Titanyum Alaşımlarının Otomotiv Endüstrisindeki Uygulama Durumu

Son yıllarda, otomobil endüstrisinin hızla gelişmesiyle birlikte, otomobillerin ürettiği yakıt tüketimi, çevre koruma ve güvenlik konuları giderek daha fazla ilgi görmektedir. Otomobil endüstrisinin gelecekteki gelişim yönüne bakıldığında, hafiflik, düşük yakıt tüketimi ve düşük emisyonlar geliştirme temalarıdır. Uluslararası yetkili departmanların istatistiklerine göre, otomobil yakıt yanmasının enerjisinin %60'ı kendi ağırlığı tarafından tüketilmektedir. Yüksek mukavemetli ince çelik levhalar, alüminyum, magnezyum, metal bazlı kompozit malzemeler ve plastik reçine malzemeler otomobillerin ağırlığını azaltmada rol oynamış olsa da, endüstriyel titanyum malzemelerin ortaya çıkması otomobil üretimini daha iyi bir seçim haline getirmiştir.

Titanyum metali düşük yoğunluk, yüksek özgül mukavemet ve iyi korozyon direnci avantajlarına sahiptir. Otomobillerde titanyum malzemelerin kullanımı, otomobil gövdesinin ağırlığını büyük ölçüde azaltabilir, yakıt tüketimini azaltabilir, motorun çalışma verimliliğini iyileştirebilir, çevreyi iyileştirebilir ve gürültüyü azaltabilir. Ancak, pahalı fiyat, titanyum alaşımlarının otomobil endüstrisinde yalnızca lüks modellerde ve spor arabalarda bazı uygulamalara sahip olmasına ve sıradan arabalarda nadiren kullanılmasına neden olur. Bu nedenle, pazar ihtiyaçlarını karşılayan düşük maliyetli titanyum alaşımlarının araştırılması ve geliştirilmesi, sıradan ev arabalarında uygulamasını teşvik etmenin anahtarıdır.

 

Otomotiv endüstrisinde titanyum alaşımlarının güncel uygulama durumu
Titanyum alaşımları havacılık, petrokimya ve gemi inşa endüstrilerinde yaygın olarak kullanılmasına rağmen, otomobil endüstrisindeki uygulamaları yavaş gelişmiştir. General Motors tarafından 1956 yılında Amerika Birleşik Devletleri'nde ilk tamamen titanyum otomobilin başarıyla geliştirilmesinden bu yana, titanyum otomobil parçaları 1980'lere kadar seri üretim seviyesine ulaşamamıştır. 1990'larda lüks otomobillere, spor otomobillere ve yarış otomobillerine olan talebin artmasıyla birlikte titanyum parçalar hızla gelişmiştir. 1990 yılında, dünya çapında otomobillerde kullanılan titanyum miktarı sadece 50 ton iken, 1997'de 500 tona, 2002'de 1100 tona ve 2009'da 3000 tona ulaşmıştır. Dünya çapında otomobillerde kullanılan titanyum miktarının 2015 yılında 5000 tonu aşması beklenmektedir. Şu anda, aşağıdaki titanyum alaşımlı parçalar yaygın olarak kullanılmaktadır.

1. Motor bağlantı çubuğu
Titanyum alaşımı, bağlantı çubuğu malzemeleri için ideal bir seçimdir. Titanyum alaşımından yapılmış motor bağlantı çubukları, motor ağırlığını etkili bir şekilde azaltabilir, yakıt verimliliğini iyileştirebilir ve egzoz hacmini azaltabilir. Çelik bağlantı çubuklarıyla karşılaştırıldığında, titanyum bağlantı çubukları ağırlığın %15 ila %2'sini azaltabilir. Titanyum alaşımlı bağlantı çubuklarının uygulanması ilk olarak İtalya'daki yeni Ferrari 3.5LV8 ve Acura NSX motorlarında yansıtıldı. Titanyum alaşımlı bağlantı çubuklarında kullanılan malzemeler esas olarak Ti{5}}Al{6}}V, Ti{7}}V{8}}Fe{9}}Al, Ti{10}}Al{11}}.0V ve Ti{13}}Al{14}}Mo-Sn{16}}.5Si'dir. Ayrıca bağlantı çubuklarında kullanılmak üzere Ti{18}}Al{19}}Si{20}}Mn ve Ti{21}}M{22}}Mo gibi diğer titanyum alaşımlı malzemeler de geliştirilmektedir.

