Giriş
Titanyum ve titanyum alaşımları, yüksek özgül dayanım, mükemmel korozyon direnci ve biyouyumluluk özellikleri sayesinde günümüz mühendisliğinin en stratejik malzeme gruplarından biri haline gelmiştir. Havacılık ve uzay sanayinden medikal implantlara, savunma sanayinden kimya endüstrisine kadar birçok alanda tercih edilmelerinin temel nedeni; düşük yoğunluklarına rağmen yüksek mekanik performans sunmalarıdır. Ancak bu üstün özelliklerin yanında titanyumun işlenmesi oldukça maliyetlidir. Geleneksel talaşlı imalat yöntemlerinde malzemenin %70–90'ına kadarının talaş olarak kaybedilebilmesi, üretim maliyetlerini önemli ölçüde artırmaktadır. [1]
Bu noktada Metal Enjeksiyon Kalıplama (Metal Injection Molding – MIM) teknolojisi, özellikle küçük, karmaşık geometrili ve yüksek hassasiyet gerektiren parçaların seri üretiminde önemli bir alternatif olarak öne çıkmaktadır. MIM yöntemi sayesinde net şekle yakın üretim mümkün olmakta, talaşlı işleme ihtiyacı büyük ölçüde azalmakta ve üretim verimliliği artmaktadır. Ancak titanyumun oksijen, karbon ve azot gibi elementlere karşı yüksek reaktivitesi nedeniyle Ti-MIM prosesi, paslanmaz çelik MIM'e kıyasla çok daha hassas proses kontrolü gerektirir. [2]
MIM ile Titanyum Üretiminin Temel Avantajları
Metal Enjeksiyon Kalıplama, plastik enjeksiyon teknolojisi ile toz metalurjisinin birleşiminden oluşan ileri bir üretim yöntemidir. İnce metal tozları uygun bağlayıcı sistemleri ile karıştırılarak enjeksiyon kalıplama yöntemiyle şekillendirilir. Daha sonra bağlayıcı uzaklaştırılır (debinding) ve yüksek sıcaklıklarda sinterleme gerçekleştirilerek nihai yoğun yapı elde edilir.
Titanyum için MIM yönteminin sağladığı başlıca avantajlar şunlardır:
- Karmaşık geometrilerin tek operasyonla üretilebilmesi
- Düşük malzeme kaybı
- Seri üretime uygunluk
- Yüksek boyutsal hassasiyet
- Talaşlı işlemlerin minimum seviyeye inmesi
- Küçük parçalarda maliyet avantajı
Özellikle medikal implantlar, diş implantları, cerrahi ekipmanlar, havacılık bağlantı elemanları ve ateşli silah mekanizmalarında MIM teknolojisinin kullanım oranı son yıllarda belirgin şekilde artmaktadır. [3]
MIM'de Kullanılan Başlıca Titanyum Alaşımları
Her titanyum alaşımı MIM prosesine uygun değildir. Günümüzde en yaygın kullanılan alaşım açık ara Ti-6Al-4V'dir.
Bu alaşım;
- yüksek mukavemet,
- düşük yoğunluk,
- iyi yorulma dayanımı,
- mükemmel korozyon direnci,
- yüksek biyouyumluluk
özelliklerini aynı anda sunabilmektedir.
Bunun yanında ticari saflıkta Titanyum Grade 2 ve Grade 4 özellikle medikal implantlarda tercih edilirken, beta titanyum alaşımları ise elastik modüllerinin düşük olması nedeniyle biyomedikal uygulamalarda önem kazanmaktadır. Bununla birlikte beta alaşımlarında karbon ve oksijen kontaminasyonuna karşı tolerans daha düşüktür ve proses kontrolü daha kritik hale gelmektedir. [4]
Titanyumun Sinterlenmesini Zorlaştıran Faktörler
Titanyumun MIM ile üretimindeki en büyük zorluk sinterleme aşamasında ortaya çıkar.
Yaklaşık 600 °C üzerinde titanyum;
- oksijen,
- karbon,
- azot,
- hidrojen
ile kolayca reaksiyona girebilir.
Bu elementlerin çok küçük miktarlarda bile malzemeye difüzyonu;
- sünekliğin azalmasına,
- gevrekleşmeye,
- yorulma ömrünün düşmesine,
- çatlak oluşumuna
neden olabilmektedir.
Bu nedenle Ti-MIM prosesinde yalnızca sinterleme atmosferi değil; kullanılan tozun oksijen miktarı, bağlayıcı sistemi, debinding koşulları ve sinter sehpasının malzemesi bile mekanik özellikleri doğrudan etkileyebilir. Literatürde oksijen seviyesindeki küçük artışların bile uzama değerini belirgin şekilde düşürdüğü birçok çalışmada gösterilmiştir. [5]
Sinterleme Parametreleri
Ti-MIM prosesinin başarısını belirleyen en kritik aşama sinterlemedir.
Literatürde kullanılan parametreler incelendiğinde bazı ortak noktalar dikkat çekmektedir.
Sinterleme sıcaklığı çoğunlukla 1250–1400 °C aralığındadır. Ti-6Al-4V için 1300–1360 °C aralığı en yaygın tercih edilen bölgedir. Daha düşük sıcaklıklarda yeterli yoğunlaşma sağlanamazken, aşırı yüksek sıcaklıklarda tane büyümesi hızlanır ve mekanik özellikler olumsuz etkilenebilir. [6]
Isıtma hızının özellikle debinding sonrasında kontrollü tutulması önemlidir. HDH titanyum tozları ile yapılan çalışmalarda yaklaşık 1 °C/dakika seviyesindeki kontrollü ısıtmanın distorsiyonu azalttığı ve daha homojen büzülme sağladığı gösterilmiştir. [7]
Vakum mu, Argon mu?
