Kroll ve Hunter Prosesleri ile Titanyum Üretimi ve Şekillendirilmesi

Titanyum ve alaşımları çoğu metale göre nispeten yeni mühendislik alaşımlarıdır. Titanyum kullanım alanlarının genişlemesi yüksek spesifik mukavemet ve oksitleyici asit, klorit ve diğer ortamlarda mükemmel korozyon direnci gibi özelliklerinin keşfiyle olmuştur.

Titanyum (Ti) elde edilmesi ve üretimi diğer metallere göre zor ve pahalıdır. Bu yüksek maliyet Ti’un Oksijen, Azot, Hidrojen gibi elementlere yüksek ilgisinden dolayıdır.

Saf Ti Fiziksel Özellikleri

Ti,  oda sıcaklığında 4,54 g/cm³ yoğunluğuna sahiptir. 1668 ⁰C ergime sıcaklığına sahiptir. İki allotropik yapıda bulunur. Saf Ti oda sıcaklığında α-HSP yapısındadır ve 883 ⁰C’ye kadar kararlıdır. 883 ⁰C’de α-HSP fazı β-HMK’ya dönüşür.

Deformasyon Özellikleri

Saf Ti oda sıcaklığında ciddi kırıklar olmaksızın haddelenebilir. Bu işlem HSP metaller için alışıldık değildir. Bu kolaylığın Ti’un HSP yapısında c/a oranıyla bağlantılı olduğu düşünülmektedir. Titanyumda bu oran 1,587’dir. Bu değer, ideal oran 1,633’ten %2,81 küçüktür. Buna karşın 1,624 değeri ile Mg, ideal değerden %0,55 küçük olmasına rağmen en yüksek saf durumda dahi %50’den fazla soğuk haddelenemez.

HSP Titanyum’un nispeten yüksek sünekliği HSP yapıdaki bir çok aktif kayma sistemine ve hazır bulunan ikiz düzlemlerle bağlantılıdır. Titanyum’da düşük c/a oranından dolayı kayma (1010) düzlemlerinde olur. İkizlenmenin kaymaya katkısı Titanyum’da, Mg; Zn, Cd, gibi HSP metallerden çok daha önemlidir.

Titanyum Üretimi

Titanyum, yaklaşık %97-98 TiO₂ içeren rutil cevherinden elde edilir. Rutil’de bulunan TiO₂ ilk olarak kimyasal yollarla saf TiCl₄’e dönüştürülür. Bu işlemden sonra Kroll Prosesi başlatılır.

Kroll Prosesi’nde TiCl₄ 800 ⁰C civarında paslanmaz çelik kapta sıvı Mg ile reaksiyona sokulur:

TiCl₄  +  2 Mg  →  Ti  +  MgCl₂

İşlem sonucunda sünger Titanyum ve Magnezyum Klorit gazı elde edilir.

Bir diğer yöntem Hunter Yöntemi’dir ve bu yöntemde TiCl₄  Mg yerine Na ile tepkimeye sokulur:

TiCl₄  +  2 Na  →  TiCl₂  +  2 NaCl

Bu reaksiyon 230 ⁰C’de Argon gazı ile süpürülerek yapılır. İşlemin ikinci basamağında TiCl₂ tekrar Na ile reaksiyona sokulur:

TiCl₂  +  2 Na  →  Ti  +  2 NaCl

Hunter Prosesi’nde 1. İşlemde yüksek ısı açığa çıkmaktadır. Bu sebeple proses kontrol altında tutulmalıdır. Kontrol sayesinde 150 mm uzunluğunda Ti kristali üretimi yapılabilir. Kroll ve Hunter işlemlerinin her ikisinde de Ti süngeri asit filtre ve ya vakum damıtma ile tuzlardan ve reaksiyona girmemiş cevherden arındırılır.

