Modern dünyanın koşulları, tesis ve donanım tasarlayabilmek için yüksek mukavemetli yapısal malzemelerin kullanımını kaçınılmaz kılmaktadır. Yapısal malzemeler uygulanan yüklerin taşınması ve çalışan bölgedeki ayrışmaların önlenmesi açısından tüm mekanik sistemlerin belkemiği kabul edilir. Buradaki kritik rol, zorlayıcı koşullar altında çalışan malzemelerin güvenirliliğidir. Örneğin; elektrik üretim tesisleri, yağ rafinerileri, kimyasal işlem yapan tesisler, endüstriyel fırınlar ve pek tabi ki uçak motorları nikel esaslı süperalaşımların en çok kullanıldığı yerlere örnek olarak verilebilir. Ancak bu malzemeler özel işlemler için kullanıldığı ve çoğu zaman doğrudan gözlemlenemediğinden yaygın olarak bilinmemektedirler.
Şekil 1.1. Üç boyutlu turbofan jet motoru kesiti (Stolle, 2004)
Havacılık endüstrisi hızlı, yakıt verimliliği yüksek ve sessiz motorlarla güçlendirilmiş uçakları olmaksızın varlığını devam ettiremez. Jet motorları süperalaşımlar için mükemmel bir uygulama alanıdır. Bunun sebebi, çalışma ortamının sıcak, yüklerin fazla olmasına karşılık ağırlığın minimize edilmesinin gerekliliğidir.
Ayrıca kritik önem taşıyan yapısal elemanlar muayene ve tamir açısından ele alındığında motorun ulaşılması zor bölgelerinde bulunmaktadır ki, bu parçaların güvenli bir şekilde çalışarak yolcu ve yük taşıması beklenmektedir.
Durumun önemini, insanların güvenli ve hızlı bir biçimde dünya üzerinde seyahat edemedikleri bir yaşantının günümüzdekinden ne kadar farklı ve zor olacağını düşündüğümüzde anlayabiliriz. Sonuç olarak, hava ulaşımının keşfedildiği 1920’li yıllardan bu yana modern çağın vazgeçilmez bir parçası olmuştur. Hava taşımacılığına olan eğilimin hızla artmasının başka bir önemli sebebi ise, güvenliğin üst düzeye ulaşması ve yolculuk sırasında meydana gelebilecek hayat kaybı ya da yaralanma gibi durumların kara yolu taşımacılığına göre çok daha az olmasıdır.
Şekil 1.2. Turbofan jet motorunun çalışma prensibinin şematik gösterimi
Jet motorlarına yapılan süperalaşım uygulamalarını anlamak için motorun çalışma prensibini temel şekilde kavramak faydalı olacaktır;
Jet itkisi, lüleden çıkan basınçlı gaz kütlesinin tersi yönünde sağlanan güç sayesinde üretilmektedir. Tipik bir turbofan jet motorunda hava sürekli olarak motor girişine çekilir ve büyük bir fan tarafından basınçlandırılır. Bu basınçlı hava itki sağlamak için ya lüle üzerinden doğrudan atmosfere yollanır ya da jet motoru çekirdeğine doğru akar. Çekirdekte kompresör havanın basıncını daha da arttırır ve ardından yakıtla karıştırılarak sabit basınçta yakılır. Sıcak gaz kompresörü çalıştıracak
enerjiyi sağlayan yüksek basınç türbinine doğru genişletilir. Yüksek basınç türbininden çıkan gaz ön fanı çalıştıran ikinci bir düşük basınç türbinine doğru genişler. Düşük basınç türbininden çıkan çekirdek havası ek motor itkisini sağlayan lüleden akar.
1950’li yılların sonuna gelindiğinde üretici firmalar o zamana kadar paslanmaz çelikten üretilmiş olan türbin motorlarının mekanik ve ısıl kısıtlarıyla sınırlanmaya başladılar. Yapılan çalışmalar sonucunda, oksitleyici ortamlarda çok şiddetli mekanik gerilme ve gerinmelere dayanabilmek için kararlılıklarını kaybetmeyen malzemeler geliştirildi.
