Süper Alaşım Altlık Malzeme

İkinci Dünya savaşı sonrasında gelişen sanayi ile birlikte süper alaşımlar terimi literatüre girmiştir. Yüksek sıcaklıklarda yüksek performans istenilen uygulamalarda genel itibariyle süper alaşımlar kullanılmaya başlanmıştır. Günümüzde ise çoğunlukla, roket motorları, turbojet, turbofan ve turboprop motorlar gibi havacılık sanayisinde, deniz ve kara araçlarının gaz türbinleriyle çalışan güç üretim sistemlerinde tercih edilmektedir. Süper alaşımlar, yüksek mekanik gerilmelerin oluştuğu uygulamalar için geliştirilmiş malzemelerdir [26]. Titanyum, nikel, niyobyum, kobalt ve demir elementlerinin bir veya bir kaçının içerisinde oldukça fazla bulunduğu, zorlu çevresel

şartlarda yüksek gerilmelere ve sıcaklıklara karşı stabilizesini muhafaza eden alaşımlar olarak da tanımlanabilir. Süper alaşım malzemeler oldukça yüksek sertlik değerlerine sahiptirler [26,27]. Diğer bir önemli özelliği ise 650 °C gibi yüksek sıcaklıklarda uzun süreli olarak sıcak korozyon ve aşınmaya karşı dayanımları yüksektir. Süper alaşım malzemeler nikel, krom, kobalt ve demir esaslı alaşımlar, kobalt esaslı ve karbür kuvvetlendirmeli ve katı çökelti sertleştirmesiyle oluşturulmuş nikel esaslı alaşımlar olmak üzere üç grupta toplanır. Genel itibariyle döküm ve dövme yöntemleriyle oluşturulurlar. Demir esaslı süper alaşım malzemeler, nikel ve kobalt esaslı süper alaşım malzemeler ile karşılaştırıldığında yüksek sıcaklıklarda daha düşük dayanım göstermektedirler. Yüksek ergime noktaları nedeniyle kobalt alaşımları 1100 °C’nin üzerinde nikel alaşımlarından daha iyi dayanım göstermektedirler [4,26]. Süper alaşım malzemelerin sıcaklık dayanımı ve tarihsel olarak kullanımlarını gösteren grafik Şekil 2.3’de verilmiştir. Grafiğe göre ilk olarak süper alaşım malzemelerin kullanımına 1940 yıllarının ortalarında N80 malzemesinin kullanmıyla başlanmıştır. Bu yıllarda dövme yöntemiyle üretimlerine başlanan süper alaşım malzemeler teknolojinin gelişmesi ve insanoğlunun artan gereknimleri neticesinde 1960’lı yılların başlarında döküm yöntemiyle üretime geçilerek daha farklı ve yüksek sıcaklığa dayanıklı süper alaşımlar geliştirilmiştir. 1970’li yılların ortalarına doğru ise, döküm yöntemininde yetersiz kalması ve daha karmaşık süper alaşım üretilmesi amacıyla tek kristal yapılı malzemeler ortaya çıkmış ve günümüze kadar kullanılmaya devam etmiştir. Dövme yöntemiyle üretilen süper alaşım malzemeler 900 °C’ye, döküm yöntemiyle üretilenler 1000 °C, tek kristal malzemeler ise 1100 °C’ye kadar dayanım göstermektedir.

Şekil 2.3. Süper alaşım altlık malzemelerin tarihsel olarak üretim yöntemlerini ve kullanım sıcaklıklarını gösteren şematik grafik [26].

