Characteristics and wear performance of nitrided titanium alloys

Bu tezde nitrürleme süreci, titanyum ve titanyum alaşımları üzerinden anlatılmıştır. Titanyum ve titanyum alaşımları hafif olduklarından dolayı birçok teknolojik alanda kullanılmaktadırlar. Kullanılan alanlardan bazıları kimya endüstrisi, uzay endüstrisi, biyomedikal uygulamalar, gemi inşaatı ve enerji sanayi olarak belirtilebilir. Hafif ve yüksek dayanımlı olan bu malzemelerin birçok mühendislik uygulaması, yüzey modifikasyonu ile sağlanmaktadır. Son zamanlarda titanyum alaşımlarının mekanik özelliklerini iyileştirmek ve kullanım alanlarını arttırmak için çeşitli araştırmalar yapılmaktadır. Titanyumun öne çıkan özellikleri, yüksek mukavemeti, yüksek korozyon ve erozyon dayanımı ve biyouyumluluğudur. Titanyumun düşük aşınma dayanımı ve düşük yüzey sertliği gibi yüzey özellikleri ise dezavantaj olarak kullanım alanını kısıtlamaktadır. Bu kısıtlamaları gidermek için en basit ve ekonomik yöntem gaz nitrasyonudur. Bu yöntem uzun yıllarca demir ve demir alaşımları üzerinde kullanılmıştır ve günümüzde de titanyum üzerinde yaygın olarak kullanılan yüzey modifikasyonu yöntemlerden biridir. Titanyum alaşımları üstün özellikleri sayesinde, birçok mühendislik alanı ve uygulamasında kullanılmaktadır fakat yeni uygulama alanları yaratılması için ileri araştırma ve çalışmalar gerekmektedir. Bu çalışma kapsamında, titanyumun farklı kompozisyonları (Cp-grade 4, Ti6Al4V ve TiAl7Nb) üzerinde gaz nitrasyonu yapılmıştır. CP-Ti ve Ti6Al4V alaşımı, yüksek biyouyumluluğu ve sahip olduğu koruyucu pasif oksit film sayesinde yüksek korozyon direnci göstermektedir, bunun yanısıra yüksek mekanik özellikleri ile de öne çıkan bir implant malzemesidir. Son zamanlarda ise, vanadyumun toksik etkisinden dolayı, vanadyum içermeyen Ti6Al7Nb alaşımı üretilmiştir. Titanyumun olumsuz özelliklerin iyileştirilmesi için titanyuma uygulanabilecek çeşitli yüzey modifikasyon tekniklerini ise üç grupta toplanabilir; Bunlar, kaplama yöntemleri, yüzeyin kimyasal özelliklerini değiştirmeden yapısını değiştiren yöntemler ve yüzeyin kimyasal özelliklerini değiştirerek yeni ve farklı fazlar içeren bir yüzey tabakası elde etme yöntemleridir. Bu teze konu olan yüzey modifikasyon yöntemi, üçüncü gruba dahil olan gaz nitrürleme yöntemidir. Nitrojen difüzyonu sonucu oluşan nitrür tabakası sayesinde, titanyum ve titanyum alaşımlarının yüzey sertlikleri ve aşınma dirençleri arttırılmıştır. Nitrojenin difüzyonu ile birlikte, malzemenin yüzeyinde katı eriyik oluşmaktadır ve bundan dolayı yüzey sertliği artmaktadır. Gaz nitrürleme yöntemi, termokimyasal bir yöntemdir. İlgili metal, yüksek sıcaklığa çıkarıldıktan sonra saf azot ya da amonyum gazı ortamında belli bir süre boyunca ısıl işleme tabi tutulur. Bu süreçte, yüzeydeki atomların mobilitesi artar, titanyum yüzeyi arayer difüzyonuna daha müsait hale gelir ve azotun arayer difüzyonu sonucunda titanyum nitrür fazı oluşur. Bu çalışmada, titanyum alaşımları 950, 1120 ve 1250 derece sıcaklıkta ve farklı sürelerde (3, 7 ve 12 saat) nitrürlenmiştir. Çalışma kapsamında, nitrasyon kinetiği, malzemenin ağırlık değişimi ve nitrür tabakalarının kalınlık değişimi ile hesaplanmıştır. Titanyumun yüzey özelliklerini geliştirmek için termokimyasal yöntem uygulanmıştır. Bu işlemin sonucunda titanyumun gri yüzeyi, titanyum nitrürün karakteristik özelliklerinden olan altın rengine dönüşmüştür. Ayrıca titanyum nitrürün oluşumu X-ray cihazı ile de tespit edilmiştir. Faz dönüşüm sıcaklığı altında yapılan nitrürleme çalışmalarında ise CP-Ti yüzeyi nitrür tabakası ile tamamen kaplanmamışken, alüminyum içeren titanyum alaşımlarının yüzeyi tamamen nitrür ile kaplanmaktadır. Bilindiği gibi titanyum ve titanyum alaşımlarının nitrojen ile reaksiyon verme eğilimi yüksektir, özellikle sıcaklık ve zamanın artması