sertliği 5-6, VHN100=566 - 698
kg/mm2; özgül ağırlığı 4.68 - 4.76 g/cm3. Rengi siyahtır. Metalik ve
yarı metalik cilalıdır.
Titanyum Kaynakları
Ti cevheri rezervleri geniş olup, gelecekteki talebi
karşılayabilecek durumdadır.
Sektörde faaliyet gösteren uluslararası kuruluşların
tartışmasız en büyüğü, merkezi ABD de olan E.I. Du Pont
de NEMOURS & Co.Inc. şirketidir.
İkinci sırayı İngiltere kökenli Tioxide Group PLC alır.
Diğer uluslararası kuruluşlar; Almanya’da Bayer Ag., ABD
de SCM Chemical, Titanium Industries Inc. ve Kronos
Inc.dir.
Titanyum Üretimi
 Titanium comprises 0.63% of the Earth's crust and is the fourth
most abundant structural metal, after aluminum, iron and
magnesium.
 Titanium deposits that can be mined economically are found
throughout the world.
 The main ores are rutile (TiO2)
and ilmenite (FeTiO3) in beach
sand deposits (Western
Australia), ilmenite-haematite
(Fe2O3) (Canada), and ilmenitemagnetite (Fe3O4) (Ukraine) in
hard rock deposits (Figure).
Titanyum Üretimi
 Rutil, ilmenitten daha az bulunmasına ve daha pahalı olmasına
rağmen, demir bileşikleri içermemesi ve dolayısıyla daha kolay
prosese sokulması nedeniyle daha yaygın olarak kullanılmaktadır.
 Bununla birlikte, ilmenitten demirin kaldırılmasıyla sentetik rutil de
yapılmaktadır.
Cevher Hazırlama
 Titanyum cevheri öğütülüp manyetik alandan geçirilerek
içerisindeki demir oksitten arındırılır ve ardından uygulanan
çökeltme ile diğer yabancı maddeler uzaklaştırılır.
 Geriye kalan TiO2 sülfürik asitle reaksiyona sokularak titanil-sülfürik
asit elde edilir.
 Daha sonra bu asidin sıcak su ile karıştırılması sonucu TiO2 çöker ve
filtre ile süzülerek alınır.
 Sonuçta TiO2 saf olarak elde edilmiş olur.
Titanyum Üretimi
The Kroll Process
Most titanium is manufactured from ores containing titanium
dioxide using a lengthy four-stage process:
a- chlorination of the ore to titanium(IV) chloride
b- purification of titanium(IV) chloride
c- reduction of titanium(IV) chloride to titanium sponge
d- processing of titanium sponge
Titanyum Üretimi
(a) Chlorination of the ore to titanium(IV) chloride
 Titanium dioxide is thermally stable and very resistant to chemical
attack.
 It cannot be reduced using carbon, carbon monoxide or hydrogen,
and reduction by more electropositive metals is incomplete.
 If the oxide is converted into titanium(IV) chloride, however, a
route to titanium becomes viable, as the chloride is more readily
reduced.
 The dry ore is fed into a chlorinator together with coke forming
a fluid bed.
 Once the bed has been preheated, the heat of reaction with
chlorine is sufficient to maintain the temperature at 1026 C:
Titanyum Üretimi
 (b) Purification of titanium(IV) chloride
The crude TiCl4 is purified by distillation, after chemical
treatment with hydrogen sulfide or mineral oil to remove
vanadium oxychloride, VOCl3, which boils at the same
temperature as TiCl4.
The final product is pure (>99.9%) TiCl4 which can be used
either to make titanium or oxidized to give TiO2
for pigments.
Storage tanks must be totally dry as the product
undergoes rapid hydrolysis in the presence of water,
generating dense white fumes of hydrogen chloride:
Titanyum Üretimi
 (c) Reduction of titanium(IV) chloride to titanium sponge
 Titanium(IV) chloride is a volatile liquid.
 It is heated to produce a vapour which is passed into a
stainless steel reactor containing molten magnesium (in
excess), preheated to about 525 C in an atmosphere of
argon.
 Exothermic reactions giving titanium(lll) and titanium(ll)
chlorides cause a rapid temperature rise to about 827 C.
 These chlorides undergo reduction slowly, so the
temperature is raised to 1026 C to complete the reduction
process. Even so, it is a lengthy process:
Titanyum Üretimi
 After 36-50 hours the reactor is removed from the
furnace and allowed to cool for at least four days.
 The unreacted magnesium and the chloride/titanium
mixture is recovered, crushed and leached with dilute
hydrochloric acid to remove magnesium chloride.
 In an alternative method, used in Japan, magnesium
chloride, together with unreacted magnesium, is
removed from the titanium by high temperature
vacuum distillation.
Titanyum Üretimi
 The magnesium chloride is electrolysed to generate
magnesium for the reduction stage and the chlorine is
recycled for the ore chlorination stage.
 The titanium is purified by high temperature vacuum
distillation. The metal is in the form of a porous
granule which is called sponge. This may be processed
on site, or sold on to other companies for conversion
to titanium products.
Titanyum Üretimi
Titanyum Üretimi
 (d) Processing of titanium sponge
As titanium sponge reacts readily with nitrogen and oxygen at
high temperatures, the sponge must be processed in a vacuum
or an inert atmosphere such as argon.
At this stage scrap titanium may be included, and other metals
may be added if a titanium alloy is required.
A common method is to compress the materials together to
create a large block which then becomes an electrode in an
electric arc melting crucible.
An arc forms between the crucible and the electrode, causing
the electrode to melt into the crucible where it is cooled and
forms a large ingot.
This may be repeated to produce a "second melt" ingot of higher
quality.
Titanyum Üretimi
 FFC Cambridge Process
Research in Cambridge (UK) has led to the development of an
electrolytic method for reducing titanium dioxide directly to titanium.
Titanium dioxide (usually rutile) is powdered and then made up into
pellets to act as the cathode.
They are placed in a bath of molten calcium chloride and connected
to a metal rod which acts as the conductor.
The cell is completed with a carbon
anode.
On applying a voltage, titanium
oxide is reduced to titanium and the
oxide ions are attracted to the
carbon anode, which is oxidized to
carbon monoxide and carbon
dioxide (Figure).
Titanyum Üretimi
If a much higher voltage is applied the mechanism is different.
Calcium is deposited at the cathode and reacts with the
titanium dioxide to form titanium and calcium ions are
regenerated.
The process is much simpler than existing methods, operating
at lower temperatures (saving energy costs), and has a lower
environmental impact.
It has the potential to reduce the production costs significantly,
making it possible for the advantages of titanium metal to be
applied to a wider range of end-products.
The process is also being considered for the production of
other metals, for example, tantalum.
Kaynakça
Alan M. Russell, Kok Loong Lee, Structure-Property Relations in Nonferrous
Metals, John Wiley & Sons, Inc., 2005
http://www.essentialchemicalindustry.org/metals/titanium.html
http://www.essentialchemicalindustry.org/chemicals/titaniumdioxide.html
http://rruff.info/doclib/hom/rutile.pdf
http://rruff.info/doclib/hom/ilmenite.pdf
http://www.mindat.org/min-2013.html