Titanyum ve alaşımlarının üretiminde yaygın olarak kullanılan asit temizliği, kritik bir yüzey işlemidir. Asit temizliğinİn temel amacı, dövme, tavlama veya kaynak gibi yüksek sıcaklık işlemleri sırasında oluşan oksit tabakalarını, yüzey kirleticilerini ve diğer istenmeyen katmanları temizlemektir. Bu işlem, yalnızca yüzeyin görünümünü iyileştirmekle kalmaz, aynı zamanda titanyum yüzeyini kaplama veya yapıştırma gibi sonraki işlemler için hazırlar. [1]

Titanyumun asit temizliği işleminde genellikle hidroflorik asit (HF) ve nitrik asit (HNO₃) karışımı kullanılır. Bu asitlerin rolleri kritiktir:

  ⦁ Hidroflorik Asit (HF): HF, titanyum oksiti (TiO₂) ve diğer yüzey kirleticilerini çözen oldukça agresif bir ajandır. Titanyum yüzeyinde doğal olarak oluşan sert oksit tabakasını parçalamada hayati rol oynar.
  ⦁ Nitrik Asit (HNO₃): HNO₃ esas olarak pasifleştirici bir ajan olarak işlev görür, HF’nin reaktivitesini kontrol ederek titanyum alt tabakasının aşırı çözünmesini engeller. Aynı zamanda hidrojen emilimi riskini azaltarak gevrekleşmeyi önler. [2]

  HF ve HNO₃ arasındaki asit oranı, asit temizliği işleminin etkinliğini ve sonucunu belirlemede önemli bir faktördür. Optimum bir denge, oksit temizliğinin verimliliğini sağlarken, alttaki metalin yapısal bütünlüğünü korur.

Titanyumun Alfa (α) Fazını Anlamak

  Ticari saflıktaki titanyum ve α-β alaşımlar gibi titanyum alaşımları, çoğunlukla altıgen yoğun paketli (HCP) kristal yapıya sahip α-fazını içerir. α-fazı, oda sıcaklığında stabildir ve alaşım kompozisyonuna bağlı olarak belirli yüksek sıcaklıklara kadar stabilitesini korur.

  α-fazı, aşağıdaki mükemmel mekanik özellikleri ile ayırt edilir:

  ⦁ Yüksek Mukavemet ve Sünekliği: α-fazının HCP yapısı, mekanik gerilme altında yüksek performans gerektiren uygulamalar için kritik olan mukavemet ve sünekliği dengeler.

⦁ Korozyon Direnci: α-fazı, titanyum alaşımlarının korozyon direncine önemli ölçüde katkıda bulunur ve onları deniz ve kimyasal işleme gibi yüksek korozif ortamlarda kullanıma uygun hale getirir.
⦁ Sürünme Direnci: Yüksek sıcaklıklarda α-fazının kararlılığı, titanyum alaşımlarının mekanik özelliklerini uzun süre korumasını sağlar ve bunları havacılık bileşenleri gibi yüksek sıcaklık uygulamaları için ideal hale getirir. [3]

Alfa Fazının Titanyum Özelliklerine Etkisi

  Titanyumun yüzeyinde bulunan α-fazı tabakası, metalin genel performansını belirlemede önemli bir rol oynar. Bu tabakanın varlığı ve özellikleri, aşağıdaki temel özellikleri etkiler:

  ⦁ Korozyon Direnci: α-fazı, kimyasal saldırıya daha az duyarlı HCP yapısından dolayı β-fazına göre korozyona daha dayanıklıdır. Bu durum, uzun süreli korozif ortamlara maruz kalması beklenen uygulamalar için α-fazını kritik hale getirir.
  ⦁ Yüzey Sertliği ve Aşınma Direnci: α-fazı, titanyum alaşımlarının yüzey sertliğine katkıda bulunur ve bu durum aşınma direncini artırır. Bu, malzemenin sürtünme ve aşındırmaya maruz kaldığı uygulamalar için özellikle önemlidir.
  ⦁ Kaynaklanabilirlik: Kararlı bir α-fazına sahip titanyum alaşımları, çatlama ve diğer kusurların azalmasıyla daha iyi kaynaklanabilirlik gösterir. Kaynak işlemleri sırasında α-fazının stabilitesi, bağlantı bütünlüğünü korumaya yardımcı olur. [4]

 Asit Temizliği İşleminde Asit Oranının Alfa Fazı Tabakasına Etkisi

  Asit temizliği işlemindeki asit oranı, yüzey kalitesini ve korozyon direncini etkilemekle kalmaz, aynı zamanda titanyumun yüzeyindeki α-fazı tabakasının kalınlığı, bütünlüğü ve bileşimi üzerinde doğrudan etki yapar. α-fazının çeşitli asit oranlarıyla nasıl değiştiğini anlamak, asit temizliği sürecini optimize etmek için kritik öneme sahiptir.

