DİFÜZYON BRAZE UYGULAMALARI AKTİFLEŞTİRİLMİŞ DİFÜZYON TAMİRİ ve JET REVİZYON MÜDÜRLÜĞÜNDEKİ UYGULAMALARI

Transkript

1 BÖLÜM 15 DİFÜZYON BRAZE UYGULAMALARI AKTİFLEŞTİRİLMİŞ DİFÜZYON TAMİRİ ve JET REVİZYON MÜDÜRLÜĞÜNDEKİ UYGULAMALARI Svl. Müh. Tamer SERTOĞLU 1nci HİBM K.lığı Jet Revizyon Müdürlüğü Şubat 2004, ESKİŞEHİR ÖZET Difüzyon Braze işlemi, iki ana metalin kendisinden daha düşük ergime sıcaklığına sahip bir dolgu malzemesinin fırın ortamında eritilerek metallerin birbirine yapıştırılması işlemidir. Dolgu malzemesi ana metalin içine difüze olur ve kazandığı yeni özellikler sayesinde tekrar ergime sıcaklığı ana malzeme ile aynı veya daha yüksek olabilir. Bu da bağlantı yerinin, yüksek sıcaklıkta konvansiyonel kaynak veya braze uygulamalarında olduğundan daha mukavim olmasını sağlar. Bir tür difüzyon braze olan aktifleştirilmiş difüzyon tamiri (ADH) genellikle uçak motoru sıcak kısım parçalarının inç genişlikten daha dar olan çatlaklarının tamirinde ve yüzey yükseltmede kullanılır. Bu dokümanda difüzyon braze uygulamalarının temel prensipleri ile bir difüzyon braze uygulaması olan aktifleştirilmiş difüzyon tamirinin uygulama adımları, kullanılan teçhizat, gerekli emniyet tedbirleri ve proses kontrolü hakkında bilgi verilecektir. 15-1

2 1 PROSESİN ADI Difüzyon Braze Uygulaması ve Aktifleştirilmiş Difüzyon Tamiri (Activated Diffusion Healing, ADH) 2 PROSESİN AMACI Difüzyon Braze işlemi iki ana metalin kendisinden daha düşük ergime sıcaklığına sahip bir dolgu malzemesinin fırın ortamında eritilerek metallerin birbirine yapıştırılması maksadıyla kullanılır. Dolgu malzemesi ana metalin içine difüze olur ve kazandığı yeni özellikler sayesinde tekrar ergime ana malzeme ile aynı veya daha yüksek olabilir. Bu da bağlantı yerinin, yüksek sıcaklıkta konvansiyonel kaynak veya braze uygulamalarında olduğundan daha mukavim olmasını sağlar. Bir tür difüzyon braze olan aktifleştirilmiş difüzyon tamiri (ADH) genellikle uçak motoru sıcak kısım parçalarının inç genişlikten daha dar olan çatlaklarının tamirinde ve yüzey yükseltmede kullanılır (Şekil 1) Şekil 1 ADH Uygulaması ile Bağlantı Flanşı Cıvata Delikleri Etrafındaki Çatlakların Tamir Edildiği Bir F Kad. Nozzle Segment 3 PROSESİN GENEL / DETAYLI TANITIMI Difüzyon Braze (DFB) önceden yerleştirilmiş bir dolgu metalinin uygun braze sıcaklığında erimesi ve kılcal çekim etkisiyle akmasıyla veya bir temas yüzeyi ile diğeri arasında sıvı faz oluşturarak metalleri yapıştırmasıyla bağlanmalarını sağlayan bir prosestir. Her iki durumda da dolgu metali ana metalin içine, bağlantı bölgesinin fiziksel ve mekaniksel özellikleri ana metal ile neredeyse aynı olana kadar difüze olur. Bunu sağlamak için basınç uygulandığı veya uygulanmadığı durumlar mevcuttur. 15-2

