Süper Alaşım Nedir? 9 Başlıkta Hakkında Bilmeniz Gereken Her Şey

Kalay ve bakırın yeni ve daha iyi bir malzeme olan bronz oluşturmak üzere bir araya getirilmesinden bu yana, 10.000 yılı aşkın bir süredir metal alaşımları kullanıyoruz. Günümüzde, kullandığımız neredeyse tüm metaller, kendilerini oluşturan elementlerden çok daha üstün oldukları için bir çeşit alaşımdır. Gaz türbinlerinin ortaya çıkmasıyla birlikte, mühendisler üstün mekanik özelliklere ve yüksek sıcaklık direncine sahip malzemelere ihtiyaç duydular ve bu grup toplu olarak süper alaşımlar olarak adlandırıldı.

Süper Alaşımlar Nedir?

Süper alaşımlar, geleneksel alaşımlara göre daha iyi sürünme, oksidasyon ve korozyon direnci sunarken, yüksek sıcaklıklarda bile mükemmel mekanik özellikleri koruyan bir metal grubudur. Bir anlamda yüksek performanslı alaşımlar olarak işlev görürler.

Havacılık ve uzay endüstrisinde gaz türbini motorlarındaki bileşenler için yaygın olarak kullanılan süper alaşımlar, geleneksel çelik veya alüminyum alaşımlarına kıyasla çok daha üstün özellikler sunmak için bir nikel, kobalt veya demir tabanı kullanır.

Demir bazlı geleneksel alaşımların çoğu 400 santigrat derecede malzeme mukavemetinde önemli bir düşüş görmeye başlarken (alüminyum alaşımları daha da düşüktür), birçok süper alaşım aslında 750 ila 900 derece arasında mukavemette bir artış sergiler.

Süper Alaşımlar Neden Önemlidir?

Süper alaşımlar ton başına çelik, alüminyum veya paslanmaz çeliklerden daha pahalıdır; ayrıca işlenmesi ve istenen şekle getirilmesi daha karmaşıktır.

Peki neden belirli uygulamalarda bu kadar yaygın olarak kullanılıyorlar?

Sürünme Direnci

Sürünme, bir bileşenin nihai gerilme mukavemetinin çok altındaki bir gerilme seviyesinde deforme olduğu bir malzeme arıza modudur. İlk keşfedildiğinde, nihai gerilme mukavemeti, gerilme/gerinim ve yorulma hakkında çok şey biliniyordu, ancak bu yeni fenomen geleneksel metalurjiye meydan okuyor gibiydi.

Önemli test ve analizlerden sonra, bir parça üzerindeki uzun süreli (nispeten hafif olmasına rağmen) stresin ‘soğuk akış’ olarak da bilinen şeye neden olabileceği bulundu ─ parça, UTS’sinin yarısından daha azında plastik olarak deforme olacaktı.

Sürünme hakkında daha fazla bilgi için buradaki makalemize göz atın. Ayrıca, herhangi bir kaynaktan gelen ısının sürünmeyi hızlandırdığı keşfedilmiştir. Jet motorlarındaki bileşenler için bu potansiyel olarak yıkıcı bir sorundur.

Süper alaşımlar, türbin kanatları gibi parçaların merkezcil kuvvet ve ısının en uç noktalarında çalışmasını sağlarken, güçlerini ve en önemlisi şekillerini korurlar. Süper alaşımların kullanımından önce, sürünmeye dirençli olmayan malzemelerin uzun süreli testleri, türbin kanatlarının dönerken uzaması ve motor gövdeleriyle etkileşime girmesi gibi ilginç sonuçlarla sonuçlandı.

Yüksek Sıcaklıklara Karşı Direnç

Havacılık motorları ve gaz türbinleri gibi uygulamalarda, yüksek sıcaklıklara karşı direnç bir zorunluluktur. Süper alaşımlar sadece yüksek sıcaklıklarda iyi performans göstermekle kalmaz, bazı durumlarda malzemenin UTS değeri artarak daha yüksek çalışma gerilimlerine veya daha az kütleye izin verebilir.

Her iki nokta da havacılık için bir artıdır. Süper alaşımlar ısıya geleneksel alaşımlardan daha iyi direnç gösterdiğinden, jet türbin motorlarının tasarımında birçok iyileştirme yapılmıştır.