2. Motor valfleri
Titanyum alaşımlarından yapılmış otomobil motor valfleri sadece ağırlığı azaltmak ve hizmet ömrünü uzatmakla kalmaz, aynı zamanda yakıt tüketimini azaltır ve otomobil güvenilirliğini artırır. Çelik valflerle karşılaştırıldığında, titanyum valfler ağırlığı %30 ila %40 oranında azaltabilir ve motor sınır hızı %20 oranında artırılabilir. Mevcut uygulamalar söz konusu olduğunda, emme valfinin malzemesi esas olarak Ti-6Al-4V'dir ve egzoz valfinin malzemesi esas olarak Ti-6242S'dir. Genellikle Sn ve Al, daha düşük kırılganlık ve daha yüksek mukavemet elde etmek için birlikte eklenir; Mo eklenmesi, titanyum alaşımlarının ısıl işlem performansını iyileştirebilir, titanyum alaşımlarının söndürme ve yaşlandırma mukavemetini artırabilir ve sertliği artırabilir. Geliştirme potansiyeli olan diğer titanyum alaşımları şunlardır:
1) Emme valfi, Ti-6Al-4V ile aynı özelliklere sahip ve daha ucuz olan Ti-62S'den yapılabilir.
2) Egzoz valfi Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo-0.45Si'den yapılabilir. Daha düşük Mo içeriği nedeniyle sürünme direnci Ti-6242S'den daha iyidir ve oksidasyon direnci sıcaklığı 600 dereceye ulaşabilir.
3) Egzoz valfi, yüksek sıcaklık dayanımı ve hafiflik özelliklerine sahip olan, ancak geleneksel dövme yöntemleriyle işlenmeye uygun olmayan ve yalnızca döküm ve toz metalurjisi için uygun olan -TiAl'den yapılabilir.

 

3. Valf yayı yuvası

Yüksek mukavemet ve yorulma direnci, valf yayı yuvalarının sahip olması gereken özelliklerdir. titanyum alaşımı, katı çözelti yaşlandırma işlemiyle yüksek mukavemet elde edebilen ısıl işlem uygulanabilir bir alaşımdır. Buna karşılık gelen daha uygun malzemeler Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn ve Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si'dir. Mitsubishi Motors, seri üretim otomobillerinde orijinal çelik kilide kıyasla kütleyi %42 oranında azaltan, valf mekanizmasının atalet kütlesini %6 oranında azaltan ve maksimum motor devrini 300r/dak artıran Ti-22V-4Al titanyum alaşımlı valf yayı yuvaları kullanmaktadır.

 

4. Titanyum alaşımlı yaylar

Titanyum ve alaşımları çelik malzemelerden daha düşük elastik modüle, büyük bir σs/E değerine sahiptir ve elastik bileşenlerin imalatı için uygundur. Çelik otomobil yaylarıyla karşılaştırıldığında, aynı elastik çalışmanın öncülü altında, titanyum yayların yüksekliği çelik yayların yalnızca %40'ı ve kütlesi çelik yayların yalnızca %30 ila %40'ıdır, bu da gövde tasarımı için uygundur. Ek olarak, titanyum alaşımlarının mükemmel yorulma performansı ve korozyon direnci, yayların hizmet ömrünü artırabilir. Şu anda, otomobil yaylarının imalatında kullanılabilen titanyum alaşımlı malzemeler arasında Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al ve Ti-13V11C-3Al bulunur.