  ⦁ Malzeme Uzaklaştırma ve Alfa Fazı Kalınlığı:

  ⦁ Yüksek HF Konsantrasyonu: Asit temizliği çözeltisindeki HF konsantrasyonunun artırılması, işlemin kimyasal agresifliğini artırır. Bu durum, α-fazı tabakası da dahil olmak üzere yüzeyden daha fazla malzemenin uzaklaştırılmasına yol açar. HF konsantrasyonu arttıkça, α-fazının kalınlığı azalır ve korozyona ve mekanik aşınmaya karşı daha az dirençli olan alt β-fazı ortaya çıkabilir. α-fazı kalınlığındaki bu azalma, özellikle yüksek korozyon direnci ve yüzey bütünlüğü gerektiren uygulamalarda titanyumun genel performansını olumsuz etkileyebilir. [5]

  ⦁ Yüksek HNO₃ Konsantrasyonu: Bunun tersine, HNO₃ konsantrasyonunun yüksek olması, malzeme uzaklaştırma hızını azaltır. Nitrik asit, α-fazını aşırı çözünmeden koruyan stabil bir oksit tabakasının oluşumunu teşvik eder. Sonuç olarak, α-fazı tabakası, daha yüksek HF konsantrasyonları ile yapılan işlemlere kıyasla nispeten daha kalın ve sağlam kalır. α-fazının bu şekilde korunması, titanyum yüzeyinin korozyon direncini ve mekanik özelliklerini artırır. Ancak, HNO₃ konsantrasyonu çok yüksekse, yüzey kirleticilerinin ve oksitlerin tamamen veya eşit olmayan bir şekilde temizlenmesi riski oluşabilir. [6]

  ⦁ Mikroyapının Değişimi:

  ⦁ Yüksek HF ile Mikroyapısal Değişiklikler: Yüksek HF konsantrasyonu, yalnızca α-fazı kalınlığını azaltmakla kalmaz, aynı zamanda mikroyapısını da potansiyel olarak değiştirecek şekilde daha agresif bir asit temizliğiNE neden olabilir. Malzemenin aşırı uzaklaştırılması, α-fazı tabakasında mikroporlaşma ve pürüzlülüğe yol açarak kusurların oluşmasına neden olabilir. Bu mikroyapısal değişiklikler, yorulma direnci ve süneklik gibi mekanik özellikleri olumsuz etkileyebilir.

  ⦁ Yüksek HNO₃ ile Koruma: Yüksek HNO₃ seviyeleri ile, α-fazı tabakası orijinal durumunda daha iyi korunur. Mikroyapı daha kararlı kalır ve bu durum malzemenin doğasında bulunan özelliklerin korunması açısından avantaj sağlar. Nitrik asidin pasifleştirici etkisi, α-fazındaki tane sınırlarını koruyarak, tanelerarası saldırı riskini azaltır ve titanyum alaşımının genel dayanıklılığını ve bütünlüğünü korur. [7]

Şekil 1 (a) %4 HF–%3 HNO₃ karışım çözeltisinde, ortam sıcaklığında 10 saniye süreyle önceden dağlanmış haddelenmiş levhanın SEM görünümü ve (b) Optik mikroskop görünümü. [9]

   ⦁ Oksijen ve Hidrojen Profilleri: Verilen metin, %20 ağırlık oranında HNO₃ ve %2 ağırlık oranında HF çözeltisi ile (200 saniye boyunca) yapılan asit temizliği sonrasında Ti–6Al–4V yüzeyinde pasif tabakaların oluşumunu gösteren oksijen profilini açıklamaktadır. Metin, α fazının esas olarak titanyum oksit (TiO₂) ile, β fazının ise alüminyum oksit (Al₂O₃) ve vanadyum oksit (V₂O₅) ile ilişkili olduğunu belirtmektedir.

  ⦁ Asit Oranının Oksit Oluşumu ve Pasif Tabaka Kararlılığına Etkisi: Yüksek HNO₃ konsantrasyonları, oksitleyici doğasından dolayı α fazı üzerinde daha kalın bir oksit tabakasının oluşumunu teşvik edebilirken, yüksek HF konsantrasyonları daha agresif bir asit temizliği yaparak α fazının incelmesine ve alttaki β fazının daha fazla açığa çıkmasına yol açabilir.

REFERENCES

[1] ASM Handbook, Volume 5: Surface Engineering – Detailed discussion on surface treatment techniques for various materials, including titanium and its alloys.

[2] ASM Handbook, Volume 4: Heat Treating – Provides insights into the high-temperature processes leading to oxide formation on titanium and the subsequent pickling process

[3] ASM Handbook, Volume 13A: Corrosion: Fundamentals, Testing, and Protection – Examines the impact of surface treatments on the corrosion behavior of titanium alloys.

[4] ASM Handbook, Volume 2: Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials – Covers the properties and phase compositions of titanium alloys, with emphasis on the α-phase.

[5] Kurt, A., et al. “The Effect of Pickling Solution Composition on the Surface Roughness and Mechanical Properties of Titanium Alloys.” Journal of Materials Engineering and Performance, vol. 22, no. 10, 2013, pp. 2814-2820.

[6] Li, Y., et al. “Effects of Hydrofluoric Acid Concentration on the Surface Morphology and Corrosion Resistance of Pickled Titanium Alloys.” Corrosion Science, vol. 89, 2014, pp. 191-199.

[7] YOU Li-mei, PENG Dong-qiang, ZHOU Lin-yan, et al. “Acid Pickling Process of Titanium Alloys and Its Investigation of Intergranular Corrosion and Pitting Corrosion.” International Conference on Manufacturing Science and Engineering (ICMSE 2015), Atlantis Press, 2015.

[8] Mishra, R.S., et al. “Role of Passivation in the Corrosion Resistance of Pickled Titanium Alloys.” Materials Science and Engineering: A, vol. 527, no. 3, 2010, pp. 726-733.

[9] VERMESSE, Eric; MABRU, Catherine; ARURAULT, Laurent. Surface integrity after pickling and anodization of Ti–6Al–4V titanium alloy. Applied Surface Science, 2013, 285: 629-637.