Farklı üretim yöntemleri kullanılarak üretilen süperalaşım malzemeler yüksek sıcaklıklarda sürünme ve kopmaya karşı da oldukça dayanım göstermektedirler. Katı çökelti sertleştirmesi yöntemiyle üretimi de gerçekleştirilen süper alaşım malzemeler gaz türbini gibi yüksek sıcaklık uygulamaları için özel olarak tasarlanmıştır. 1980’li yıllara kadar gerçekleştirilen uygulamalarda nikel içerikli alaşımlar yaygın bir şekilde kullanılmıştır [3,6,26]. Şekil 2.4’te sıcaklığa göre süper alaşımların dayanımını gösteren grafik verilmiştir. Cr, Mo, Ti, W, Co gibi elementler nikel içerikli süper alaşım malzemelerde katkı elementi olarak mevcuttur. Nikel içeriği fazla olan bu alaşımlar ticari olarak Hastelloy, Rene, Inconel, Waspalloy vb. gibi isimlendirilir. Cr ve W gibi katkı elementleri ise kobalt içeriği yüksek olan süper alaşım malzemelerde bulunmaktadır [26,28]. Bu alaşımlar ise, Haynes, Airesist, Stellite gibi ticari olarak

isimlendirilirler. Cr, Mo, Ni katkı elementleri de A-286 ve Incoloy gibi demir içerikli süper alaşım malzemeler de bulunurlar [26]. 1950’li yıllardan itibaren kullanılmaya başlanılan süper alaşımlar ilk olarak uygulamaların %10’nu kapsarken, 1980’lerde %50 ve 1990’larda ise %60’nı kapsamaya başlamıştır [26,29]. İlk olarak uçaklarda, kimyasal endüstri teçhizatlarında ve petrokimya alanında kullanılmaya başlanılan süper alaşım malzemeler son yıllarda oldukça geniş kullanım alanı bulmuştur [2,26]. Bu alanlar kısaca şu şekildedir:

Şekil 2.4. Sıcaklığa göre süper alaşımların 100 saatte kopma dayanımlarını gösteren grafik [26,30].

• Havacılık ve uzay endüstrisindeki gaz türbinleri:

Yüksek sıcaklıklarda çalışan uçak gaz türbinlerinin motor hava fren sistemleri, yanma odaları, egzoz sistemleri, şaftlar, diskler, türbin kanatçıkları gibi parçalarda sıklıkla kullanılır.

• Yüksek sertliğe sahip metallerin işlenmesinde:

CNC, torna, freze gibi iş takımlarının kesici uçları çalışma esnasında yüksek sıcaklığa maruz kaldığı için bu tür uygulamalarda kullanılmaktadır.

• Isıl işlem yapılan ekipmanlarda:

Isıl işlem yapılan ekipmanların tabla, aparat, fan ve egzozları yüksek sıcaklıklara maruz kaldıkları için bu tür uygulamalarda süper alaşım malzemelerin kullanımı tercih edilmektedir.

• Nükleer güç santrallerinde:

Nükleer güç üreten sistemlerin vana, yay, koruyucu kapak ve kontrol çubuğu gibi parçalarında kullanılır.

• Kimyasal ürünlerin üretildiği endüstriler:

Petrokimya ve kimyasal ürünlerin üretildiği tesislerde cıvata, vana, pompa ve borularda süper alaşım malzemelerin kullanılması tercih edilmektedir.

• Basınçlı (pistonlu) motorlarda:

Pistonlu motorların egzoz supapları ve supap yatakları gibi uygulamalarda tercih edilmektedir.

• Sağlık sektöründe:

Tıbbi uygulama olan yapay el, kol ve bacak gibi uzuvların üretiminde ve dişçilikte tercih edilir.

• Çevresel kirliliğin kontrol edilmesinde:

Zararlı gazların temizlenmesi gibi ekipmanlarda tercih edilir. • Katı yakıtların dönüşüm tesislerinde:

Kömür vb. gibi katı yakıtların gaz ve sıvıya dönüştürülmesi için kullanılan sistemlerde tercih edilir.

• Metallerin şekillendirilmesinde:

Metal parçalarının ergitilmesi ve yeniden şekillendirilmesi için kullanılan fırınlarda ve egzoz pervanelerindeki uygulamalarda süper alaşım malzemelerin kullanılması tercih edilmektedir [26,28,29,31–33].

