2. TEMEL BİLGİLER
2.2 Metallerarası Bileşikler
Basit stokiometrik oranlarda göreceli olarak dar bileşim aralıklarında oluşan intermetaliklerin mükemmel yüksek sıcaklık mukavemet özellikleri çok ilgi çekicidir [16]. Düzenli metaller arası bileşikler kritik düzenlenme sıcaklığının altında büyük oranda düzenli kristal yapılarıyla metalik malzemelerin eşsiz bir sınıfını oluştururlar [17,18]. Bu bileşikler kendilerini oluşturan farklı atomların aralarında oluşturdukları kuvvetli bağlar nedeniyle oldukça farklı mekanik ve fiziksel özellikler gösterirler.
Mukavemet ve tokluğun güzel bir kombinasyonunu oluşturan süperalaşımlar ancak 100oC’nin altında kullanılabilmektedir. Modern mühendislik seramikleri ise daha yüksek sıcaklıklarda kullanılabilmekte, fakat kovalent bağlanma nedeni ile kırılgan olmakta bu da kullanımını sınırlamaktadır. Metallerarası bileşikler, hem kullanım sıcaklığı hem de mekanik özellikler açısından metalik malzemeler ile seramik malzemeler arasındaki boşluğu doldurmaya aday malzemelerdir. Atomlar arası kuvvetli bağlar nedeni ile süperalaşımlardan daha yüksek mukavemet gösterirken, bağlanmanın hala metalik karakterde olmasından dolayı seramiklere göre daha az kırılgandırlar [19,20].
Yüksek sıcaklıklarda kullanılabilecek ideal bir malzeme yüksek ergime noktası, düşük yoğunluk, yüksek sıcaklıklarda iyi mukavemet ve sertlik, yüksek sürünme özellikleri, oda sıcaklığında yüksek süneklik ve iyi bir oksidasyon ve korozyon direncine sahip olmalıdır. Ticari ve savaş jet motorlarının performansı çalışma sıcaklığı arttıkça artar. Bundan dolayı 1000-1600oC sıcaklıklarda kullanılabilecek malzemelere ihtiyaç
duyulmaktadır. Daha ileride 2000oC sıcaklıkta çalışabilecek malzemelere ihtiyaç
duyulacaktır [21].
Metallerarası bileşikler üzerindeki ilk araştırmalar oksitleyici ortamlarda oldukça koruyucu olan ince alüminyum oksit filmi oluşturmak için oldukça yüksek miktarda aluminyum içeren aluminatlara odaklanmıştır.[19] Bunlar içinde nikel, demir ve titanyum aluminatlar en çok ilgi çekenlerdir. Nikel, demir ve titanyum aluminatlar ile diğer düzenli yapıdaki metallearası bileşiklerin en büyük dezavantajları ise oda sıcaklığında gevrek kırılma ve düşük süneklik göstermeleridir. Oda sıcaklığındaki düşük kırılma mukavemeti ve şekillendirilebilme kabiliyeti aluminatların mühendislik malzemesi olarak kullanımını sınırlandırmaktadır.
oksidasyon ve sülfidasyonun oluştuğu endüstriyel uygulamalar için çok ilgi çekici olmuştur. Araştırma çalışmaları mekanik özelliklerin karakterizasyonuyla birlikte oda sıcaklığındaki sünekliğin artırılması, aşınma oksidasyon ve korozyon gibi fiziksel özelliklerin geliştirilmesi üzerinde odaklanmıştır [16]. Bu alaşımlar çok iyi oksidasyon ve korozyon direnci, düşük yoğunluk ve düşük maliyet açısından ferritik ve östenitik paslanmaz çeliklerden çok daha üstündür. Nikel esaslı süper alaşımlarda en önemli mukavemetlendirici Ni3Al’dir. Konvansiyonel malzemelerin tersineNi3Al ve alaşımlarında
akma mukavemeti artan sıcaklıkla düşme yerine artma gösterir [17,19]. Ni3Al’ın tek
kristali oldukça sünektir, fakat polikristaller düşük sıcaklıklarda kırılgandır. Polikristalin Ni3Al’ın kırılganlığı tane sınırlarındandır. Ni3Al oda sıcaklığında çevresel – bir dış faktör-
kırılganlığa meyillidir [19]. NiAl’ın dört kilit avantajı vardır. Yoğunluğu nikel esaslı süper alaşımların yaklaşık üçte ikisi, termal iletkenliği bileşime ve sıcaklığa bağlı olarak nikel esaslı süperalaşımların 4 ile 8 katı, mükemmel oksidasyon direnci ve birçok intermetalik bileşikle karşılaştırıldığında plastik deformasyon kabiliyetini kolaylaştıran basit düzenli hacim merkezli kübik (CsCl) kristal yapısıdır. NiAl’ın potansiyel uygulamalarından birisi yüksek basınçlı türbin paleleridir [22].
