Bazı şekil hafızalı malzemelerin kaynağı mümkün olmakla beraber, kaynak işlemi sonrası fiziksel ve termal özelliklerinde değişiklikler meydana gelebilir. Kaynağı mümkün olmayan şekil hafızalı malzemelerin birleştirme işleminde genellikle lehimleme ve mekanik olarak kenetleme işlemleri kullanılmaktadır.
Şekil hafızalı alaşımlar içerisinde şu ana kadar Fe-3OMn-6Si, Fe-3OMn-6Si-5Cr ve Ni- 49.6Ti alaşımlarının kaynak karakteristikleri üzerindeki çalışmalara rastlanmıştır. Bu alaşımların TİG ve lazer kaynak yöntemleriyle kaynak edilebilirlikleri araştırılmıştır.
Fe-Mn-Si bileşiminden oluşan Fe esaslı şekil hafızalı alaşımlar düşük maliyet ve mükemmel işlenebilirliği ile son zamanlarda dikkatleri üzerine çekmiştir. % 28-34 Mn ve % 4- 6.5 Si içeriğine sahip olan Fe-Mn-Si alaşımlarının mükemmele yakın bir şekil hafıza etkisi gösterdiği kaydedilmiştir. Aynı zamanda Cr ve Ni şekil hafıza etkisi ve korozyon direncini düzeltmek için Fe-Mn-Si alaşımına eklenmiştir. Ti-Ni ve Cu esaslı şekil hafızalı alaşımlara benzemeyen Fe-Mn-Si alaşımları termoelastik olmayan bir martenzitik dönüşüm gösterir. Fe- Mn-Si alaşımlarının şekil hafıza etkisi gerilmeyle sonuçlanan hekzagonal sıkı paket yapılı є martenzitin ısıtmayla yüzey merkezli kübik γ ana ostenite tersinir dönüşümden kaynaklanır. Son on yılda Fe-Mn-Si alaşımları üzerine yapılan çalışmalar dönüşüm davranışları, şekil hafıza etkisinin fiziksel özelliklere ve bileşime bağımlılığı ile korozyon dayanımı üzerine yapılmıştır. Aynı zamanda, Fe-Mn-Si alaşımlarının şekil hafıza etkisini ciddi şekilde düzeltecek araştırmalar gerçekleştirilmiştir. Fe-Mn-Si alaşımının dikişsiz tüp imalinde mekanik kesme ve delme yönteminin kullanılması pahalı bir işlem olmasına karşın randımanı yüksek değildir. Bu yüzden kaynak teknikleri Fe-Mn-Si alaşımının tüp yapımında uygun bir metot olarak görülmektedir.
Ti-Ni şekil hafızalı malzemelere birtakım kaynak usulleri uygulanmıştır. Fakat ağırlıkça difüzyonla birleştirme işlemi üzerindeki çalışmalara önem verilmektedir. Çünkü şekil hafızalı alaşımlardan Ti metali difüzyon kaynağı için oldukça elverişlidir. Titanyumun difüzyon kaynağına elverişli olmasının sebebi kendi oksidi de dahil olmak üzere, yüzey atıklarını, yüksek sıcaklıklarda basınç uygulandığı zaman çözeltiye alabilme kabiliyetidir. Ayrıca titanyumu difüzyon kaynağı açısından kaynağa elverişli kılan diğer bir husus da yüzeyin temizlemeye ihtiyaç göstermemesidir. Titanyumun ergitme kaynağına uygun olmaması da, bu metalin difüzyon kaynağı ile birleştirilmesini zorunlu kılmaktadır. Bu uygulamada kullanılan ara tabakalar ise; Cu ve Cu-Ag gibi saf titanyumdan oluşan tabakalardır. Bu ara tabakalardan bakır bazlı alaşımlar ucuzlukları nedeniyle daha iyi bir alternatif sunmaktadırlar. Özellikle ince taneli bakır bazlı şekil hatırlamalı alaşımlar taneler arası kırılmaya bir çözüm getirmiş ve bunların mekanik özelliklerinde belirgin bir gelişme kaydedilmiştir.
Fe-30Mn-6Si ve Fe-30Mn-6Si-5Cr içeriklerine sahip şekil hafızalı alaşımların kaynak karakteristikleri Tuissi ve arkadaşları (1999) tarafından TIG ve CO2 lazer tekniği kullanılarak
araştırılmış olup şu sonuçlara ulaşılmıştır:
• Kaynaklı alaşımların şekil hafıza etkisini kaybetmediği sonucuna ulaşılmış, Fe-30Mn-6Si içerikli numunenin kaynaklı bölgesindeki Mn içeriğinin azalmasının şekil dönüşümünü arttırabileceği kaydedilmiştir. Fakat Fe-30Mn-6Si-5Cr’ lu numunenin kaynaklı bölgesinde oluşan dendirritlerin, numunenin şekil hafıza etkisini hafif azaltabileceği düşünülmektedir.