Literatürde en sık karşılaşılan iki atmosfer seçeneği;
- yüksek vakum
- yüksek saflıkta argondur.
Yüksek vakum altında sinterleme, oksijen kontaminasyonunun azaltılması açısından önemli avantaj sağlar. Ancak endüstriyel üretimde birçok firma yüksek saflıkta (%99,999'a kadar) argon atmosferini de başarıyla kullanmaktadır.
Atmosfer seçiminde temel amaç;
- oksijen alımını önlemek,
- karbon oluşumunu azaltmak,
- nitrür oluşumunu engellemek,
- homojen yoğunlaşmayı sağlamaktır.
Bu nedenle proses boyunca atmosfer saflığının korunması, yalnızca sinterleme aşamasında değil; karıştırma, enjeksiyon ve debinding süreçlerinde de büyük önem taşımaktadır. [8]
Toz Seçimi
Uzun yıllar boyunca Ti-MIM için yalnızca gaz atomize küresel titanyum tozlarının uygun olduğu düşünülüyordu. Bunun temel nedeni yüksek akıcılık ve düşük oksijen içerikleriydi.
Ancak son yıllarda yapılan çalışmalar, uygun proses optimizasyonu ile HDH (Hydride-Dehydride) titanyum tozlarının da başarılı şekilde kullanılabileceğini göstermektedir.
HDH tozlarının avantajları:
- çok daha düşük maliyet,
- daha kolay temin,
- yüksek üretim potansiyeli.
Buna karşılık düzensiz parçacık geometrisi nedeniyle besleme davranışı ve büzülme kontrolü daha dikkatli yönetilmelidir. Güncel çalışmalar, uygun sinterleme parametreleri ile %96'nın üzerinde bağıl yoğunlukların elde edilebildiğini göstermektedir. [9]
Kullanım Alanları
Ti-MIM teknolojisinin kullanım alanları her yıl genişlemektedir.
Medikal sektör bugün en büyük pazarlardan biridir. Dental implantlar, ortopedik vidalar, kemik plakaları ve cerrahi ekipmanlar MIM yöntemiyle yüksek hassasiyetle üretilebilmektedir. [10]
Havacılık ve uzay sanayinde ağırlık azaltımı kritik olduğundan, küçük fakat karmaşık bağlantı elemanları, bağlantı parçaları ve çeşitli mekanik bileşenlerde Ti-MIM çözümleri değerlendirilmektedir. [11]
Savunma sanayinde ise hafiflik, korozyon direnci ve yüksek mukavemet gerektiren mekanik parçalar Ti-MIM için önemli bir uygulama alanı oluşturmaktadır.
Bunların yanında;
- otomotiv,
- kimya endüstrisi,
- denizcilik,
- spor ekipmanları,
- saat sanayi,
- elektronik
gibi sektörlerde de Ti-MIM uygulamaları giderek yaygınlaşmaktadır. [12]
Sonuç
Metal Enjeksiyon Kalıplama yöntemi, titanyum alaşımlarının ekonomik ve seri üretimini mümkün kılan en önemli toz metalurjisi teknolojilerinden biri olarak kabul edilmektedir. Geleneksel üretim yöntemlerine göre daha düşük malzeme kaybı, karmaşık geometrilerin üretilebilmesi ve yüksek boyutsal hassasiyet gibi avantajlar sunmasına rağmen, proses başarısı büyük ölçüde oksijen, karbon ve azot kontaminasyonunun kontrolüne bağlıdır.
Günümüzde özellikle Ti-6Al-4V, Ti-MIM uygulamalarının temel alaşımı olmaya devam etmektedir. Bununla birlikte HDH titanyum tozlarının kullanımı üzerine yapılan çalışmalar, maliyetlerin düşürülmesi açısından önemli bir potansiyel ortaya koymaktadır. Önümüzdeki yıllarda toz üretim teknolojilerindeki gelişmeler, bağlayıcı sistemlerinin optimize edilmesi ve sinterleme proseslerinin daha hassas kontrolü sayesinde Ti-MIM'in yalnızca medikal sektörde değil; havacılık, savunma ve yüksek performanslı mühendislik uygulamalarında da çok daha yaygın bir üretim yöntemi haline geleceği öngörülmektedir. [13]
Kaynaklar
[1-3] Dehghan-Manshadi, A. ve ark. Metal injection moulding of titanium and titanium alloys: Challenges and recent development. Powder Technology, 319 (2017), 289–301. DOI: 10.1016/j.powtec.2017.06.053.
[4-6] Ebel, T. Metal Injection Molding (MIM) of Titanium and Titanium Alloys. Handbook of Metal Injection Molding (2012). DOI: 10.1533/9780857096234.4.415.
[7-9] Fang, Z.Z. ve ark. Powder Metallurgy of Titanium – Past, Present and Future. DOI: 10.1080/09506608.2017.1366003.
[10-11]Friederici, V. ve ark. Metal Injection Moulding of Thin-Walled Titanium Parts for Medical Applications. DOI: 10.1179/0032589914Z.000000000154.
[12-13] Ebel, T. ve ark. Reduction of the Embrittlement Effect of Binder Contamination in MIM Processing of Ti Alloys. DOI: 10.1080/00325899.2017.1291085.