www.teknolojikarastirmalar.org ISSN:13044141 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 005 (3) 4146 TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR Teknik Not Katkı Elementlerinin Süper Alaşımlara Kazandırdığı Genel Özellikler Muzaffer ERDOĞAN, Mehmet ÇAKMAKKAYA, Ayhan EROL Afyon Kocatepe Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Metal Bölümü, Afyonkarahisar ÖZET Süper alaşımlar endüstride birçok uygulama alanına sahiptir. İleri teknoloji alaşımların üretilmesi sırasında katkı elementlerinin ilavesi modern bir yöntem olan toz metalurjisiyle gerçekleştirilmektedir. Bu alaşımlar ileri teknolojinin gerektirdiği uzay, uçak sanayi ve askeri alanlarda oldukça artan oranlarda kullanılmaktadır. Artan ihtiyaca bağlı olarak kullanılan alaşımların ağırlıkdayanım değerleri oldukça önemlidir. Özellikle hafif alaşımlar ve süper alaşımların üretilmesi konusunda yoğun bilimsel çalışmalar yapılmaktadır. Anahtar kelimeler : Toz metalurjisi, Katkı elementleri, Süper alaşımlar 1. GİRİŞ Süper alaşımlar incelendiğinde takım çeliklerinden tutun alüminyum alaşımlarına kadar geniş bir uygulama alanına sahip olduğu göze çarpar.örnek olarak trübün diskleri ve kesici ağız uçları en sık karşılaşılan olanlardır. Literatüre bakıldığında araştırmacıların birçoğu, helyum santrifüz atomizasyonu ile elde edilmiş tozları kullanmışlardır. Bununla beraber Duflos ve Stohr, eriyik merkezkaç metodu ile yüksek değerlerde metal tozları elde etmişlerdir. Genellikle bu metot, metal eriyik yaygın olarak sıcak izostatik basınç ile yapılır.süper alaşımların, gaz atomizasyondaki mikroyapı değişikliği ve bazı detayları Lıebermann tarafından ortaya çıkarıldı. Ayrıca Shohojı, süper alaşımların helyum santrifüz atomizasyonuyla elde edilen tozların yapısını ve soğuma sıcaklık değerlerini inceledi. Inoue ise süper alaşımların γ/ [Ni 3 (Al,Ti)] fazındaki ergime değerlerini buldu. RSP alaşımlarında mükemmel yönlenmiş geniş antifaz bölgeleri yerine 0,1µm çapındaki APD lerin segregasyonu ile oluşmuştur. Bu sebeple, birçok alaşımlardaki yapısal modifikasyonlar ile büyük miktarlarda dayanım artışları gözlenmiştir. Smugeresky uygulamaları boyunca malzeme içerisinde yönlendirilmiş RSP yapı fazlarına rastlamıştır. Ve bu problem ileride dikkat çekecek araştırma konusu olacaktır[1]. Genellikle alaşımlara ilave edilen katkı elementleri, alaşımın mekaniksel özelliklerini (bileşim oranlarına bağlı olarak) değiştirmektedir[].
Teknolojik Araştırmalar : MTED 005 (3) 4146 Katkı Elementlerinin Süper Alaşımlara Kazandırdığı Genel Özellikler 1. Dayanımı arttırır,. Sertliği yükseltir, 3. Sertleşmeyi kolaylaştırır, 4. Çekirdeğine kadar sertleşmeyi sağlar, 5. Korozyona karşı dayanımı yükseltir, 6. Mıknatıslanma özelliğini geliştirir, 7. Yüksek sıcaklıklara karşı dayanımı arttırır, 8. Elektrik direncini yükseltir, 9. Isı etkisi altında genleşmeyi ayarlar, 10. Kristal yapısını inceltir.. NİKEL ve DEMİRNİKEL ESASLI ALAŞIMLAR Yaşlanmayla (tabiisuni) sertleşebilen esaslı süper alaşımları ilk kez İngilizler üretmişler ve ilk olarak jet uçaklarında kullanmışlardır. Nimonik adı verilen (bkz.tablo:1) bu alaşımlar çok iyi bilinen elektrik ısıtıcı (%80 Ni ve %0 Cr) malzemesine belli oranlarda titinyum katılmasıyla olağanüstü sonuçlar elde edilmiştir. Rusya, ABD ve İngiltere deki gelişmeler sonucu kontrollü katılan kobalt, alüminyum, molibden, tungsten, ve çok az oranlardaki bor, çinko gibi elementler bu alaşımların mekanik ve fiziksel özelliklerin artmasını sağlamıştır. Ni esaslı alaşımların içinde en önemli katı çökelti elementi krom, molibden ve tungsten dir. Ni içindeki kromun katı çözünürlüğü (bkz.