Tüm bu uygulamaların başında ise, süper alaşım malzemelerin gaz türbin uygulamalarında kullanımları yer almaktadır. Gaz türbin parçaları yüksek sıcaklıklarda korozyona sebep olan gazlar, titreşim ve eylemsizlik kuvvetlerinin meydana getirdiği yüksek mekanik gerilmeler nedeniyle olumsuz şartlar altında

çalışmaktadırlar. Dahası, uçaklardaki türbin motorları, deniz ve karadaki türbin motorlarına göre daha sert koşullar altında çalışmak zorundadır. Örneğin bir uçak motoru her kalkış ve inişte ivme kazanır. Uçak motorları bu kalkış ve inişlerde güç harcadığından dolayı yüksek sıcaklıklara kadar çıkıp ve tekrardan oda sıcaklığına inmek zorundadır. Bu sıcaklık çevrimleri her yolculukta tekrarlanacağından dolayı motorlarda yorulma meydana gelecektir. Şekil 2.5’te super alaşım malzemelerde servis esnasında meydana gelen sıcaklık değişiminin şematik görüntüsü verilmiştir.

Şekil 2.5. Süper alaşım malzemelerde servis esnasında meydana gelen sıcaklık değişimlerini gösteren grafik [26,30].

Uçak motorlarında türbin parçaları ve yanma odaları yüksek sıcaklıklarda çalışmaktadır. Bu sebepten dolayı bu kısımlar “yüksek sıcaklık bölgesi” olarak isimlendirilirler. Yaklaşık olarak 1100 °C’ye kadar bu kısımların dayanıklı olması gerekmektedir. Bir uçak türbininde yüksek sıcaklığa maruz kalan bölgeler Şekil 2.6’da gösterilmiştir. Bu şekilde gösterilen uçak motorunun ana bölümleri; yüksek basınç kompresörü, yüksek basınç türbini, alçak basınç kompresörü, orta basınç türbini ve

benzer şekilde göstermiş olduğu artış ve azalışlar sistem içerisinde istenmeyen hasarların oluşumuna neden olmaktadır.

Şekil 2.6. Modern gaz türbinlerinin çalışma sıcaklıklarını gösteren şematik görünüm [12,26,34].

Motor bileşenlerinin tamamının güvenli koşullar altında kullanılabilmesi için üretim ve tasarımda bu değerler göz ardı edilmemelidir. Pratik kullanımlarda bu koşulları ancak süper alaşımlar sağlayabilmektedir. Tüm motor parçalarının yapısal olarak kararlılığı, fiziki özellikleri ve mikro yapısal kararlılığının korunması için havacılık otoriteleri yoğun çalışma içerisindedir [34]. Deniz ve kara araçları üzerinde de hava araçlarında geliştirilmiş olan türbin sistemleri yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Deniz ortamındaki tuz, kara ortamındaki toz zerrecikleri bu motor bileşenlerinde farklı hasarlarda oluşturduğundan bileşenlerin kullanım ömrünü arttırmak mühendisleri yeni yöntemler geliştirmeye teşvik etmiştir. Bu yöntemlerin başında ise süper alaşımların kaplanması yer almaktadır. Malzemelerin sahip oldukları üstün özellikleri kullanım ömrü boyunca dengeli bir şekilde muhafaza etmesi ve esas malzemelerin korozyona ve oksidasyona karşı dayanması gerekmektedir. Özellikle uçak motorlarında çeşitli etkilere karşı koruma gerektiren sıcak bileşen bölümlerinin şematik gösterimi Şekil 2.7’de verilmiştir.

Şekil 2.7. TBC’lerin kullanıldığı uçak türbinlerinde yanma odası ve türbin kanatçığının enine kesit alınmış SEM görüntüsü [12].