3 Difüzyon Braze i veya Difüzyon Kaynağı anlamına gelebilecek olan Difüzyon Birleştirme terimi artık standart olmayan bir terim olarak değerlendirilmektedir. Difüzyon Braze işleminin gerektiği işlerde bu tanım açık olarak verilmelidir. Ancak, havacılık ve uzay sanayinde Difüzyon Braze işlemi halen sıkça Aktifleştirilmiş Difüzyon Birleştirme (Activated Diffusion Bonding, ADB), Aktifleştirilmiş Difüzyon Tamiri (Activated Diffusion Healing, ADH) ve Geçici Sıvı-Faz Birleştirme (Transient Liquid- Phase Bonding, TLP) gibi ticari isimlerle anılmaktadır. Yukarıdaki işlemlerin tümünde proses aslında Difüzyon Braze dir. DFB uygulamalarında iki kritik nokta şunlardır: Bağlantı bölgesinde sıvı bir dolgu metali oluşmalı ve aktif hale getirilmelidir. Dolgu metal elemenlarının, ana metale kapsamlı bir şekilde difüze olması sağlanmalıdır. Bu difüzyon prosesi genellikle orijinal braze bağlantısının bağlantı bölgesinde kendi özelliklerini tamamen kaybetmesi ve farklı özellikler kazanmasıyla sonuçlanır (Şekil 2). Braze dolgu metali tabakası Ana metal Ara tabakanın erimesi İzotermal olarak katılaştırılan heterojen bağlantı Homojen bağlantı Şekil 2 Dolgu Metalinin Bağlantı Bölgesinde Özelliklerini Kaybetmesiyle Sonuçlanan Difüzyon Prosesi En gelişmiş Difüzyon Braze uygulamaları genellikle havacılık ve uzay sanayinde, özellikle titanyum, nikel, kobalt ve alüminyum alaşımlarının braze işlemlerinde kullanılır. 15-3

4 Ancak az yada çok difüzyon bütün braze proseslerinde gerçekleştiği için, birçok benzer veya benzer olmayan metal kombinasyonlarına Difüzyon Braze işlemi uygulanabilir. Her ne kadar Difüzyon Braze işlemi genellikle braze veya ısıl işlem için özel olarak imal edilmiş fırınlarda yapılıyor olsa da, iki parçayı başlangıçta endüksiyon ısıtma veya şaluma braze ile birleştirme daha sonra kapsamlı difüzyon çevrimi için fırınlama şeklinde de uygulanması mümkündür. Bu çevrimin süresi 30 dakika ile 80 saat (veya bazı hallerde daha uzun) arasında değişebilir. Tipik bir DFB prosesine örnek olarak, 304L paslanmaz çelik çubuğun, saf bakır bir çubuğa fırında 930 ºC (1700 ºF) sıcaklıkta saf kuru hidrojen ortamında difüzyon braze işlemi ile uç uca birleştirilmeleri gösterilebilir. Paslanmaz çeliğin birleşme yüzeyi eloktrolitik olarak 0.13 mm (0.005 in) kalınlığında saf gümüş ile kaplandı. Bu asamble (basınçsız ortamda) ısıtıldığı zaman, gümüş ve bakır, ek yerinde 780 ºC (1435 ºF) sıcaklıkta ötektik sıvı bir dolgu maddesi (72 Ag-28 Cu) oluşturacak ve kalıcı olarak birbirlerine yapışacak şekilde birbiri içerisinde difüze oldu. Daha sonra, (braze bağlantısını eriterek ayırma amacıyla) yapılan braze in bakır ucuna bir ağırlık bağlanarak bir başka fırında 1040 ºC (1900 ºF) sıcaklığa ısıtıldı. Ancak, braze bağlantısından önce saf bakır bölge uzayarak koptu. Difüzyon, braze bölgesinin erime sıcaklığının saf bakırın erime sıcaklığına yaklaşmasını sağlamıştır. Yukarıdaki örnekten de anlaşılabileceği gibi, sıvı dolgu malzemesi birleşme alanında tamamen yayıldıktan sonra, asamblenin, bir veya daha fazla dolgu metal elemanının ana metal içine (veya tam tersi) difüze olmasına yetecek kadar bir süre braze sıcaklığında tutulması gerekmektedir. Bu şekilde braze bağlantısının mekanik özellikleri ana metallerden biriyle ve her ikisiyle aynı hale gelir. Meydana gelen difüzyon miktarı aşağıdakilere bağlıdır: Braze sıcaklığı, Parçanın braze sıcaklığında tutulma süresi, Difüze olacak dolgu metalinin miktarı, Dolgu metali ile ana metallerin birbirleri içerisinde karşılıklı çözünebilirliği. Dolgu metalinin bir plaka veya toz tabakası olarak kullanıldığı durumlarda dolgu metal eridiği zaman ana metaller arasındaki boşluğu azaltacak şekilde asambleye basınç uygulanması tavsiye edilir. Buna örnek olarak kobalt esaslı bir alaşıma vakum fırınında 1120 ºC (2050 ºF) sıcaklıkta plaka halindeki nikel-krom-boron dolgu metali kullanılarak difüzyon braze yapılması gösterilebilir. Asamble braze sıcaklığında 8 saat tutulmuştur. Katı dolgu maddesinin erime sıcaklığı sadece 970 ºC (1780 ºF) iken, braze bağlantısının özellikleri difüzyon sayesinde yeniden erime sıcaklığı 1370 ºC (2500 ºF) ın üzerinde olacak değişmiştir. Bu durumda basınç uygulaması parçalar üzerine basit ağırlıklar koyma şeklinde gerçekleştirilmiştir.dolgu metalinin ergime sıcaklığını düşük tutan boronun ana metale difüze olarak kaçması dolgu metalinin tekrar erime sıcaklığının yükselmesine sebep olmuştur. Boron, çok küçük bir atom olması sebebiyle ana metalin ısısı yükseldikçe braze bağlantı bölgesinden uzağa kolaylıkla difüze olur. 15-4

