Havacılık ve uzay sanayinde kullanılmak üzere yeni bir titanyum alaşımı geliştirilmesi ve mekanik özelliklerinin araştırılması
Development and characterization of mechanical properties of a new titanium alloy for aerospace industry
Yazar: ERDEM MERMER
Danışman: DOÇ. DR. HANİFİ ÇİNİCİ ; PROF. DR. RAHMİ ÜNAL
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Havacılık ve uzay endüstrisi = Aerospace industry ; Titanyum = Titanium

Özet:
Ti-Al esaslı alaşımlar, yüksek özgül dayanımları, yüksek ergime sıcaklıkları, oksidasyon dirençleri ve düşük yoğunlukları nedeniyle büyük ilgi görmektedir. Havacılık ve uzay endüstrisi için umut verici malzemeler olarak kabul edilmektedirler. Bununla birlikte, ortam sıcaklıklarındaki zayıf süneklik, Ti-Al alaşımlarının geniş çapta kullanımını sınırlamaktadır. Bu nedenle, yetersiz özellikleri geliştirmek için daha fazla alaşım tasarımı ve geliştirilmesi gereklidir. Bu kapsamda Ti, Al, Hf, Zr ve Nb elementleri kullanılarak Al bakımından zengin yeni Ti-Al alaşımları üretilmiştir. Bu tez, havacılık endüstrisi için Al bakımından zengin Ti- Al alaşımlarının tasarımını, üretimini ve karakterizasyonunu içermektedir. Ti-Al alaşımlarında kullanılacak alaşım elementleri, Cambridge Sequential Total Energy Package (CASTEP) ile ilk prensipler ilkesi hesaplamaları ve Thermo-Calc yazılımı ile termofiziksel hesaplamalar temel alınarak hesaplanmıştır. Öncelikle, birinci prensip hesaplamaları ile yapısal ve mekanik kararlılığa sahip uygun bileşimler belirlenmiştir. Daha sonra Thermo-Calc ile her bir alaşımın faz diyagramı ile termodinamik özellikleri çalışılmıştır. Teorik çalışmaların ardından seçilen alaşım kompozisyonları vakum indüksiyon ergitme (VIM) yöntemiyle üretilmiştir. Ti-Al bazlı alaşımlar, elektron mikroskobu (SEM), X-ışını kırınımı (XRD) ve fiziksel analiz kullanılarak ayrıntılı olarak karakterize edilmiştir. Alaşımların mekanik özellikleri anlamak için nanoindentasyon tekniği ile analizler yapılmıştır. İncelenen tüm alaşımlar arasında en umut verici alaşımın Ti-43Al-6Hf-2Nb olduğu bulunmuştur. Seçilen alaşımın yüksek sıcaklıktaki davranışını anlamak için mekanik basma ve oksidasyon testleri ile yüksek sıcaklık performans testleri yapılmış, Ti6Al4V alaşımı ile karşılaştırılmıştır. Ti-43Al-6Hf-2Nb alaşımı, Ti6Al4V'ye karşı 800°'de daha iyi basma mukavemeti ve yüksek sıcaklık oksidasyon direnci sergilemiştir.

Abstract:
Ti–Al-based alloys draw much attention due to their high speciﬁc strength, high melting temperature, oxidation resistance as well as low density. They are accepted as promising materials for the aerospace industry. However, poor ductility at ambient temperatures limits widely usage of Ti-Al alloys. Thus, further alloy design and development are required to enhance inadequate properties. Within this scope, Ti, Al, Hf, Zr, and Nb elements were used to produce novel Al-rich Ti-Al alloys. This thesis comprises the design, production, and characterization of Al-rich Ti-Al alloys for the aerospace industry. The alloying elements to be used in Ti-Al alloys were computed based on first-principles calculations with Cambridge Sequential Total Energy Package (CASTEP) and thermophysical calculations with Thermo-Calc software. First, proper compositions with structural and mechanical stability were determined by first-principles calculations. Then, thermodynamic properties with a phase diagram of each alloy were studied by Thermo-Calc. After theoretical studies, the selected compositions were produced by vacuum induction melting (VIM). The Ti-Al-based alloys were characterized in detail by using scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), and physical analysis. The alloys were analyzed by nanoindentation technique to understand mechanical properties. The most promising alloy was found to be Ti-43Al-6Hf-2Nb among all investigated alloys. High-temperature performance tests in terms of compression strength and oxidation tests were performed and compared with Ti6Al4V alloy to understand the high-temperature behavior of the selected alloy. Ti-43Al- 6Hf-2Nb alloy exhibited better compression strength and high-temperature oxidation at 800° against Ti6Al4V.