Oksit kaplı titanyum ve alaşımlarının yorulma davranışının incelenmesi
Investigation of fatigue behavior oxide coated titanium and its alloy
Yazar: MEHMET CİNGİ
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Titanyum = Titanium ; Yorulma = Fatigue

Özet:
Titanyum ve titanyum alaşımları, yüksek dayanım/ağırlık oranı ve yüksek korozyon direnci nedeniyle önemi son yıllarda giderek artan mühendislik malzemeleridir. Ancak düşük aşınma direnci nedeniyle, sürtünme ve aşınmanın önemli olduğu mühendislik uygulamalarında tercih edilmemektedir. Titanyum ve alaşımlarının düşük aşınma direnci, yüzey işlemleri ile geliştirilebilmekte ve bu amaçla, birçok farklı işlem uygulanmaktadır. Titanyum ve alaşımları için oksijen difüzyonu en güvenilir yüzey geliştirme işlemlerinden biri olup, termal oksidasyon olarak isimlendirilmektedir.Bu çalışmada aşınma ve korozyon direncinde önemli artışlar sağlayan termal oksidasyon işleminin ticari saf titanyum ile Ti6Al4V ve Ti6Al7Nb alaşımlarının yorulma davranışı üzerine etkisinin incelenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla 600 ? C'de 60 saat tutulmasıyla gerçekleştirilen termal oksidasyon işlemi sonrasında numunelerin yüzey karakterizasyonu, kesit mikroyapısının incelemesi ve yüzey mikrosertlik değerinin ölçülmesi ile yapılmıştır. Numune yüzeylerinin mikrosertlik değerleri, termal oksidasyon öncesi ve sonrasında, numuneler çekme deneyine tabi tutularak, akma ve çekme dayanımı ile, kopma uzaması ve kesit daralması değerleri belirlenmiştir. Dönel eğmeli yorulma deney düzeneği ile orijinal ve termal oksidasyon uygulanmış numuneler, 25 Hz frekansta farklı gerilme genliği değerlerinde yorulma deneylerine tabi tutularak S-N eğrileri elde edilmiştir. Dönel eğmeli yorulma deneyleri sonrasında, numunelerin kırık yüzeyleri stereo mikroskop ile incelenmiştir.Termal oksidasyon sonucunda saf titanyumun ve alaşımlarının yüzeyinde ince bir oksit tabakası ve hemen altında oksijen difüzyon bölgesi oluşmuştur. Termal oksidasyon sonucu yüzey sertliğinin saf titanyumda % 100, Ti6Al4V alaşımında % 90 ve Ti6Al7Nb alaşımında % 170 gibi yüksek bir oranda arttığı belirlenmiştir. Termal oksidasyon işlemi sonrasında saf titanyumun ve Ti6Al7Nb alaşımının mekanik özelliklerinde kayda değer bir değişiklik görülmemiştir. Buna karşın Ti6Al4V alaşımının akma mukavemeti yaklaşık %30 artmıştır. Termal oksidasyon sonrasında saf titanyumun ve alaşımlarının yorulma dayanım sınırları düşmüştür. Yorulma dayanımında en belirgin azalma Ti6Al4V alaşımında görülmüştür.

Abstract:
Titanium alloys are attractive materials for many engineering applications, which require excellent combination of mechanical properties and corrosion resistance along with a low weight. Unfortunately, in applications where contacting motion of counterparts is maintained, titanium and its alloys have limited usage owing to their poor tribological performance. Poor wear resistances of titanium and its alloys can be enhanced by surface modification techniques. Among the surface modification techniques, thermal oxidation is one of the simplest and cheapest process and appears as it is very promising way to produce hard surfaces on titanium and its alloys.The aim of this study was to examine the effect of thermal oxidation on rotating bending fatigue behavior of commercially pure titanium, Ti6Al4V and Ti6Al7Nb alloys. Thermal oxidation was conducted at 600°C for 60h in air. Characterization of the oxidized alloy was made by microstructure examinations, hardness measurements, tensile and fatigue tests. Microstructure survey was conducted on the cross sections of the oxidized alloy by an optical light microscope after etching with 2 % HF. Hardness measurements were made on the surfaces of the samples by a micro hardness tester in the unit of Vickers hardness under different indentation loads. Before and after thermal oxidation, tensile tests were performed in order to measure the yield and tensile strengths, percent elongation and reduction in area. Fatigue tests were performed under rotating bending condition at a frequency of 25 Hz. Fractured surfaces obtained from rotating bending fatigue tests were investigated utilizing a stereo microscope.Thermal oxidation resulted in formation of thick oxide layer at the surface and oxygen diffusion zone beneath the oxide layer. Increasing in surface hardness values was observed No significant changes were observed in the mechanical properties of commercially pure titanium and Ti6Al7Nb alloy. On the other hand yield strength of Ti6Al4V increased 30% without any changes in percent elongation and percent reduction in area. Upon thermal oxidation rotating, decreasing in bending fatigue endurance limits of commercially pure titanium and its alloys was observed. Reduction of fatigue strength after thermal oxidation was higher for the Ti6Al4V alloy, when compared to the commercially pure titanium and Ti6Al7Nb alloy.