5 Difüzyon braze uygulaması jet motorlarının sıcak kısım parçaları gibi yüksek sıcaklıklarda çalışması beklenen havacılık ve uzay sanayi parçalarının birleştirilmesinde çok avantajlı bir yöntemdir. Bu gibi parçaların ºC ( ºF) arasında iyi ve güvenli bir şekilde çalışmalarının kritik önemi vardır. Difüzyon braze uygulamalarının doğru anlaşılması ve kullanılmasıyla bu ihtiyaçlara daha kolay cevap verilebilir [1]. 4 JET REVİZYON MÜDÜRLÜĞÜNDE ADH 4.1 Uygulama Alanı Aktifleştirilmiş Difüzyon Tamiri (Activated Diffusion Healing, ADH), General Electric (GE) firması tarafından geliştirilmiş bir çeşit difüzyon braze işlemidir. ADH; süper alaşım toz parçacıkları, braze alaşımı ve yapıştırıcı karışımının bir parça üzerine bir şırınga ile uygulanması ve ardından vakum fırınında difüzyon edilmesi yoluyla küçük çatlakların tamiri yöntemidir. GE firması tarafından geliştirilmiş özel bir proses olduğundan dolayı sadece GE nin proses geliştirdiği parçalarda uygulanmaktadır. F110-GE-100 motorunun LPT Stg 1 Nozzle una çatlak tamiri ve vane takma işlemi için, LPT Stg 2 Nozzle Segment lerine ise çatlak tamiri ve yüzey yükseltme için ADH uygulanmaktadır (Şekil 3) [2,3,4,5]. Şekil 3 ADH İle Flanş Kalınlığı Arttırılmış Bir F110 LPT 1. Kad. Nozzle 15-5