Jet türbinleri, emilen hava ve yakıtın sıkıştırılması sayesinde bu kadar yüksek seviyelerde itme gücü üretebilir; sıkıştırma ne kadar yüksek olursa motor o kadar fazla güç üretebilir. Basınç ve yanma hızı arttıkça üretilen ısı da artar.

Neyse ki süper alaşımların ısıya ve sünmeye karşı direnci daha yüksek yanma basınçlarına izin vererek verimliliği önemli ölçüde artırmıştır. Ne kadar? Sadece ABD’de 2019 yılında 760 milyardan fazla yolcu hava mili kat ederken, küçük verimlilikler yakıtta büyük tasarruflara eşit olabilir.

Süper Alaşımları Eşsiz Kılan Etkenler Nelerdir?

Süper alaşımlar, sadece çok özel uygulamalar için kullanılan egzotik metaller olarak diğer metallerin çoğundan ayrılır.

Peki onları gerçekten özel kılan nedir?

Kafes Yapısı ve Çökelme Sertleşmesi

Atomik düzeyde, metalleri oluşturan elementler kafes yapılar oluşturur. Bu ne anlama gelir? Atomlar, plastiklerin aksine dik sıralar ve ızgaralar halinde düzenlenmiştir. Metallerin kafes yapıları oluşturmaya yönelik doğal eğilimi hem faydalı hem de engelleyici olup onlara güç kazandırır, ancak sadece belirli düzlemlerde.

Bir metalin alaşımlanması (oksidasyon direnci gibi diğer faydalarla birlikte) bu kafes yapısının katılaşmasına yardımcı olur ve bu kayma düzlemlerini bloke ederek atomik düzlemlerin kaymasına neden olmak için gereken kuvveti artırır.

Süper alaşımlar, özellikle nikel bazlı süper alaşımlar, bir adım daha ileri gider. İki fazlı bir denge mikro yapısının oluşumu, alaşım elementlerinin kendilerini nasıl düzenlediklerini etkiler ve onlara birden fazla farklı arıza modundan koruma sağlar.

Malzemeleri sertleştirmek için kullanılan bu teknik, çökelme sertleşmesi olarak bilinir ve birçok alüminyum, paslanmaz çelik ve nikel alaşımında kullanılır.

Süper Alaşım Örnekleri

Nikel, demir ve kobalt süper alaşımların ana kategorileridir ve her birinin içinde birçok alt bölüm bulunur. Birkaçına hızlıca göz atalım:

Nikel Bazlı Süper Alaşımlar

Hastelloy

Bu alaşım, molibden ve kromun bir kombinasyonudur ve mükemmel korozyon direnci oluşturmanın yanı sıra iyi kaynaklanabilirlik ve aside karşı direnç sağlar. Yaygın olarak kullanılan C276, Hastelloy B, B-2 ve benzeri dahil olmak üzere birçok Hastelloy çeşidi mevcuttur. Her kalite, geniş bir uygulama yelpazesine uyum sağlamak için biraz farklı özelliklere ve alaşım elementi seviyelerine sahiptir

Inconel

Inconel bazen paslanmaz çeliğe yüksek sıcaklık alternatifi olarak kullanılır. Aşırı yüksek sıcaklıklara kadar aside ve korozyona dayanıklı kalma kabiliyeti ile paslanmaz çeliği geliştirir. Krom, Inconel’ler içinde en bol bulunan alaşım elementidir, ancak çoğu süper alaşım gibi, birçok farklı varyasyon mevcuttur.

Süper Alaşımların Özellikleri Nelerdir?

Hem alaşım elementleri hem de ısıl işlem üzerindeki yakın kontrol, metalürjistlere bir malzemenin özelliklerini belirlemede hassasiyet sağlayabilir. Aynı durum süper alaşımlar için de geçerlidir ve her bir alt grup genellikle mekanik veya kimyasal özelliklerde şaşırtıcı farklılıklara sahiptir; biz sadece genel olanlardan bazılarını ele alacağız.