İngot Hazırlığı

Sıvı Ti, havadaki Oksijen; Azot gibi gazlarla çok hızlı reaksiyon verdiğinden Ti ingot olarak üretmek için özel işlemler uygulanmalıdır. Geleneksel yöntemlerde Ti sünger kırılır ve vakum ergitme için uzun bir tüketilebilen elektrot oluşturmak amacıyla birlikte kaynaklanan elektrot yoğunlaşması için sıkıştırılır.

Vakum ergitme Ti’un Azot, Hidrojen gibi gazlarla reaksiyona girmemesi içindir. Tüketilen elektrot vakum ark fırınında anot davranışı gösterir ve bu sayede su soğutmalı pota da anot davranmış olur. Bir ark, sıkıştırılmış elektrot ve Cu pota arasında çarpar ve ergiyik metal toplanarak Cu pota içerisinde katılaşır. Bu işlemle 36 inç çapında 10 ton ağırlığa kadar Ti ingot üretimi yapılabilir.

Alaşımlandırma için alaşım elementleri, sıkıştırma işleminden önce kırılmış Titanyum süngerine karıştırılır. Ark ergitme sırasında alaşım elementlerinin uniform (düzenli) dağılması için dikkat edilmelidir. Homojenizasyon için alaşımlandırmada çift ergitme yapılır.

Ti’un O₂, H₂, N₂’ye yüksek ilgisine rağmen yüksek kalitede Titanyum levha, tel, çubuk, boru, şerit, plaka gibi hadde ürünleri üretimi yapılmaktadır.

İngot Bozulması

İngot Titanyum malzemelerde yüzey pürüzlülüğü, dövme benzeri mekanik şekillendirme işlemleri için önemlidir. Yüzey üzerinden hataları ve düzensizlikleri gidermek için taşlama işlemi yapılır. İngotlar, çoğunlukla açık yassı preslerle sıcak dövülür. Sıcak pres, ingot sıcaklık kontrolü için elverişlidir.

Ti metali alaşım elementleri içeriyorsa ısıl gradyant değişimi söz konusu olacağından yaklaşık 750 ⁰C civarında ön ısıtma yapılır. Bu ön ısıtmadan sonra dövme sıcaklığına ısıtılır. 980-1040 ⁰C aralığında dövme işlemi yapılır. Dövme işleminde fazla yüzey çatlağı oluşursa taşlama ve ardından yeniden dövme sıcaklığına yükseltme yapılır.

Levha ve Şerit Haddelemesi

Dövme işleminden slablar, paslanmaz çelikler için kullanılan ekipmanlarla plaka ve şeritlere haddelenebilirler. Yalnız bazı şerit ve plakalar için özel ekipmanlar gerekebilir.  Dövülmüş slabların başlangıç kırılması genellikle 2 ve ya 3 sıcak hadde ile yapılır. Saf ticari Titanyum   770 ⁰C’de plaka üretimi için, 720 ⁰C’de şerit üretimi için haddelenir.

Hidrojen kirlenmesini önlemek için haddeleme sırasında atmosfer kontrolü yapılmalıdır.

Çok ince kalınlıkta plakalar üretebilmek için sıralı merdaneler arasına 5-6 levha üst üste konularak haddelenir. Kaynaklanmayı önlemek için levhalar arasına ayırıcı konulur. Bu işleme paket haddeleme denir.  Paket haddeleme sayesinde 0.02 inç kalınlığa kadar malzeme üretilebilir.

Hamdi Ekici
İstanbul Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü

Kaynakça:

1. F.D. Rosi, C.A. Dube, and B.H. Alexander, Trans, AIME 1971 : 257.
2. F.D. Rosi, C.A. Dube, and B.H. Alexander, Trans, AIME 1907 : 257.
3. Metals Handbook, 8^th ed., vol. 8, American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1973, p. 300-337
4. ‘’The Physical Metallurgy of Titanium Alloys’’, Progress in Metal Physics, vol. 7, 1958, p. 989-109. Pergamon, Elmsford, N.Y. By permission.
5. R.I. Jaffee and N.E  Promisel, ‘’The Science, Technology, and Applications of Titanium.’’ Pergamon, 1970