6 4.2 Uygulama Esnasındaki Ortam Koşulları Jet Revizyon Müdürlüğü Tanımında da belirtildiği gibi süper alaşım tozları bir çeşit yapıştırıcı ile karıştırılıp pasta halinde getirilir (Tablo 1). Daha sonra bir şırınga vasıtasıyla çatlak sahalara uygulanıp vakum fırınında yüksek sıcaklık altında ADH malzemesinin ana metale difüzyon olması sağlanır. Proses boyunca malzemenin temiz olması, fırınlamanın braze malzemesi ve ana malzemeye göre belirlenmiş olan sıcaklıkta ve sürede vakum ortamında yapılması tam ve sağlıklı difüzyon sağlanması açısından önemlidir [4,5]. 4.3 Uygulama İçin Gerekli Teçhizat / Ekipmanlar Braze uygulaması öncesinde parçanın temizliğinin sağlanması amacıyla yapılan Florür İyon Temizliği (Flouride Ion Cleaning, FIC) işleminin yapılabilmesi için Hidrojen Fırını kullanılır. ADH braze malzemesinin eriyerek çatlakların içini doldurması ve difüze olması için uygulanan ısıl çevrimi 1x10-4 torr veya altındaki vakum ortamında sağlayabilecek bir atmosfer kontrollü ısıl işlem fırını kullanılır (Şekil 4). Yukarıdaki tezgahlardan başka Tablo 1 deki sarf malzemelerin kullanılmasına gerek vardır [4,5]. Şekil 4 Atmosfer Kontrollü Vakumlu Isıl İşlem Fırını 15-6

7 Tablo 1. ADH sarf malzemeleri Malzeme Adı: Argon Binder (Yapıştırıcı) Fırça Stop-Off Compound Type-II (Durdurucu Karışım) Pamuklu eldiven Rene 142 Alaşım Tozu B93 Alaşım Tozu Tek kullanımlık steril şırınga ve hipodermik iğne Malzemesi/Malzemeler: MIL-A Aerobraze AB215 Wall-Colmonoy Corp. Veya Nicrobraz Cement-S Waterbased Gel Wall-Colmonoy Corp. H-B-491 Nicrobraz (White/Green), Wall-Colmonoy Corp. MIL-G-3886 GE Spec. B50TF271 Class B GE Spec. B50TF108 Class A GG-S-00945, Type III, Style B, Class Proses Öncesi Yapılması Gerekenler ADH öncesinde parça FIC (Flouride Ion Cleaning) yöntemi ile temizlenir. Bu temizleme yöntemi argon, hidrojen, hidrojen florür gazları ile fırında yapılan bir temizlik işlemidir (Şekil 5). Tanımında da belirtildiği gibi süper alaşım tozları bir çeşit yapıştırıcı ile karıştırılıp pasta halinde getirilir. Daha sonra bir şırınga vasıtasıyla çatlak sahalara uygulanıp vakum fırınında yüksek sıcaklık altında ADH malzemesinin ana metale difüzyon olması sağlanır. ADH sonrası, parça ile birlikte ADH uygulanan ve fırınlanan test parçası metalurji laboratuvarında nüfuziyet kontrolüne tabi tutulur. 4.5 Emniyet Tedbirleri ADH uygulamasında kullanılan Binder AB215, braze harcı ve Nicrobraz stop-off compound yanıcıdır ve deri, göz ve solunum sistemi için zehirleyici özelliktedir. Prosesin uygulanması sırasında göz ve deri koruması gereklidir. Bu maddelerle sık ve uzun süreli temaslardan kaçınılmalı ve iyi havalandırılan alanlarda kullanılmalıdır. İşlem yapılacak parçayı ve kuponları tutarken onarım bölgelerinin kirlenmesini önlemek için pamuk eldiven kullanılmalıdır. Braze harcının tamir edilmeyecek bölgelere akması engellemelidir. Aksi taktirde parça zarar görebilir. Nicrobraz stop-off compound un onarım yapılacak bölgelere akmasına müsaade edilmemelidir. Aksi taktirde braze in tamir sahasına nüfuz etmesi engellenir ve parça tam anlamıyla tamir edilmiş olmaz [4,5,6,7]. 15-7