Şekil 1.3. Türbin giriş sıcaklığında yıllara ve gelişen teknolojilere bağlı artış (Koolloos, 2001)
Ergime sıcaklıklarının yaklaşık 0,6’sında (0,6 Tm) hizmet verebilen bu yeni malzeme grubu süperalaşımlar olarak adlandırılmaya başlandı (Üzgür, vd., 2011).
Süperalaşımlar genellikle Ni, Fe ve Co esaslı olmak üzere üç grupta incelenirler (Sims, et al., 1987). Ayrıca belli oranlarda ve kombinasyonlarda tungsten, molibden, tantal, niyobyum ve alüminyum vb. elementleri içermektedirler. Nikel esaslı süperalaşımlar üstün malzeme özellikleri nedeniyle diğerlerinin arasında özel bir yere sahiptir. Uçak gaz türbin motorlarında kullanılan malzeme olarak da ayrı bir önem arz etmektedirler.
Bu malzemelerin mükemmel denilebilecek özellikleri yüksek sıcaklık mukavemet dayanımından, korozif ortamlardaki yorulma direncinin yüksekliğine kadar büyük bir aralıkta görülebilmektedir. Söz konusu özelliklerinden dolayı sadece havacılık
endüstrisinin değil, gemi, tren, petrokimya ve nükleer güç santrallerinin de vazgeçemeyeceği malzemeler sınıfına girmişlerdir.
Günümüz alaşımlarının oluşumuna etki etmiş pek çok faktör vardır. Gelişime etki eden bazı önemli durum ve buluşları şu şekilde özetleyebiliriz;
• Fazladan yapılan alaşımlandırma ilaveleri topolojik sıkı istifli (TCP) metaller arası bileşiklerin kademeli oluşumuyla ortaya çıkan çökelme fazının kararsızlığına sebep olmaktadır. Alaşım, servis sırasında TCP fazlarının genellikle tane sınırlarında iğne biçimli hale gelmesi sebebiyle kırılganlaşır. Anlaşıldığı üzere alaşım geliştirme çalışmalarındaki en büyük kısıtlardan biri bu durumdur.
• Alaşımlar bazı özel ortamlardaki performansı optimize etmek için uygun hale getirilebilir. Fakat bu işlem diğer mekanik ve fiziksel özelliklerin düşmesine neden olur.
• Alaşımlar uygulamalar için en çok arzu edilen bileşime sahip olsalar bile, şekillendirme kısıtlarından dolayı karmaşık şekilli parçaların üretimine uygun olmayabilirler.
• Mukavemetlendirme elementleri ilave edildikçe ortaya çıkan alaşımın sünekliği azalır. Türbin kanat alaşımlarında bu durum en iyi 650oC ve 760oC arasında ve türbin pale bağlantı elemanlarında gözlemlenir. Sünekliğin azalması aynı zamanda türbin kanatçıklarının döküm katılaşması ve/veya ısıl işlem sırasında şekil değiştirme miktarı azalmış bir şekilde çatlamasına neden olur (Schafrik and Sprague, 2008)
Yukarıda açıklanmış olan problemler şu şekilde irdelenebilir; türbin kanatçıklarının 760oC’de en az %2 sünekliğe sahip olması gerekmektedir. Bu durum yüksek sürünme dayanımlı alaşımların kullanımını kısıtlamaktadır ancak kazanılan süneklik olası bir kırılmanın da önlenmesini sağlamaktadır. Az miktarlarda yapılan hafniyum ilavesi alaşımın kabul edilebilir minimum sünekliğe ulaşmasını sağlar. Sonuç olarak yüksek dayanımlı pale alaşımlarındaki tane sınırı sünekliğinin eksikliği yönlü döküm katılaşması (directional casting solidification) yöntemiyle çözülmüştür.