Nikel Bazlı Süper Alaşımlar

Mekanik/kimyasal özellikler:

• Yüksek termal direnç
• Güçlü korozyon direnci
• Yüksek mukavemet

İşlenebilirlik:

• İyi işlenebilirlik
• Bazı durumlarda kaynaklanabilirlik
• Şekil hafızası
• Düşük termal genleşme

Kobalt Bazlı Süper Alaşımlar

Mekanik/kimyasal özellikler:

• Nikel bazlı alaşımlardan daha üstün termal direnç
• Hem nikel hem de demir alaşımlarına kıyasla daha yüksek sıcak korozyon direnci
• Yüksek sıcaklıklarda daha fazla termal yorulma direnci

İşlenebilirlik:

• Daha iyi kaynaklanabilirlik
• Bazı alaşımlarda zayıf işlenebilirlik

Demir Bazlı Süper Alaşımlar

Mekanik/kimyasal özellikler:

• Nikel bazlı alaşımlara kıyasla yüksek sıcaklıklarda düşük mukavemet
• Nikele kıyasla mükemmel aşınma direnci
• İyi sürünme direnci

İşlenebilirlik:

• Genel olarak daha iyi kaynaklanabilirlik
• İyi işlenebilirlik

Süper Alaşımların Bileşimleri

Nikel Bazlı Süper Alaşımlar

Yaygın olarak kullanılan bir nikel süper alaşım olan Hastelloy, gerekli uygulamaya bağlı olarak kimyasal bileşimin birçok varyasyonuna sahiptir.

Hastelloy C22 aşağıdaki bileşime sahiptir:

• 56 nikel
• %22 krom
• %13 molibden
• Diğer: daha düşük miktarlarda demir, tungsten ve kobalt

Inconel 625, daha fazla nikel ve daha az molibden içeren tipik bir Inconel’den farklıdır; aşağıdaki bileşime sahiptir:

• 58-71 nikel
• %21-23 krom
• %8-10 molibden
• %5 demir
• Diğer: daha düşük miktarlarda niyobyum, kobalt ve manganez

Kobalt Bazlı Süper Alaşımlar

Kobalt bazlı süper alaşımlar tipik olarak kobalt ve kromdan oluşur. Demir içermeyen kobalt bazlı bir alaşım olan X-40, esas olarak mükemmel sürünme direnci için kullanılır.

Tipik bir Alaşım X-40 bileşimi şöyledir:

• 54 kobalt
• %24 krom
• %10 nikel
• %7,5 tungsten
• %0,5 karbon

Demir Bazlı Süper Alaşımlar

A-286 sık kullanılan demir bazlı bir süper alaşımdır. Paslanmaz çeliğin bir evrimi olarak düşünülebilir, sadece 700 santigrat dereceye kadar olağan korozyon direnci sunar.

A-286, esas olarak demir ve kromdan oluşması bakımından tüm paslanmaz çelikler gibidir. Bunlar mevcut diğer elementlerdir:

• 53 demir
• %26 nikel
• %15 krom
• %7,5 tungsten
• %2,15 alüminyum

Süper Alaşımların İşlenmesi

Bu yeni çok fazlı malzemeleri oluşturmak için sıradan çelik ve alaşım üretim süreçlerinde birçok değişiklik yapılması gerekiyordu. Yeni işlemlere ek olarak, işlem parametreleri üzerinde daha sıkı kontrol gerekliydi.

Nikel bazlı süper alaşımlar en yaygın olarak kullanılabilir bir şekle dökülür. Külçelerden soğuk şekillendirme yapan sınırlı sayıda uygulama vardır, ancak bunlar genellikle döküm işlemine göre daha düşük malzeme özellikleri sağlar.

Yönlü Katılaştırılmış Döküm (DS)

1960’larda geliştirilen bu döküm türü, geleneksel alüminyum veya demir dökümünden önemli ölçüde farklıdır. İlk olarak, dökümler sıcaklığın yakından kontrol edilmesini sağlayan bir fırın içinde tamamlanır.

Kalıplar daha sonra malzemenin özelliklerine ve özellik gereksinimlerine uygun olarak yüksek ısıdan yavaşça çıkarılır. Yönlü katılaştırılmış kalıplar, diğerlerinden önemli ölçüde daha soğuk bir iç yüz içerecek şekilde tasarlanmıştır.

Bu karmaşık sürecin amacı, tanelerin nerede ve hangi yönde oluştuğunu kontrol etmektir. Kalıbın soğutulan yüzü, genellikle alt kısım, tüm parçanın aşağıdan yukarıya doğru soğumasına neden olur. Tane sınırlarının yönünü kontrol edebilmek, mühendislerin ve metalürjistlerin belirli yönlerde son derece güçlü parçalar oluşturmasına olanak tanır.