 

5. Turboşarj

Turboşarjlar motorların yanma verimliliğini iyileştirebilir ve motorların gücünü ve torkunu artırabilir. Turboşarjın türbin rotorunun 850 derecenin üzerindeki yüksek sıcaklıktaki egzoz gazında uzun süre çalışması gerekir, bu nedenle iyi bir ısı direncine sahip olması gerekir. Alüminyum alaşımı gibi geleneksel hafif metaller düşük erime noktaları nedeniyle kullanılamaz. Hafiflikleri ve iyi yüksek sıcaklık dirençleri nedeniyle türbin rotorlarında seramik malzemeler kullanılmasına rağmen, yüksek maliyetleri ve şeklin optimize edilememesi nedeniyle uygulamaları sınırlıdır. Bu sorunları çözmek için Tetsui ve arkadaşları TiAl türbin rotorunu geliştirdiler. Birçok test ve doğrulamadan sonra, yalnızca iyi bir dayanıklılığa ve verimliliğe sahip olmakla kalmayıp aynı zamanda motorun hızlanmasını da iyileştirebilir. Bu tasarım Mitsubishi Lancer Evolution serisinde başarıyla ticarileştirilmiştir.

 

6. Egzoz sistemi ve susturucu

Titanyum, otomobillerin egzoz sisteminde büyük miktarlarda kullanılır. Titanyum ve alaşımlarından yapılan egzoz sistemleri yalnızca güvenilirliği artırmakla, ömrü uzatmakla ve görünümü iyileştirmekle kalmaz, aynı zamanda kütleyi azaltır ve yakıt yanma verimliliğini de iyileştirir. Çelik egzoz sistemleriyle karşılaştırıldığında, titanyum egzoz sistemleri kütleyi yaklaşık %40 oranında azaltabilir. Golf serisi otomobillerde, titanyum egzoz sisteminin ağırlığı 7 ila 9 kg azaltılabilir. Şu anda egzoz sisteminde kullanılan titanyum çoğunlukla endüstriyel saf titanyumdur.

Titanyum susturucunun ağırlığı sadece 5 ila 6 kg'dır, bu da paslanmaz çelik susturuculardan daha hafiftir. 2000 Chevrolet Corvette Z06, orijinal 20 kg paslanmaz çelik sistemi değiştirmek için 11,8 kg titanyum susturucu ve egzoz borusu sistemi kullanır ve ağırlığı %41 oranında azaltır. Değiştirilen sistemin gücü değişmeden kalır ve araba daha hızlı, daha esnek ve yakıt tasarrufludur. Susturucuda kullanılan titanyum da çoğunlukla endüstriyel saf titanyumdur.

 

7. Gövde çerçevesi

Arabanın güvenliğini ve güvenilirliğini artırmak için tasarım ve üretim yönlerini, özellikle de üretim malzemelerini göz önünde bulundurmak gerekir. Titanyum, gövde çerçeveleri yapmak için iyi bir malzemedir. Sadece yüksek bir özgül mukavemete sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda iyi bir tokluğa da sahiptir. Japonya'da, otomobil üreticileri gövde çerçeveleri yapmak için saf titanyum metal kaynaklı borular seçerler, bu da sürücülerin sürüş sırasında yeterince güvende hissetmelerini sağlayabilir.

 

8. Diğer titanyum alaşımlı parçalar

Yukarıdaki parçalara ek olarak titanyum, motor rocker kollarında, süspansiyon yaylarında, motor piston pimlerinde, otomotiv bağlantı elemanlarında, bijon somunlarında, otomotiv kapı çıkıntı kirişlerinde, otomotiv durdurma braketlerinde, fren kaliperi pistonlarında, pim cıvatalarında, baskı plakalarında, vites düğmelerinde ve otomotiv debriyaj disklerinde ve diğer otomotiv parçalarında da kullanılır. Yeni nesil otomotiv tasarımları, giderek daha sıkı hale gelen çevresel gereklilikleri karşılamak için hafif gövdeye, düşük yakıt tüketimine, düşük gürültüye ve motorun hafif titreşimine daha fazla dikkat ediyor. Bu bağlamda, hafif metal titanyum gelecekteki otomobiller için önemli bir uygulama malzemesi haline gelecektir.