Yöntemde asal gerilme yönündeki tane sınırları ortadan kalkmaktadır. Kobalt esaslı alaşımların mukavemetlendirilmesi ise sadece katı çözelti alaşımlandırması ve karbür dağılımı ile mümkündür. Kobalt esaslı alaşımların nikel esaslılara göre yüksek
ergime sıcaklığı, çevresel dayanım ve kaynak edilebilirlik gibi özellikler yönünden üstünlükleri olmasına karşın mekanik özellikleri nedeniyle sadece yüksek dayanım istemeyen statik kısımlardaki uygulamalar için uygundurlar. Çizelge 1.1.’de bazı süperalaşımların sıcak çekme mukavemetleri görülmektedir.
Çizelge 1.1. Jet motorunda kullanılan bazı alaşımların çekme dayanımları (Schafrik and Sprague, 2008)
Nikel esaslı alaşımlara küçük oranlarda yapılan titanyum ve alüminyum ilaveleri büyük bir gelişmeye olanak vermiş ve (γ′) – gama üssü olarak bilinen metaller arası faz oluşmuştur. γ′-[Ni3(Al, Ti)] oldukça iyi verimliliği olan ve yüksek sıcaklıklarda dayanımını mükemmel bir şekilde koruyabilen bir fazdır.
Keşfedildiği zamandaki metalografi donanımlarıyla γ′ kafes yapısı tam olarak analiz edilememiş olsa da daha sonraları 20. Yüzyılın en önemli buluşlarından biri olarak kabul edilmiştir (Eiselstein, 1972). Bu gelişmelerden kısa bir süre sonra nikel esaslı süperalaşımlar, türbin diskleri ve paleleri gibi rotatif yapısal elemanlar veya basınç odaları ve şasiler gibi statik yapısal elemanların üretimi için hedef seçilmişlerdir.
Bu çalışmanın konusu olan Inconel 718 söz konusu alaşımlara örnek olarak verilebilir. γ′ alaşımlarınki kadar ısıl kapasiteleri olmasa da γ′′ alaşımlar oldukça iyi bir çekme mukavemeti ile birlikte yüksek üretilebilirlik ve kaynak edilebilirliğe sahiptirler.
Şekil 1.4. Yapısal alaşımların GE havacılık motorlarında 2000’li yıllardaki kullanımı (Schafrik, et al., 2001)
γ′ ile mukavemetlendirilmiş nikel esaslı sistemlerde önemli alaşımlandırma ve süreç gelişmeleri meydana gelmiştir. Tüm servis sıcaklıklarında çok daha dayanıklı olan bu alaşımlar uygulama sıcaklıklarını daha üst seviyelere çıkarmışlardır. Bu sırada başka bir süreçte ’γ′′ - gama iki üssü (Ni3Nb) olarak adlandırılan fazda gerçekleşmiş ve nikel-demir esaslı alaşımların güçlendirilmesinde kullanılmaya başlanmıştır (Schafrik and Sprague, 2008). İlk üretilen γ′′ alaşımlar çentik hasarına karşı dayanıksızken bu durum eritme süreçleri ve sülfür kontrolü ile düzeltilmiştir. Şekil 1.4.’ten görüleceği üzere Inconel 718 alaşımı uygun fiyatı, döküm kabiliyeti, soğuk şekil verilebilmesi ve özellikle kaynak kapasitesi gibi özelliklerinin mükemmel dengesi sayesinde havacılık sektöründeki yerini hızla almıştır. Gerçekten de 50 yılı aşkın süredir Inconel 718 alaşımları 650oC’nin altındaki uygulamalarda jet motor üreticileri tarafından en fazla kullanılan malzeme olmuştur. Günümüzde kullanımda olan pek çok 718 alaşımı bulunmaktadır. Bu sebeple Inconel 718’in üretimi modern jet motoru kavramının oluşmasındaki en önemli etkenlerden birisidir.
Inconel 718’in oluşumu hakkında verilen bilginin ardından alaşımın mekanik ve fiziksel özelliklerinden bahsetmek yerinde olacaktır. Bu kısımda malzemenin fiziksel ve kimyasal özellikleri verilecek ardından alaşımın kaynak edilebilirliği ve uygulanan kaynak yöntemleri hakkında bilgi ise bir sonraki bölümde ayrıntılı olarak açıklanacaktır.