Bu, havacılık ve uzay endüstrisinde jet türbin motoru bileşenleri üretirken son derece kullanışlı bir araçtır. İlk Yönlü Katılaştırılmış türbin kanatları 1969 yılında Pratt and Whitney tarafından üretildi – bunlar ünlü SR-71 Blackbird’ün motorlarında kullanıldı!

Tek Kristal Döküm (SC)

DC dökümün faydalarının devamı olarak, tek kristal döküm süreci daha da karmaşık bir şekilde izler ve parçanın yaklaşık %95’inin tek bir metalik kristalden oluşmasıyla sonuçlanır.

Tane sınırlarının neden olduğu kayma, kavitasyon ve inklüzyonlar gibi tüm sorunlar bu şekilde ortadan kaldırılır. Bunun sağladığı en büyük avantajlardan biri de sürünme direncindeki büyük artıştır.

SC döküm, DC dökümden bile daha karmaşık kalıplar kullanılarak gerçekleştirilir. Su soğutmalı plakaya ek olarak, kalıplar bir dizi kıvrıma sahiptir – bunun amacı kristal yapı oluşumlarının miktarını azaltmaktır.

Bunları sarmal bir spiral şeklinde düzenleyen ve duvarlara tırtık detayları ekleyen Pratt & Whitney mühendisleri, neredeyse hiç ikincil kristalleşme olmayan dökümler oluşturmaya başladı.

Burada sıcaklık kontrolünün kritikliği göz ardı edilemez. Kalıp duvarının sıcaklığındaki hafif bir düzensizlik bile çok sayıda kristalleşme bölgesine neden olarak tüm dökümü anında mahvedebilir.

Süper Alaşımların Kullanım Alanları

Sektörler

Süper alaşımların kullanımı yaygındır. Malzemelerin kendileri genellikle nispeten küçük miktarlarda kullanılsa da, bir bileşenin verimliliğinde ve mukavemetinde büyük gelişmeler sağlayabilirler.

• Havacılık ve Uzay
• Nükleer enerji üretimi
• Kimyasal işleme
• Isıl işlem
• Otomotiv
• Medikal

Uygulamalar

Muhtemelen nikel bazlı süper alaşımların en iyi bilinen ve en iyi belgelenmiş kullanımı türbin motorlarıdır. Malzemenin yüksek sıcaklık dayanımı ve sürünme direnci havacılık endüstrisinde devrim yaratmış, hem ticari hem de yolcu uçuşlarında inanılmaz verimlilik artışları sağlamıştır.

Sürünme ve oksidasyon direncinin bir zorunluluk olduğu türbin kanatlarına benzer nitelikte çok sayıda başka uygulama vardır. Bunlar arasında otomotiv turboşarj türbinleri, enerji santrali buhar türbinleri ve daha fazlası yer alır.

Süper alaşımlar statik bileşenlerde de kullanılır; birçok işleme sistemi vanalar, kaplar, cıvatalar ve kanallar için yüksek mukavemet ve korozyon direncinden yararlanır. Bu ortamlar genellikle paslanmaz çeliğin geleneksel olarak kullanılacağı yerlerdir.

Süper Alaşımların Geleceği

Havacılık sektöründeki itibarlarını pekiştiren bu alaşımların kullanımı için bir sonraki mantıklı adım uzay yolculuğudur.

Uzayda kullanılan motorlar, ağırlık azaltma/verimlilik, yüksek sıcaklık değişimi ve yüksek stres gibi atmosfer altı uçuşlarda karşılaşılan zorlukların birçoğuyla aynı olduğundan, süper alaşımların uygulanmasından faydalanmaya hazırdır.

Daha güçlü malzemelerle ağırlıktan tasarruf edebilmek son derece önemlidir. Buna 1960’lardan bu yana neredeyse her uzay fırlatma cihazının yapımında tanık olduk.

Bu makale farklı alaşım türlerinin gelişimini gözler önüne seren, endüstrilerde kullanımı yaygılaşan alaşımların ne denli kullanım alanı bulacağını göstermesi açısından bir rehber niteliğinde bilgilere sahiptir.

Tüm metal ve çelik ihtiyaçlarınız için bizimle iletişime geçmeyi ve hemen bu yazının altında bulunan ürün yelpazemize göz atmayı unutmayın!