• Kaynaklı bölgenin korozyon direncinin, her iki numunede de % 2 HCI ve % 2 HNO3 solüsyonları içerisine batırıldığında ana malzemeninkinden daha kötü olduğu
görülmüştür. Kaynak bölgesinde korozyon direncinin azalmasının kaynak bölgesinde oluşan makro segregasyon ve kaynak gerilmesine dayandırılmaktadır.
• Kaynaklı bölge 2 h 1100°C’ de tavlandığında dendirit yapılarının kaybolduğu sonucuna ulaşılmıştır. Kaynak edilen ve daha sonra tavlanan Fe-Mn-Si alaşımlarının korozyon direncinin düzeldiği ve makro segregasyon ve kaynak gerilmelerinin kaybolmasına uygun olarak hala mükemmel şekil hafıza etkisini muhafaza ettiği kaydedilmiştir.
Ti-Ni şekil hafıza alaşımları, şekil hafıza etkisi ve sunielastiklik uygulamalrında fonksiyonel özelliklerin çok iyi kombinasyonuna sahiptir. Bu alaşımların nispeten düşük şekillendirilebilirliği ve ekonomik sebeplere uygun olarak birleştirilebilirliği birçok kez araştırılmıştır. Bununla beraber mikro elektromekanik sistemlerde uygulama alanını genişletmek amacıyla kaynaklı malzemelerin sınırlılıkları ve çalışma çerçevesini belirleyecek, birleştirilecek malzemenin sunielastiklik etkisi (PE) ve şekil hafıza etkisini çok iyi bilmek gerekir. Ti-Ni alaşımlarının martenzitik dönüşümü ve mekanik özellikleri üzerine yaşlandırma, ısıl çevrim şartları ve kimyasal bileşimin büyük etkisi vardır. Ti-Ni alaşımının martenzitik dönüşümü üzerine kaynak işlem parametrelerine bağlıdır (Tuissi ve diğ., 1999).
Ni-49.6Ti şekil hafıza alaşımının fonksiyonel özellikleri üzerine lazer kaynağının etkileri sistematik olarak kaynaklı ve referans malzemesi arasında incelenmiş, kaynak sonucu ortaya çıkacak mikroyapısal değişimin şekil hafıza etkisini koruduğu kaydedilmiştir. Bununla beraber kaynak metalinin çekme dayanımının çok zayıf olduğu (en yüksek çekme gerilmesi 600Mpa) belirlenmiştir. Ayrıca lazer kaynağının pratik uygulamalar için sunielastiklik etkiyi azalttığı sonucuna da ulaşılmıştır. Ti-Ni alaşımlarının, lazer ışını ile kaynağında bundan sonraki çalışmaların lazer kaynaklı malzemenin fonksiyonel özellikleri üzerine termal ve mekanik çevrimlerin etkisi ve kaynak gerilmesinin arttılması düşünüldüğü belirtilmektedir (Tuissi ve diğ., 1999).
4.1. Hafızalı Alaşımların Kullanım Alanları
Şekil hafızalı alaşımlar dört temel alanda kullanılmaktadır. Bunlar; • Medikal endüstri ve teknoloji,
• Uzay ve havacılık endüstrisi, • Otomotiv endüstirisi,
• Diğer uygulamalardır.
4.1.1. Hafıza Etkisinin Kullanıldığı Uygulamalar
Şekil hafıza etkisinin kullanıldığı uygulama alanlarını şu şekilde sınıflandırabiliriz (Otsuka ve Ren, 1999). Bunlar:
• Birleştirmeler (Bağlantılar), • Aktivatörler,
• Akıllı malzemelerdir.
