Titanyum Alüminür (TiAl) İntermetalik Bileşiklerin Lazer Toz Yatağı Füzyonu: Havacılıkta Hafif Yüksek Sıcaklık Parçaları İçin Eklemeli İmalat Yolu

Giriş: Hafiflik ve Sıcaklık Dayanımı Arasındaki İkilem

Uçak motorları ve gaz türbinlerinde ağırlık azaltma ve sıcaklık dayanımı gereksinimleri sürekli artmaktadır. Nikel bazlı süper alaşımların yoğunluğu yaklaşık 8,2 g/cm³’tür ve ağırlık azaltma potansiyeli sınırlıdır. Buna karşılık γ-TiAl intermetalik bileşikler, örneğin tipik Ti-48Al-2Cr-2Nb bileşimi atomik yüzde olarak, yalnızca 3,9-4,2 g/cm³ yoğunluğa sahiptir; bu değer nikel bazlı alaşımların yaklaşık yarısıdır. Aynı zamanda 700-800°C’de uzun süreli servis sağlayabilir. Bu tür malzemelerin alçak basınç türbin kanatları ve kompresör gövdeleri gibi sıcaklığa dayanıklı yapısal parçalarda kullanılması, havacılıkta hafifletmenin önemli yollarından biridir. Ancak TiAl yüksek doğal kırılganlığa, düşük ısıl iletkenliğe sahiptir ve alüminyum elementi kolayca oksitlenir. Geleneksel dövme ve döküm işlemleri son derece zordur. Bu nedenle lazer toz yatağı füzyonu (LPBF), en yüksek potansiyele sahip şekillendirme yöntemlerinden biri haline gelmiştir.

1. TiAl İçin Eklemeli İmalat Neden Değerlidir?

γ-TiAl’in oda sıcaklığı sünekliği genellikle %2’nin altındadır. Sıcak şekillendirme penceresi dardır; geleneksel talaşlı imalat ve dövme işlemlerinde malzeme kaybı yüksek, maliyet fazladır. LPBF, katman katman ergitme yoluyla büyük deformasyon gerektiren işleme problemini aşar ve karmaşık iç soğutma kanallarına sahip, neredeyse nihai şekle yakın kanat ön formlarını doğrudan üretebilir. Küçük parti ve çok çeşitli yüksek sıcaklık parçaları için eklemeli imalat, teslim süresi ve tasarım özgürlüğü açısından belirgin avantajlar sunar. Ayrıca motor entegrasyonu öncesinde hızlı iterasyon ve doğrulama yapılmasını kolaylaştırır.

2. LPBF Sürecinin Temel Zorlukları

TiAl, LPBF sürecinde üç tipik sorunla karşılaşır. Birincisi, düşük ısıl iletkenliğin yol açtığı dik sıcaklık gradyanları ve yüksek artık gerilmelerden kaynaklanan sıcak çatlaklar ve soğuk çatlaklardır. İkincisi, alüminyumun yüksek lazer yansıtıcılığı ve yüksek buhar basıncı nedeniyle küreselleşme, sıçrama ve gözenek oluşumunun kolaylaşmasıdır. Üçüncüsü ise katmanlar arasında oksijen içeriğinin artmasıyla gevrekleştirici oksit filmlerinin oluşması ve bunun süneklik ile yorulma performansını düşürmesidir. Bu nedenle proses penceresi, atmosfer ve son işlem adımlarının kapalı bir sistem olarak birlikte tasarlanması gerekir.

3. Proses Penceresi ve Parametre Kontrolü

Mühendislik uygulamalarında genellikle 150-350 W lazer gücü, 600-1200 mm/s tarama hızı ve 30-50 μm katman kalınlığı aralığı kullanılır. Termal gerilme kaynaklı çatlamayı azaltmak için 200-400°C tabla ön ısıtması uygulanır; bazı sistemlerde 500°C seviyesinde sıcak tabla kullanılır. Enerji yoğunluğu çok yüksek olduğunda anahtar deliği kusurları ve aşırı ergime oluşur; çok düşük olduğunda ise yoğunluk yetersiz kalır. Hedef bağıl yoğunluk kararlı şekilde %99,5’in üzerinde tutulmalıdır. Aynı zamanda dama tahtası veya şerit tarama stratejileri ve döndürülmüş tarama yönleriyle artık gerilme yığılması bastırılmalıdır.

4. Atmosfer ve Oksijen İçeriği Kontrolü

Alüminyumun reaktif yapısı nedeniyle TiAl oksijene karşı son derece hassastır. Üretim haznesindeki oksijen içeriğinin 500 ppm’in altında tutulması önerilir; titanyum alüminür tozunun oksijen içeriği ise tercihen %0,1 ağırlık oranının altında olmalıdır. Toz besleme ve parça çıkarma aşamaları tamamen argon gazı dolu eldivenli kutuda veya inert ortamda gerçekleştirilmelidir. Böylece nem alma ve oksitlenme önlenir. Kararlı atmosfer yönetimi, gevrekleşmeyi bastırmanın ve parti tutarlılığını sağlamanın ön koşuludur; ayrıca sonraki ısıl işlemlerde anormal sonuçların oluşmasını engeller.

5. Son İşlem ve Mikroyapı Kontrolü

LPBF ile üretilmiş TiAl parçalarında genellikle ergimemiş bölgeler ve katmanlar arası kusurlar bulunur. Bu nedenle gözeneklerin kapatılması için sıcak izostatik presleme uygulanır; tipik HIP koşulları yaklaşık 1180-1250°C ve 150-200 MPa’dır. Ardından dayanım, tokluk ve sürünme direncini dengelemek için α2+γ lamelli mikroyapı elde edecek ısıl işlem yapılır. Uygun ısıl işlemle oda sıcaklığındaki çekme dayanımı 600-700 MPa aralığında, 700°C’deki yüksek sıcaklık çekme dayanımı ise 700-800 MPa aralığında kararlı hale getirilebilir. Bu değerler, sıcaklığa dayanıklı yapısal parçaların servis gereksinimlerini karşılar.

6. Performans ve Tipik Uygulamalar

Proses ve son işlemin birlikte optimize edildiği TiAl bileşenler, uçak motoru alçak basınç türbin kanatları, jet flap parçaları ve kompresör bileşenlerinde motor üstü doğrulama seviyesine ulaşmıştır. Bu malzemenin değeri tek bir performans sınırında değil, yoğunluğu yarıya indirirken sıcaklık dayanımını artıran birleşik avantajındadır. Aynı servis sıcaklığında belirgin ağırlık azaltımı sağlayarak itki-ağırlık oranını ve yakıt verimliliğini iyileştirir. Eklemeli imalatın yüksek sıcaklık hafif parçalar için temel mantığı da budur.

Sonuç

γ-TiAl’in LPBF ile şekillendirilmesi; malzeme, proses ve son işlemi kapsayan sistematik bir mühendislik konusudur. Dar proses penceresi, inert atmosfer ve HIP destekli ısıl işlem olmak üzere üç kritik aşama doğru yönetildiğinde, işlenmesi zor hafif yüksek sıcaklık malzemeleri seri üretilebilir ve tekrarlanabilir havacılık yapısal parçalarına dönüştürülebilir. Hafiflik ve yüksek itki-ağırlık oranı hedefleyen üreticiler için TiAl eklemeli imalatı araştırma aşamasından mühendislik uygulamasına doğru ilerlemektedir.