Süper alaşım malzemeler için geliştirilen korozyona ve oksitlenmeye karşı dayanıklı olan kaplamalar uçak ve uzay araçlarında kullanılmaktadır. Bu kaplamalar sayesinde malzemeler 1000 °C’nin üzerinde yapısını koruduğu tespit edilmiştir. Gaz türbinlerinde arzulanan, mekanik özelliklerin muhafaza edilmesidir. Süper alaşım malzemelerde zaman içerisinde korozyon ve oksitlenme dirençlerinde kısmi olarak azalmalar oluşur. Kaplamalar, bu malzemeleri çevre şartları altında muhafaza etmek için kullanılmaktadır. Petrol artışı yakıtlarda ekonomi yapılmasını zorunlu kıldığından dolayı Ar-Ge çalışmaları bu alanda artış göstermiştir. Bu çalışmalar gaz türbin teknolojisinde kullanılan kaplamalar üzerine yoğunlaşmıştır. Çalışmalar içerisinde hava araçlarının yanı sıra deniz araçlarındaki güç türbinlerinde kaplanmış süper alaşım

dayanımını arttırmaktır. Genelde süper alaşım malzemelerin kullanımı esnasında koruyucu olarak kullanılan kaplamaların krom oksit içeriği %20 civarlarında olması arzu edilir. Zorlu şartlar altında ise, bu içerik %5-%15 civarlarına düşer. Bu düşüşte malzemelerin mikro yapısında bozulmalar olacağından yüksek sıcaklığa karşı dayanımları azalır. Bu sebepten dolayı kaplanmış bölgeye krom ve alüminyum içeren ilaveler yapılır [26,36]. Yüksek sıcaklık uygulamalarında gaz türbinlerindeki super alaşımlara uygun kaplamaların tercih edilmesi oldukça önemlidir. Türbin çalışma şartlarına göre çevresel etki sonucu meydana gelen ve süper alaşım malzemelere zararlı etki oluşturan iki olgu söz konusudur. Bunlar oksitlenme ve sıcak korozyondur. Oksitlenme olayı yüksek sıcaklıklarda oksijenin var olduğu durumlarda daima oluşan bir durumdur. Sıcak korozyon ise iki farklı sınıfa ayrılarak tanımlanabilir. Tip1 yüksek sıcaklık (800-950 ⁰C) korozyonu, Tip II düşük sıcaklık (670-750 ⁰C) korozyonudur [1,37]. Sıcak korozyon olgusu, yakıt içerisindeki kükürt ve safsızlıklardan dolayı meydana gelir. Oksitlenme ve sıcak korozyon metal parçanın çevresel şartlardan etkilenerek aşınmasıdır. Kaplamaların tasarlanma amacı türbin uygulamalarında çevresel olumsuzluklara karşı ana malzemeyi korumaktır. Gaz türbinlerinde ve deniz araçlarında sıcak korozyon olayı kaçınılmazdır. Bazı durumlarda uçaklar deniz ortamında alçak uçuşlar gerçekleştirmek zorunda kalabilirler. Bu gibi durumlarda ise, tuz buharı gibi safsızlıklar sıcak korozyonu arttırıcı etki yapar. Ana malzeme ile kaplamalar birbiri ile uyum içerisinde olmak zorundadır. Kaplama ile ana malzeme elemanları arasındaki herhangi bir reaksiyon oluşumu önlenmelidir. Eğer ana malzeme ile kaplama arasında malzemelerin kullanımı esasında reaksiyon oluşursa istenmeyen fazlar söz konusu olabilir. Malzemede istenmeyen boşluklar oluşabilir. Bu durum ise, ara yüzeyde çatlak oluşumuna neden olarak kaplamaların dökülmesine sebep olur. Bu sebepten dolayı kaplamaların yanmaya ve çalışma sıcaklıklarında küçük parçacıkların aşındırıcı etkisine karşı dayanıklı olmasına dikkat edilmelidir [38].