Ti3Al ve TiAl esaslı titanyum aluminatlar çok düşük yoğunluklarından dolayı
geliştirilmiş uçak motoru uygulamaları için çekici adaylardır. Kırılma direncinin olmamasına rağmen titanyum aluminatlar yüksek performans için büyük potansiyele sahiptirler. Bu alaşımlar konvansiyonel titanyum alaşımlarından daha yavaş difüzyon hızına sahip olduğundan mukavemetin korunması, sürünme ve gerilme kopması ve yorulma direnci gibi artan yüksek sıcaklık özellikleri gösterirler. En büyük dezavantajları ise düşük sıcaklıklarda düşük sünekliğe ilaveten yüksek sıcaklıklarda istenilenden daha düşük oksidasyon direnci göstermesidir [17,18].
Mg2Si metaller arası bileşiği havacılık ve taşımacılık sistemleri için kullanılabilecek
cazip bir malzemedir. Bu uygulamalarda yüksek sıcaklıklarda mukavemet sertlik ve diğer mekanik özelliklerini koruyabilen düşük yoğunluklu malzemelere ihtiyaç duyulur. Mg alaşımları düşük uygunluğu ve yüksek mukavemet/ağırlık oranından dolayı bu endüstriye hakim olan Al alaşımlarına bir alternatif olarak gelişmektedir [22] .
2.2.1. Nikel Alüminat Metallerarası Bileşikler
Bir nikel alüminat metallerarası bileşiği olan Ni3Al, benzersiz yüksek sıcaklık
dayanımı ve yüksek oksitlenme direncine sahiptir. Çok yüksek bir düzenli yapıya sahip olması 800 ila 900 C’ ler arasında oda sıcaklığında sahip olduğu akma ve sürünme dayanımlarından % 30 ila % 40 daha yüksek bir akma ve sürünme dayanımına sahip olmasını sağlamaktadır. Nikel alüminatlar % 12 kadar fazlalık alüminyum içerdikleri için, malzeme yüzeyinde koruyucu bir alüminyum oksit (Al2O3) tabakası oluşur. Bu da
oksitlenmeyi oldukça yavaşlatır ve yüksek sıcaklıklarda karbürlenme ve koklaşmaya karşı sıra dışı bir direnç meydana getirir. Dolayısıyla, ısıl işlem fırınları, çelik üretim ekipmanları ve diğer üretim işlemleri için de ideal bir malzeme grubunu oluştururlar.
2.2.1.1 Kullanım Önündeki Engeller
Bu faydalı özellikleri yanında gevrek olmaları bu malzemelerin endüstrideki yararlarını azlatıcı bir etki yapmaktadır. Endüstriyel uygulamalar ani yüklemelere, ani basınç değişiklerine cevap verebilecek veya enerji emme özelliği yüksek olan malzemelere ihtiyaç duyar. Ayrıca, şekillendirilir veya kaynak edilirken, kendilerine üstülük sağlayan özelliklerini yitirebilirler. Dolayısıyla, uygulama alanlarını genişletmek için Ni3Al
alaşımlarının gevrekliğini azaltıp, döküm, şekillendirme ve kaynak yeteneklerini artırmak gerekir.