şekil1) de CrNi faz diyagramında verilmiştir. Alüminyum, niobyum ve titanyum gibi elementler Ni ve FeNi esaslı alaşımların mukavemetini arttırmaktadır[]. Şekil 1. CrNi Faz Diyagramı 4
Erdoğan, M., Çakmakkaya, M., Erol, A. Teknolojik Araştırmalar: MTED 005 (3) 4146 Tablo 1. Nikel Esaslı Süper Alaşımların Kompozisyonu Alaşımın Adı Nimonik80 Nimonik100 İnconel x İnconel 700 Astroloy % Bileşim C Cr Al Ti Mo Co B Kalan 0.08 0 1.5.4 Ni 0.0 11 5.0 1.3 5.0.0 Ni 0.06 16 0.6.5 1.5Ni70Fe 0.10 17 3.3. 3.0 3.0 0.008Ni0.4Zr 0.10 15 4. 4.3 5.0 15.5 0.03Ni 3. KOBALT ESASLI SÜPER ALAŞIMLAR Ni ve C bazı kobalt esaslı alaşımların geçiş sıcaklığını düşürmüştür. (760985) C servis sıcaklıkları arasında Yüzey Merkezli Kübik (YMK) yapının oluşması ve bu yapının oda sıcaklığında da kalabilmesi alaşımın dayanım direncini arttırmıştır. Böyle alaşımlar uçak sanayisinde genellikle jet motorlarında kullanılır. Çünkü jet motorlarında malzeme yüksek sıcaklığa maruz kalır ve soğuma gerçekleştirilir, bu işlem tekrarlanarak devam eder[1]. Günümüzde Tablo de verilen beş tipik alaşımın kompozisyonunda birçok ticari kobalt esaslı süper alaşımlar vardır. Kobalt tabanlı alaşımlarda krom, tantal, tungsten, molibden ve nikel YMK yapı karakterindedir. Bu yüzden alaşımın mukavemet direncini arttırmaktadır. Alaşımın bağıl direnci atomların çaplarına bağlıdır. Kristaldeki atom çapları farkı büyüdükçe mukavemetleri azalmaktadır. Tablo. Kobalt Esaslı Süper Alaşımların Kompozisyonu Alaşımın Adı % Bileşim Ni Cr M W Fe C Kalan o Hs 5 İşlenmiş Hs 1 Döküm Hs 31 Döküm Hs 151Döküm SM 30Döküm 10 45 10.5 1 0 7 5.5 0 5.5 15 7.5 1.8 10 3 0.1 0.5 0.5 0.05 0.85 0.007B 0.15Ti 9Ta0.Zr Tablo 3. Kobalt Tabanlı Süper Alaşımların Gerilim ve Kopma Dirençleri Alaşımın 650 O C 815 O C 990 O C 650 O C 815 O C 990 O C adı Hs 5 Hs 5 Hs 5 Hs 5 103 71 76 85 50 63 63 64 34 3 9 5 56 70 19 7 38 40 7.0 9.4 11.3 13. 14.5 Gerilim Direnci 10 3 x Ib : in Gerilim Direnci 10 3 x Ib : in Krom ve Nikel elementleri yapı içerisinde göreceli olarak daha az mukavemet direnci gösterirler. Kromun bu alaşımlarda en önemli görevi paslanmaya karşı gösterdiği dirençtir. Kobalt tabanlı süper alaşımların 43
Teknolojik Araştırmalar : MTED 005 (3) 4146 Katkı Elementlerinin Süper Alaşımlara Kazandırdığı Genel Özellikler tipik özellikleri Tablo3 de verilmiştir. Bu alaşımların içindeki çökelmiş yapı dağılımı, yüksek sıcaklıklarda direnci arttırdığından karbon en önemli bir alaşım maddesidir. Alaşımlardaki çökelek tipleri, çeşitli çökelek yapıcı elementlere ve göreceği ısıl işlemlere bağlıdır. Oluşan çökelekler, yüksek sıcaklıklarda çözünerek çökelek sertleşmesine sebep olurlar. Bu alaşımlarda çökelek oluşmasına en büyük örnek Hs 31 (bkz.tablo) alaşımıdır[]. 