Havacılık endüstrisi, son on yıldır tek bir hedefe kilitlenmiş durumda: Daha hafif, daha güçlü ve daha verimli motorlar. Bu mühendislik yarışında, geleneksel Nikel bazlı süper alaşımların tahtını sarsan, metaller arası (intermetalik) özel bir bileşik öne çıkıyor: Titanyum Alüminid (TiAl).
Özellikle toz formunda kullanıldığında, TiAl alaşımları, katmanlı imalat (Additive Manufacturing) teknolojileriyle birleşerek jet motorlarında daha önce imkansız görülen geometrilerin ve ağırlık tasarruflarının önünü açıyor.
Titanyum Alüminid (TiAl) Nedir ve Neden Önemlidir?
Titanyum Alüminid, kimyasal olarak metalik bir bağdan ziyade, metaller arası bir bileşik (intermetalik) yapısına sahiptir. Genellikle Gama ($\gamma$-TiAl) fazında kullanılan bu malzeme, mühendislik harikası özellikler sunar:
-
Düşük Yoğunluk: Yaklaşık 4.0 g/cm³ yoğunluğu ile Nikel bazlı süper alaşımların (yaklaşık 8.0 g/cm³) yarısı ağırlığındadır.
-
Yüksek Sıcaklık Dayanımı: 750°C – 800°C sıcaklıklara kadar mekanik özelliklerini korur.
-
Sürünme (Creep) Direnci: Yüksek sıcaklık ve stres altında deformasyona karşı üstün direnç gösterir.
-
Oksidasyon Direnci: Yanma odasındaki zorlu atmosferik koşullara dayanıklıdır.
Üretim Teknolojisi: TiAl Tozları ve Katmanlı İmalat
TiAl parçaların geleneksel döküm yöntemleriyle üretilmesi zordur çünkü malzeme oda sıcaklığında kırılgandır. İşte bu noktada Metal Tozları ve 3D Yazıcılar devreye girer.
1. Toz Üretimi (EIGA ve Plazma Atomizasyonu)
Kaliteli bir parça üretimi için kusursuz küresellikte, düşük oksijen içerikli ve akışkanlığı yüksek tozlar gerekir. TiAl tozları genellikle EIGA (Electrode Induction Melting Gas Atomization) veya Plazma Atomizasyonu yöntemleriyle üretilir. Bu yöntemler, toz partiküllerinin içinde gözenek (porozite) oluşumunu engeller ve motor parçalarının yorulma ömrünü uzatır.
2. EBM (Electron Beam Melting) Teknolojisi
TiAl tozlarının işlenmesinde en başarılı yöntem, vakum altında çalışan Elektron Işını Ergitme (EBM) teknolojisidir.
-
Neden EBM? EBM işlemi yüksek sıcaklıkta (vakum odasında) gerçekleştiği için, TiAl’in doğal kırılganlığını ve artık gerilmeleri (residual stress) minimize eder. Bu, çatlak oluşumunu engeller.
-
Süreç: TiAl tozu katman katman serilir ve elektron ışını ile eritilerek parça oluşturulur.
Jet Motorlarında Kritik Uygulama: Düşük Basınç Türbini (LPT)
TiAl tozlarının en çarpıcı başarı hikayesi, yeni nesil jet motorlarının Düşük Basınç Türbini (Low Pressure Turbine – LPT) kanatlarında görülmektedir.
-
Ağırlık Azaltma Zincirleme Etkisi: LPT kanatlarının TiAl ile üretilmesi, sadece kanatların hafiflemesi demek değildir. Kanatlar hafiflediğinde, onları tutan diskler, şaftlar ve rulmanlar da daha hafif tasarlanabilir. Bu, motorda toplamda yüzlerce kilogramlık ağırlık tasarrufu sağlar.
-
Yakıt Tasarrufu: Hafifleyen motor, daha az yakıt tüketir ve havayolu şirketleri için operasyonel maliyetleri %10-15 oranında düşürebilir.
-
Örnek: GE Aviation’ın GEnx ve GE9X motorlarında, EBM yöntemiyle üretilen TiAl LPT kanatları aktif olarak kullanılmaktadır.
Zorluklar ve Gelecek Vizyonu
TiAl tozları ile üretim, yüksek teknoloji gerektirir. Tozların oksijene karşı hassasiyeti, depolama ve işleme sırasında sıkı kontrol gerektirir. Ancak malzeme bilimi ilerledikçe, TiAl alaşımlarına Niyobyum (Nb), Krom (Cr) veya Bor (B) eklenerek (örneğin Ti-48Al-2Cr-2Nb) oda sıcaklığındaki süneklik artırılmaktadır.
Gelecekte, sadece motor kanatlarında değil, motor kasalarında, difüzörlerde ve hipersonik araçların gövde kaplamalarında da TiAl tozlarının kullanılması beklenmektedir.
Özet: Neden TiAl Tozlarına Yatırım Yapılmalı?
-
Rakipsiz Hafiflik: Nikel alaşımlarına göre %50 daha hafif.
-
Yüksek Performans: Yüksek sıcaklıkta çalışabilme yeteneği.
-
Çevreci: Azalan motor ağırlığı sayesinde daha az CO2 emisyonu.
-
İmalat Esnekliği: 3D baskı ile karmaşık geometrilerin üretimi.