Çizelge 1.2. Inconel 718 kimyasal içerik (Matthew, et al., 2002)
Element En Az En Fazla
Çizelge 1.2.’de Inconel 718’in kimyasal bileşimi görülmektedir. Inconel 718’i oluşturan elementler ve bu elementlerin Inconel 718’e sağladıkları özellikler şunlardır;
Nikel (Ni) : Nikel genellikle bir alasım elementi olarak kullanılmasının yanı sıra yüksek mukavemetli, yüksek korozyon direncine ve ısıl dirence sahip nikel alaşımları için ana malzemeyi oluşturur. Saf halde dayanıklıdır, soğuk ve sıcak işlem görebilir ve orta seviyede isleme özelliklerine sahiptir.
Krom (Cr) : Çeliğin sertleştirilmesinde kullanılır. Kromun varlığı işlenebilirliği azaltır. Genellikle mukavemeti arttırmak için ilave edilir. Sertliği arttırması ve aşınma direncini iyileştirmesi de söz konusudur.
Kobalt (Co) : Dayanım ve oksitlenmeye karsı direnç sağlar. Yüksek sıcaklıklarda sert karbürler oluşturur, bu nedenle işleme esnasında alasım sertliğini korur.
Alüminyum (Al) : Hafifliğin yanı sıra dayanım sağlar.
Niyobyum (Nb) : Güçlü paslanmaz çeliklerin yapımında ve bazı paslanmaz çelik türlerinin kaynak çubuklarında, ayrıca demir dışı alaşımlarda da kullanılır.
Tantal (Ta) : Yüksek ısı ve oksidasyona karsı dayanım sağlar.
Titanyum (Ti) : Hafiflik, sağlamlık ve ısıya dayanıklılığın önem taşıdığı endüstrilerde kullanılır. Titanyum, çelik kadar dayanıklı, ancak ondan %45 daha hafiftir. Dayanıklılığı ve asitlere karsı dirençli oluşu nedeniyle, çeşitli alaşımların yapısına katılır.
Molibden (Mo) : Isıya ve aşınmaya karsı dirençli olan belli nikel esaslı alaşımların yapımında kullanılır. Molibden çeliklerin sertliğini arttırır, korozyon ve sürünme direncini iyileştirir. Nükleer enerji uygulamalarında, elektrikli ısıtıcıların ince tellerinde, füze ve hava taşıtlarının parçalarının yapımında da yer alır. Ultra-yüksek güçteki çeliklerin hemen hepsi, %8–25 arası oranda molibden içerir.
Tungsten (W) : X-ışını hedeflerinde, hava taşıtlarında ve metal buharlaştırma işlemleri gibi yüksek sıcaklık gerektiren uygulamalarda kullanılır.
Mangan (Mn) : Mangan manyetik özelliği yok eder ve sertleştirilebilirliği iyileştirir. Kesici kenarın zarar görmesinin engellenmesi için güçlendirilmesi gerekir.
Inconel 718 mukavemetini çökelme sertleşmesinden alan ve dövmeye karşı dirençli bir malzeme olup 900oC ve 1120oC arasında dövülmektedir. İşlem sonrası sıcaklığın kademeli bir şekilde düşürülmesi ve 955oC’nin altına çekilmesi gereklidir.
Kademeli olarak yapılan yaşlandırma sertleştirmesi malzemenin tavlanması ve kaynaklanması sırasında ısınma veya soğuma nedeniyle kendiliğinden oluşabilecek sertleşmenin önlenmesini sağlar. Inconel 718 alaşımlar alüminyum ve titanyum ile sertleştirilmiş nikel esaslı alaşımlara oranla çok daha iyi kaynak edilebilirler (Başaran, 1998).
Daha önce de söz edildiği ve Çizelge 1.3.’te de görülebileceği üzere dayanımın artması için ilave edilen alaşımlandırma elementleri sünekliği azalttığından oda sıcaklığı ve ortalama sıcaklıklarda iyi sonuç vermelerine rağmen 650oC’nin üzerinde dayanımın düşmesine neden olmaktadır.