Birleştirmeler, sınırlı geri dönüşüm esnasında, deforme olmuş SMA elementi sayesinde ortaya çıkan kuvvetin kullanılmasıyla gerçekleştirilir. Şekil hafıza elementinin bu özelliği Şekil 4.1.’de görüldüğü gibi Grumman F-14 uçağında titanyum hidrolik boruların bağlantısı için kullanılmıştır. Burada, birleştirme elemanı olarak birleştirilecek borunun iç çapından daha küçük bir iç çapa ostenitik şartlarda işlenen Ni-Ti şekil hafıza alaşımı kullanılmıştır. Bağlantı daha sonra, sıvı azotla Mf sıcaklığı altına soğutulmakta ve borunun dış çapından hafif büyük bir
iç çapa mekanik olarak genişletilmektedir (Şekil 4.1.b). Sıvı azot ortamdan uzaklaştırıldıktan sonra borular bağlantı elemanının içerisine yerleştirilmekte ve sıcaklığın yükselmesiyle Ni-Ti bağlantı elemanı boruları sıkıca bağlamaktadır (Şekil 4.1.c). Birleştirmeler veya bağlantıların özel bir sınıfı ise kritik bir sıcaklık ve kısa bir süre içerisinde iki farklı parçayı kilitleme veya açma yapabilen ısıya karşı duyarlı elemanlardır (Humbeeck, 1999).
Şekil 4.1. Ti Hidrolik Boru Bağlantılarında SME Şekil 4.1. Ti Hidrolik Boru Bağlantılarında SME
Ohkata ve Suziki şekil hafızalı aktivatör uygulamalarını iki sınıfa ayırmıştır (Humbeeck, 1999). Bunlar:
• SMA’ların hem aktivatör hem de sensör olarak kullanıldığı uygulamalar. Bu sınıfta ortam sıcaklığı tetik etkisi ve aktivatörün hareketini sağlar.
• SMA aktivatörün tam bir kontrol etkisini ortaya koymak için kasıtlı olarak ısıtıldığı uygulamalar. Isıtma işlemi elektrik akımıyla sağlanabilir veya sıcak akışkan ve sıcak gaz akışıyla da kontrol edilebilir.
Aktivatörlerin ilk sınıfındaki uygulamalar bir çok güvenlik kontrol aygıtlarında bulunabilir. Örneğin, şekil hafıza etkisiyle ısıyı açıp kapatan su ısıtıcıları, kahve makinaları, termostatik karıştırma valfleri ve sıcaklığa bağlı açma-kapama valfleri gibi uygulamalardır (Humbeeck, 1999). 0.1 s’lik aktivasyon zamanı ve 1 N’a karşılık gelen yükler için açma- kapama uygulamalarında mikroaktivatörler kullanılır. Şekil 4.2.21’de Ni-Ti alaşımından yapılmış bir mikroaktivatör siviç görülmektedir. Diğer yandan 400 N’a kadarlık yükler için destek aktivatörleri şekil hafıza etkisi gösteren silindirler kullanılabilir. Bu tip aktivatörler genellikle elektriksel olarak aktive edilirler. Bu amaç için işlenmesi Cu esaslı alaşımlardan daha zor ve daha pahalı olduğu halde yanlızca Ti-Ni’li SMA’lar kullanılır. Çünkü Ti-Ni’li SMA’lar daha büyük bir elektriksel direnç, çok daha yüksek çalışma gerilmesi ve uzamaya sahiptir (Stalmans ve Humbeeck, 1995). Termostatik karıştırma valfinde biri diğerine zıt olan bir SMA’dan yapılmış yay ve karşı bir yaydan oluşur. Karışık suyun sıcaklığı çok yüksek olduğunda SMA yay genişler, karşı yay ise büzülür. Çünkü SMA yay karşı yaydan daha serttir. Bu sistemde, sıcaklığı doğrusal olarak kontrol etmek mümkündür.
Şekil 4.2. Bir Ni-Ti alaşımı mikroaktivatör siviç
Şekil hafızalı alaşımlar aynı zamanda akıllı malzemelerdir. SMA bu özelliğiyle polimer veya metal matrisli Ti-Ni SMA takviyeli kompozit üretiminde kullanılır. Kompozit veya polimer içerisine gömülen Ti-Ni teller yüzeylerin vibrasyon kontrolünü sağlar. Çünkü elastik sabiteler dönüşüm sıcaklığı alanında değişen sıcaklıkla değişir. Al matris içerisine gömülen Ti- Ni teller Al matris takviyesi olarak kullanılabilir (Otsuka ve Ren, 1999). Akıllı malzemelerin kullanıldığı yere bir örnek olarak, uçaklar için akıllı kanat uygulamasını ve benzer olarak helikopter pervane kanatları verilebilir. Bu tip kullanım yerlerinde kanadın şekli, örneğin; uçağın hızına bağlı olarak uyarlanabilmeli aynı zamanda verimliliği ve gürültü redüksiyonunu arttırmalıdır (Humbeeck, 1999).