Nikel alüminat olarak 3 malzeme vardır:
NiAl, CAS numarası 12003-78-0
NiAl3, CAS numarası 12004-76-1 Ni3Al, CAS numarası
2.2.1.2. Ni3Al
Metaller arası bir bileşik iki metal arasında oluşan düzenli faz yapılı bir alaşım olarak tanımlanabilir. Burada atomik yapıyı tanımlamak için düzenli alaşım fazının iki ya da daha çok alt kafes sisteminden oluşması gerekir. Düzenli faz, uzun mesafeli düzenli süper kafes örgüsüne sahip olduğu için üstün yüksek sıcaklık özellikleri gösterir: Çünkü bu
IC-221M olarak da bilinen Ni3Al, alüminyum, krom, molibden, zirkonyum ve bor dâhil
birkaç metal ile birleşmiş nikelden oluşmaktadır. Bor ilavesi alaşımın oda sıcaklığındaki sünekliğini artırır. Ayrıca sertliğini de yükseltir.
Bu alaşım (IC-221M ), paslanmaz çelikten 5 kez daha dayanıklıdır. Ayrıca, oda sıcaklığından 800 C ye kadar yüksek sıcaklıklarda, parça ısındıkça, dayanımı artar.
Alaşım ısı ve korozyona karşı çok dirençlidir ve bu nedenle ısıl işlem fırınları gibi yüksek sıcaklık uygulamalarında uzun ömrü ve paslanmaz çeliğe göre daha yüksek korozyon dayanımı nedeniyle kullanım alanı bulur.
Bu malzemenin bir diğer özelliği de yüksek sıcaklıkta sahip olduğu yüksek dayanımı ile birlikte çok yüksek bir ısı iletkenliğine sahip olmasıdır. Bu özellikler yüksek dayanım ve düşük yoğunluğu ile de birleşince, gaz türbinleri ve jet motorlarındaki türbin kanatlarının kaplanması için bu alaşım ideal bir malzeme haline gelmektedir.
Yaygın bir bileşik olan Ni3Al’in ergime sıcaklığı 1395°C’ dir. Ni3Al, Ni esaslı süper
alaşımlarda ikincil faz olarak bulunur. Tek fazdan ibaret Ni3Al’in mukavemeti sıcaklık
artışıyla düşmez. Bu faz tek kristalli durumda sünek, çok kristalli durumda ise kırılgandır. Ni3Al kayma bölgelerindeki mukavemet 600°C-800°C arasında max. ulaşmaktadır. Düşük
polikristalin özelliğine sahip olan Ni3Al oda sıcaklığında gevrek yapıya sahiptir. Ni3Al’in
tane sınırları çökelme olmamakta ve empüriteler bulunmamaktadır. Aslında empüritelerin Polikristalin Ni3Al’e Bor(B) ilave ettiğimizde özellikleri önemli derecede iyileşmektedir.
Yapısal boşlukların büyük olmasına rağmen Ni3Al ile alaşımlarının mekanik özellik
davranışları son derece iyidir. Ayrıca aluminidler katı-eriyik etkisi ile sertleştirilebilmektedir. Farklı alaşımların 1000°C’de Ni3Al fazında (L12) eriyebilirliği üç
grup altında incelenmiştir: Birinci grup Si, Ge, Ti, V, Hf elementleri genelde alüminyum alt kafesine, ikinci grup Cu, Co ve Pt nikel alt kafes yapısına ve üçüncü grup Fe, Mn ve Cr elementleri ise her iki alt kafes yapısına yerleşmektedir. Alt yapıya yerleşmede, atom boyutundan çok elektronik yapı yani elementin periyodik tablodaki yeri yerleşme davranışı üzerinde daha etkili olmaktadır. Ni3Al’de katı eriyik oluşumu, atomik boyut uyumsuzluğu
ve Ni3Al - Ni3X arasındaki oluşum ısı farklılığı ile kontrol edilir. Ni3Al’in oda sıcaklığında
katı-eriyik sertleşmesi, alaşım elementinin yerleşme düzenine, atomik boyut uyumsuzluğuna ve alaşımın stokiometriden uzaklaşma derecesine bağlıdır.
uygulamalarda kullanılmaktadır. Ayrıca oksidasyon ve karbürizasyon direncinin yüksek olmasından dolayı kavitasyon – erozyon ve aşınma direnci yüksektir[24,25].