Çizelge 1.3. Inconel 718 Gerilme mukavemeti ölçümleri (Matthew, et al., 2002) Test Sıcaklığı (oC) 0.2 % Akma
En iyi çekme dayanımı ve gerilme kırılmasının elde edilmesi için şöyle bir ısıl işlem yöntemi izlenir; 1 saat 954oC’den 982oC’ye havada soğutma+ 8 saat 718oC’den 621oC’e soğutma 5oC/saat, 8 saat bekleme ve havada soğutma. Çizelge 1.4.’de ısıl işlem görmüş ve görmemiş Inconel 718 için gerilme kopma değerleri verilmektedir.
Çizelge 1.4. Inconel 718 için yüksek sıcaklıktaki kopma gerilmesi değerleri (Matthew, et al., 2002)
En iyi oda sıcaklığı ve kriyojenik çekme dayanımı elde etmek için ise; 1’den 2 saate 1066oC, havada soğutma+ 8 saat 718oC’den 621oC’e soğutma 56oC/saat, 8 saat bekleme ve havada soğutma işlemi gereklidir.
Parçanın çalışma sıcaklığı 593oC’nin altında kalacaksa 627-1100oC arasında yapılan sıcak işlem alaşımın dövme dayanımını arttırır. Dövme sıcaklığında uzun süre tutulması tavsiye edilmez. Inconel 718 alaşımlar hem tavlanmış hem de yaşlandırma sertleşmesi uygulanmış halleriyle işlenebilirler (Schafrik and Sprague, 2008).
Inconel 718 endüstriyel uygulamalarda genel olarak ilave metal kullanılarak kaynaklanır ve kaynaktan sonra ısıl işlem görür. Kaynak sonrası gerilme çatlamalarına karşı direnç ve kaynak kabiliyeti açısından çok iyi bir alaşımdır (Kronovsky, et al., 1989).
Çökelme ile sertleşebilir nikel esaslı alaşımlar normal olarak kaynak sonrası deformasyon yaşlanması çatlamasına uğrarlar. Inconel 718 özellikle büyük taneler tarafından şiddetlendirilen ITAB çatlaklarına maruz kalır. Bir mikro çatlak; esas olarak ITAB’daki taneler arası ayrışmadır. Bunlar herhangi bir kaynak yönteminde ve herhangi bir Nb-Ni içerikli alaşımda meydana gelebilirler (Bavarian and Emmons, 1990).
Kaynak sırasında ITAB’daki mikro çatlak oluşumuna eğilimin, kaynak esnasında ITAB’da taneler arasında oluşan bir sıvı faza bağlı olduğu ortaya çıkarılmıştır. Taneler arası sıvı, zararlı bir şekilde dağılmadığı sürece kendi kendine bir sıcak çatlama eğilimi oluşturmaz (Vishwakarma, et al., 2007). Bu mikro çatlaksız durumlar için ıslanma açısının sıfırdan biraz daha büyük olduğu, mikro çatlaklı durumlar içinse sıfır olduğu gerçeğini ortaya çıkarır.
Nikel ve Ni-Fe esaslı alaşımlar MAG, TIG, EIK, Lazer ve PA teknikleri ile kaynak edilebilirler. İlave metal kullanıldığında, malzeme bileşiminde bulunmayan başka elementler de yapıya dahil olacağından hata ihtimali artar. Bu durumda daha sünek ve sıcak yırtılmanın en aza indiği östenitik alaşımlar kullanılır.
Yukarıdaki ergitme kaynağı tekniklerine ilaveten bu alaşımlar levha halinde ise direnç kaynağı yapılabilirler. Ayrıca sert lehimleme ve difüzyon kaynağı da uygulanabilir (Metals Handbook, 1983). Kaynak sırasında zorlanmanın fazla olduğu durumlarda ergime bölgesinde sıcak çatlamalara rastlanabilir (Kronovsky, et al., 1989).