ile de bu malzemeler nitrojen atmosferinde nitrojen ile bileşik oluşturmaktadır. Önceki araştırmalarda sunulduğu üzere, titanyum ve alaşımlarının yüzeyinde oda sıcaklığında titanyum oksit bulunmaktadır. Sıcaklığın artması ile nitrojen atomları oksit atomları ile yer değiştirmektedir. Faz dönüşüm sıcaklığının üzerinde ise tüm numuneler tamamen nitrür tabakası ile kaplanmıştır. Yüksek sıcaklıkta, titanyumun alfa yapısı beta titanyuma dönüşmektedir. Azot difüzyonunun başlaması ile birlikte faz dönüşüm sıcaklığı düşmekte ve nitrür tabakasının altında yeniden alfa tabaka özelliğine sahip NDZ tabakası oluşmaktadır. Optik mikroskop çalışmalarında, Cp-Ti yüzeyinde çift katlı bir tabaka oluştuğu görülmektedir. Üst tabakada nitrür ve alt tabakada ise nitrojenin difüzyon ettiği alfa tabakası bulunmaktadır. Beta titanyum fazının nitrürleme yapıldığı sırada gösterdiği dönüşümler aşağıdaki şekilde özetlenebilir; 1- Azotun beta titanyumda çözünmesi ve katı çözelti oluşturması. 2- Nitrojen ile zenginleşmiş yüzeyde beta titanyumun alfa titanyuma dönüşüp NDZ (nitrojen diffusion zone) oluşması. 3- Alfa titanyumda nitrojen konsantrasyonunun yeterince artması sonucu altın renginde nitrür tabakasının oluşması ve alüminyum içeren titanyum alaşımlarında ise ara tabaka oluşması. Alüminyum içeren titanyum alaşımları üzerinde yapılan optik mikroskop incelemelerinde, nitrür tabakası ve NDZ tabakası ortasında IZ adı verilen bir orta tabaka oluştuğu gözlemlenmektedir. Taramalı elektron mikroskobu bünyesinde bulunan enerji dağılım spektrometre analizlerinde bu tabakanın yüksek alüminyum içerdiği tespit edilmiştir. Bilindiği üzere, nitrür tabakası içinde alüminyum tutunamadığı için alüminyum alt tabakalara itilmektedir ve IZ tabakası oluşumuna sebep olmaktadır. Aktivasyon enerjisi hesaplandığında nitrür tabakasının büyümesini kontrol eden parametreler nitrojenin beta fazındaki difüzyonu ve alüminyumun alfa fazındaki difüzyon hızıdır. Numunelerin kesitleri EDX ve EPMA yöntemleri ile incelendiğinde IZ ara tabakasının alüminyum ile zenginleşmiş olduğu, vanadyum ve niyobyum elementlerinin ise beta fazında çözünüp malzemelerin iç kısımlarına doğru nufüz edip genellikle tane sınırlarına yerleştiği gözlemlenmektedir. Sıcaklığın ve zamanın artması ile malzemede bulunan nitrür tabakası, ara tabaka ve NDZ tabakasının büyüdüğü tespit edilmiştir. Bu büyüme ile birlikte nitrür tabakasının pürüzlülüğü de artmaktadır. Dönüşüm sıcaklığının altında nitrürlenmiş malzemelerin yüzeyinde yapılan Rockwell C yapışma testi sonucunda, nitrür tabakasının yüzeye daha iyi yapıştığı gözlemlenmektedir. Dönüşüm sıcaklığının üzerinde yapılan nitrürlemelerde nitrür tabakasının basınç ve aşınma sırasında kırılıp yüzeyden kopduğu görülmektedir. Titanyum numunelere kesitten 50 g yük ile uygulanan sertlik testi sonucunda, titanyum nitrür tabakasının sertliğinin iç kısımdan yüzeye arttığı tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, sıcaklık ve işlem süresi arttıkça sertlik artmaktadır. Malzemenin yüzeye yakın kısımlarında sertliğin ise en yüksek sertliğe ulaşılmış ve 2000-2500 HV civarında olduğu tespit edilmiştir. Nitrürleme yöntemi malzemenin aşınma direncini çok büyük ölçüde iyileştirmektedir. Yapılan aşınma testleri sonucunda, Cp-Ti 1120 derecede ve 7 saat nitrürleme sonucunda en iyi aşınma dayanımı performansı gösterdiği saptanmıştır. Alüminyum içeren titanyum alaşımlarını ise en iyi aşınma dayanımını, faz dönüşüm sıcaklığının altında yani 950 derecede 3 saat nitrürleme şartlarında göstermişlerdir. Aşınma yüzeyi incelendiğinde, çok ince bir izi ve hafif parlamış bir yüzey görülmektedir. Genel olarak aşınma için tespit edilen mekanizma abrasif aşınmadır. Aşınma testleri sonucunda, alüminyum içeren titanyum alaşımlarının malzemenin aşınma direncini 300 kata kadar arttığı gözlemlenmektedir.