8 Şekil 5 Florür İyon Temizliğinden Çıkmış Bir F110 LPT 1. Kad. Nozzle 4.6 Prosesin Uygulama Adımları ADH uygulaması ile tamir edilecek olan parçaya FIC ve vakum temizliği yapıldıktan sonra harç karışımı LPT 1. Kdm. Nozzle için Tablo 2, LPT 2. Kdm. Nozzle Segment için Tablo 3 deki oranlara uygun olarak karıştırılır. Karıştırma işlemi çift hazneli paslanmaz çelik, V-blender kullanılarak yapılır. Metal toz karışımına daha sonra Tablo 2 ve 3 de belirtilen oranda Binder (yapıştırıcı) ilave edilir. Tablo 2 Lpt 1. Kdm. Nozzle İçin Adh Harcı Toz Karışım Oranları Malzeme Ağırlık olarak malzeme oranı Binder Binder in ağırlık olarak oranı Tatbik edilecek alan Rene 142 Alaşım Tozu, GE Spec. B50TF271 Sınıf B 40 Aerobraze AB215 veya Nicrobraz Cement-S Kanat ve iç ve dış bantlar, çatlaklar, çentikler ve çöküntüler B93 Alaşım tozu GE Spec. B50TF108 Sınıf B

9 Braze harcı temiz şırınga kullanılarak tamir sahalarına tatbik edilir. ADH işlemi şayet çatlak giderme amacıyla uygulanıyor ise braze uygulanacak tüm çatlaklar inç genişlikten küçük olmalıdır. Hazırlanan braze üzerinde çatlak bulunan bir kupona da uygulanacaktır. Tamir bölgesine ADH harcının tatbik edilmesinden sonra fırınlama sırasında istenmeyen bölgelere akmaları engellemek için stop- off compound şırınga ile tamir sahasının çevresine tatbik edilir (Şekil 6). Tablo 3 Lpt 2. Kdm. Nozzle Segment İçin Adh Harcı Toz Karışım Oranları Malzeme Ağırlık olarak malzeme oranı Malzeme Ağırlık olarak malzeme oranı Binder Binder in ağırlık olarak oranı Uygulama Alanı Rene 80 Alaşım Tozu GE Spec. B50TF183 Class A 50 D15 Alaşım Tozu GE Spec. B50TF173 Class A 50 Aerobraze AB215 veya Nicrobraz Cement-S inç genişlikten daha dar çatlak, çentik ve çökmeler Rene 80 Alaşım Tozu GE Spec. B50TF183 Class A 60 D15 Alaşım Tozu GE Spec. B50TF173 Class A 40 Aerobraze AB215 veya Nicrobraz Cement-S 8-10 Yüzey yükseltme Braze ve difüzyon işleminin tamamlanması için LPT 1. Kdm. Nozzle a aşağıdaki fırın çevrimi uygulanır (basınç çevrim boyunca 1X10-4 torr veya altında olacaktır): ºF/dak hızla ºF a ısıtma ºF/dak hızla ºF a ısıtma ºF/dak hızla ºF a ısıtma. Bu sıcaklık ve basınçta saat bekleme ºF a soğutma ve 10 dakika bu sıcaklıkta bekletme ºF a ısıtarak en az dört saat bu sıcaklık ve basınta bekletme. 15-9

10 Şekil 6 Şırınga İle ADH Braze Uygulaması ºF a soğutarak bu sıcaklık ve basınçta en az 4 saat bekletme. En az 30 ºF/dak hızla 1000 ºF ı altına soğutma. Fırın fanı ve argon ile 250 ºF ın altına soğutma. Fırının atmosfer basıncına yükseltilmesi. LPT 2. Kdm. Nozzle Segmentlerin ADH işlemi için ise aşağıdaki ısıl işlem çevrimi uygulanır (basınç çevrim boyunca 5X10-4 torr veya altında olacaktır): ºF/dak hızla ºF a ısıtma ºF/dak hızla ºF a ısıtma ºF/dak hızla ºF a ısıtma. Bu sıcaklık ve basınçta en az 30 dakika bekleme ºF a soğutma ve 10 dakika bu sıcaklıkta bekletme ºF a ısıtarak en az 2 saat bu sıcaklık ve basınta bekletme ºF a ısıtarak bu sıcaklık ve basınçta en az 2 saat bekletme. 10 dakika içinde ºF a soğutma ve en az 4 saat bekletme. 10 dakika içinde ºF a soğutma. Fırın fanı ve argon ile fırını soğutma. Fırının atmosfer basıncına yükseltilmesi. [2,3,4,5,6,7]