4. TUNGSTEN ALAŞIMLARI Tungstenin ilk önemli kullanımı tungsten mangan çeliğinin üretimiyle ortaya çıkmıştır.genellikle Tungsten araç çeliklerinde ve yüksek sıcaklıklarda dayanım gerektiren alaşımlarda kullanılır. % 30 a kadar W içeren alaşımların tozları eriyik otomizasyonu yöntemi ile elde edilir. Parçalar daha sonra presleme ve sinterleme ile üretilir. Sıcak izostatik presleme, gözenekli yapıları önlemek veya azaltmak için geliştirilmiştir[3]. %5 Renium (Re) eklenmesiyle tungsten alaşımlarına şekil alma yeteneği kazandırılmıştır. Renium katılarak W alşımları toz karışımlarından preslenip, sinterlenerek elde edilir. Bu alaşımların %86 sı deformasyona uğramadan 1000 C sıcaklıkta haddelenebilir ve yüksek sıcaklıklarda gösterdiği mukavemet değeri yüksektir[4]. Toz metalurjisi metoduyla elde edilen WAg ve WCu alaşımları, gümüş ve bakır elementlerinin ilavesi ile plastik şekillendirme ve ısı iletkenlik özelliğini arttırmıştır. Tungsten karbit madencilik ve petrol sanayisinde, matkaplarda, delici ekipmanların kesici uçlarında, kırıcı makine aparatlarında ve elektrik malzemelerinin kaplamalarında kullanılır. Saf tungsten tozundan yapılan ürünler elektrik ve elektronik sanayisinde kullanılmaktadır[5]. 5. TZM MOLİBDEN ALAŞIMI Molibden alaşımlarının en önemli teknik özelliği mukavemetli ve yüksek sıcaklıklardaki dayanım direnci gösteren bir alaşımdır.tzm alaşımı, elektrik ark ocaklarında eritmebasınç yöntemiyle elde edilmektedir. Tablo 4. TZM molibden alaşımının bileşimi Element % Bileşim Element % Bileşi m Karbon Titanyum Zirkonyum Oksijen Hidrojen 0.010.04 0.400.55 0.060.1 0.005 0.0005 Nitrojen Demir Nikel Silikon Molibden 0.00 0.10 0.00 0.008 kalan TZM molibden alaşımı diğer alaşımlarla karşılaştırıldığı zaman elde edilen direnç/yoğunluk oranları Şekil3 de gösterilmektedir.ekonomik nedenlerden dolayı molibden renyum alaşımları ticarette pek kullanılmazlar. Yalnız %541 Re olan molibden alaşımları, yüksek sıcaklıklardaki dayanımı özelliği nedeniyle ısı tellerinde kullanılırlar[4]. TZM molibden alaşımı (bkz.şekil) 1100 C civarındaki direnci alaşımsız molibdenin yaklaşık iki katıdır. TZM oda sıcaklığında ve daha yüksek sıcaklıklarda alaşımsız molibden alaşımları, diğer refrakter malzemeler gibi daha iyi fiziksel ve meknik özellikler gösterir. 44
Erdoğan, M., Çakmakkaya, M., Erol, A. Teknolojik Araştırmalar: MTED 005 (3) 4146 Şekil. Çekme Gerilmelerine Ait Diyagram. Şekil 3. Direnç/Yoğunluk Diyagramı TZM molibden alaşımı, yüksek sıcaklıklarda yeniden kristalleşme sıcaklığına ve uygun haddeleme özelliğine de sahiptir. Bu yüzden TZM molibden alaşımı yüksek sıcaklıkta kullanılması uygundur. Çünkü yüksek ısıdaki sertliği, yüksek ısı iletkenliği düşük ısı genleşmesi ve yüksek ısı testlerine dayanıklı olduğu görülür. TZM alaşımına titanyum ve zirkonyum elementleri yerine hafniyum ilave edilirse, (%1,0 Hf ve %0,06 C) böyle bir alaşımda 1315 C sıcaklıkta 590 MPa (70 ksi) dirence sahiptir. 105 C sıcaklıktaki direnci 330 MPa (48 ksi) uzama (sünme) ise %0,038 h dir. TZM için bu değer %0,05 h dir[3]. 6. RENYUM ALAŞIMLARI Renyum elementi, diğer metaller gibi iyi bir alaşım elementidir. Renyum, kırılgan metal ve alaşımların çekme ve haddeleme özelliklerini çok arttırır. Bu eğilim, yeniden kristalleşme sıcaklığının üzerinde de korunur. Renyum alaşımları; nükleer reaktörlerde, yarı iletken elektronik tüp bileşimlerinde, ısı iletkenlerinde, jiroskoplarda, küçük roketlerde, elektronik kontakların termoiyonik çeviricilerinde, ticari ve havacılık uygulamalarında kullanılır[3]. 