11 4.7 Prosesin Uygunluğunun Kontrolü ADH fırın çevrimi tamamlandıktan sonra tamir edilen parça ile birlikte ısıl işlem uygulanmış kupon üzerinde metalurjik inceleme yapılmalıdır. Test kuponu tamir edilmiş parça ile aynı malzemeden olmalı ve ADH uygulanmış bir çatlak içermelidir. Test kuponuna FIC işlemi ve vakum temizliği işlemi uygulandıktan sonra ADH yapılmış olmalıdır. Test kuponunun metalurjik incelemesinde ADH karışımının boşlukları doldurma kabiliyeti, boşluk kontrolü, ADH bölgesinin çatlak kontrolü ve ADH bölgesi ile ana malzeme arasında deliminasyon incelenmelidir (Şekil 7). Metalurjik inceleme sırasında aşağıdaki kriterlere göre değerlendirme yapılmalıdır: ADH uygulanan bölge çatlak içermemelidir. ADH bölgesi ile ana malzeme arasında oksitler tarafından oluşturulmuş deliminasyon olmamalıdır. Şekil 7 ye göre aşağıdaki değerlendirmeler yapılmalıdır: Y sahasında %4 porozite/oksite müsaade edilir. Maksimum porosite/oksit çapı X50 büyütmede inç i geçmemelidir. Z ölçüsü inç dir. AA ölçüsü AB sahasında toplam çatlak boyutunu göstermektedir ve AB sahasındaki boşluk miktarı çatlak uzunluğunun %20 sini geçmemelidir. Maksimum boşluk uzunluğu (AC) inç i geçmemelidir. Çatlak dibindeki boşluk Şekil 8 ve 9 a göre değerlendirilmelidir [2,3,8,9]. 4.8 Proses Bitiminden Sonra Yapılması Gerekenler ADH uygulamasından sonra tamir sahalarındaki braze fazlalıkları uygun şekilde makinalanarak yüzeyler orijinal konturuna getirilmelidir [2,3]. 4.9 Kapasite ADH uygulaması ile jet motorlarının sıcak kısım parçalarında oluşan inç den dar çatlaklar ana malzemenin özelliklerini muhafaza ederek sağlıklı bir şekilde tamir edilebilir. Jet Revizyon Müdürlüğü nde mevcut tezgahlar ile MA754, Rene 77 ve Rene 80 malzemeli parçaların 60x100 cm ebatlara kadar olan ölçülerine ADH tamiri yapılabilir

12 Şekil 7 Adh Tamir Sahaları Metalurjik Değerlendirme 15-12

13 Şekil 8 ADH Numunesi (Red) Şekil 9 ADH Numunesi (Kabul) 15-13

14 REFERANSLAR [1] ASM Metals Handbook, Fourth Printing, Volume 6 [2] TO 2J-F WP LPT Stage 1 Nozzle Repair [3] TO 2J-F WP LPT Stage 2 Nozzle Segment Repair [4] GE RD # S2 Low Pressure Turbine Stage 1 Nozzle Activated Diffusion Healing [5] GE RD # S1 Stage 2 Low Pressure Turbine Nozzle ADH Standart Practice for Rene 80 material. [6] JPRD 600 LPT Stage 1 Nozzle Activated Diffusion Healing. [7] JPRD 626 LPT 2. Kad. Nozzle Segment ADH tamiri. [8] JPAR 140 LPT 1. Kad. Nozzle ın metalurjik incelemesi. [9] JPAR 141 F110 LPT 2. Kad. Nozzle Segment Metalurjik İnceleme