7. TANTAL ALAŞIMLARI Tungsten ve hafniyum, tantal alaşımının yüksek sıcaklıklardaki dayanımını arttırmak için katılırlar. Ta %,5 W alaşımı korozyona dayanıklı ısı ileticilerinde ve diğer kimyasal ekipman yapımında kullanılır. Ta%10 W alaşımı, haddelenebilme özelliğinin düşük olmasına rağmen, aşınmaya karşı dayanıklı bir alaşımdır. Fırınlarda misil parçaları, nozullar ve bağlayıcı aparatlarında kullanılır. Ta%7,5 W alaşımı yaylarda ve bunların değişik korozif ortamlar için (örneğin: Kuru klor, brom veya hidroklorik asit gibi ) yapılırlar. Bu alaşımlar toz metalurjisi üretimi ile elde edilir[3,6]. 8. NİOBYUM ALAŞIMLARI Son günlerde toz metalurjisi ile elde edilen niobyum alaşımının, ticaride uygulama alanı yoktur. Bu alaşımın, ekonominin güvence vermesiyle havacılık endüstrisinde yüksek kaliteli niobyum tozlarından makina parçaların yapılması hesaplanmaktadır. Geliştirilmekte olan bir örnek ise C103 alaşımıdır[3,7]. 45
Teknolojik Araştırmalar : MTED 005 (3) 4146 Katkı Elementlerinin Süper Alaşımlara Kazandırdığı Genel Özellikler 9. C103 ALAŞIMI (Nb%10 Hf%1 Ti) Bu alaşım, uzay aracı sistemlerindeki egsoz ve kontrol sistemlerinde kullanılır. Toz metalurjisi yöntemiyle elde edilen alaşımın talaş kaldırarak şekillendirme işciliği güçtür. Bu yüzden hidrojen gazı atomizasyonu yöntemi kullanılmıştır. C103 alaşımının tozları üzerindeki deneysel çalışmalar devam etmektedir[3,8]. 10. DEĞERLENDİRME : Süper alaşımlar, son yıllarda üzerinde durulması gereken bir konudur. Bu alaşımların önem kazanmasıyla makina, uzay ve uçak sanayisinin gelişmesine sebep olmuştur. Yüksek sıcaklıklarda yapısını ve dayanımını (sertliğini) koruyabilmesi, uygulama alanlarını daha da arttırmıştır. Sonuç Olarak ; 1. Belirli oranlarda ilave edilen katkı elemanları (krom, nikel, kobalt, tungsten, molibden, zirkonyum, renyum, niobyum, ) alaşımın mukavemetini arttırır.. Alaşımın mukavemeti, metal tozlarının büyüklüğüne bağlıdır. Bu yüzden alaşımın yapısını oluşturan kristalin atom çapları büyüdükçe, dayanımları azalır. 3. Bazı katkı elemanları, yüksek sıcaklıklarda kristal içinde çökelerek, çökelek sertleşmesine sebep olur. Bu yüzden alaşımın dayanım direncini arttırır. 4. Alaşım içerisine krom ve nikel elementleri katılırsa, yüksek sıcaklıklardaki korozyondayanım direncini arttırır. 5. Katkı elemanları, alaşıma yüksek sıcaklıklarda uzama ve haddeleme özellikleri kazandırır. 6. Alaşımı oluşturan bütün katkı elemanları toz metal üretim teknikleri (toz atomizasyonu, presleme ve sinterleme) ile üretilir. 11. KAYNAKLAR 1. Cahn R.W., Haasen P., Physical Metallurgy, Part.. Brıck R.M., Pense A.W., Gordon R.B., Structure And Properties of Engineering Meterials, Fourth Edition. 3. Powder Metallurgy, Metals Handbook, Ninth Edition, Volum7. 4. Yih S. W. H., Wang C. T., Tungsten, Sources Metallurgy, Properties And Aplications, Pelenum Pres, New York, 1979. 5. Maden Teknik ve Arama Genel Müdürlüğü, www. mta.gov.tr / madenler / tur maden / 101k 9 Şubat005. 6. Dieter G.E. Jr., Mechanical Metallurgy, Mc Graw Hill, New York, 1961. 7. Wadsworth J., Roberts C. A., Rennhack E. A., Jr., Mat. Sci., Vol. 17, 5 539546, 198. 8. Himmelblau C. D., İn Progress İn Powder Metal., Vol. 79, 1983. 46