Süper alaşım; ana yapısı demir, nikel yada kobalt olan nisbeten yüksek miktarlarda krom, az miktarda da yüksek sıcaklıkta ergiyen molibden, wofram, alüminyum ve titanyum içeren alaşım olarak tanımlanabilir. Süper alaşımlar; çok yüksek sıcaklıklarda yüksek dayanımlarını koruyabilen ve yüksek sıcaklık direncine sahip alaşımlardır. Bu kompleks alaşımlar, yüksek sıcaklıklarda iyi korozyon ve oksidasyon direncine, üstün sürtünme ve kopma dayanımına sahiptirler. Süper alaşımlar; matris içinde ince dağılmış formda değişik karbürler ve intermetalik fazlar içerirler. Süper alaşımların yaklaşık %15-%20 si korozyona mükemmel yüksek direnç gösteren yüksek oranda krom içeren malzemelerdir. Süper alaşımın en iyi kullanım sıcaklık aralığı, 0.8 T erg. olarak alınmalıdır. 1
Süper alaşımlar özellikle uçak, gemi, lokomotif ve enerji santrali gaz türbinlerinde, roketlerde tahrik sistemlerinde, petrol ve kimya tesislerinin değişik yerlerinde kullanılırlar. İlk süper alaşımlar östenitik paslanmaz çeliklerin bir modifikasyonu olup günümüzde kullanımda olan bir çok malzeme 1950-1970 yılları arasında geliştirilmiştir. 1980 lerde gelişen teknoloji gelişen teknoloji ile bazı elementlerin süper alaşımlara katılabilme olanağının artmasıyla bugün yoğun ilgi duyulan spesifik mekanik özellikler kazanmışlardır. Bu nedenle de yüksek sıcaklık uygulamaları söz konusu olduğunda süper alaşımlar diğer tüm ticarimetalurjik malzemelerden daha çok tercih edilmektedirler. 1900 lü yılların başlarında gaz türbünlerinde kullanım için geliştirilmiş olan süper alaşımlar artık denizcilik, sanayi ve taşıt gaz türbinleri, uzay araçları, roket motorları, nükleer reaktörler, denizaltı uygulamaları, buhar güç üniteleri ve petrokimyasal ekipmanlarda geniş olarak kullanılmaktadırlar. Gaz türbinlerinin kanatları en yüksek zorlamaya maruz kalan yapı elemanları grubunda yer alırlar. Meydana gelen akış kuvvetleri sonucunda 1100 0 C a varan sıcaklıklarda 200MPa a kadar boyuna gerilmeleri taşımak zorundadır. Bu esnada türbün kanadı ayağı yüksek sıcaklığa ( 700 0 C) ulaşmamasına karşın gerilme zorlaması 500MPa değerine ulaşır. Kanatlar işletme sırasında yüksek titreşime maruz kaldıkları ve ani sıcaklık değişimlerinden dolayı değişken termik zorlamayı da karşılamak gerektiğinden yüksek sıcaklık dayanımı yanısıra ayrıca sünek ve termik yorulmaya karşı yeterli dayanıma sahip olması gerekir. Sıcak yanma gazları yüksek miktarda oksijen ve diğer korozif maddeler içerdiğinden kant malzemesinin korozyon direnci yüksek olmalıdır. Yanma odalarında (kamaralarında) mekanik zorlanma önemli ölçüde daha azdır ancak sıcaklık 1100 0 C ın üzerine çıkabilir. Bu amaçla da kullanılacak malzemenin öncelikle korozyon direncinin yüksek olması daha sonra kaynak edilebilirliği ve şekil alabilirliği göz önünde tutulur. 2
Süper Alaşımların Sınıflandırılması: Süper alaşımlar genel olarak 3 ana başlık altında ele alınabilir. Demir esaslı süper alaşımlar Nikel esaslı süper alaşımlar Kobalt esaslı süper alaşımlar Demir Esaslı SüperAlaşımlar: Demir esaslı süper alaşımlar; %25-45 Ni, %15-60 Fe, yüksek sıcaklıklarda oksidayon direncini sağlamak için %15-28 Cr, katı çözelti mukavemetini sağlamak için %1-6 Mo ilave edilir.. Karbon, boron, zirkonyum, kobalt ve bazı diğer elementler de ilave edilebilir. Titanyum, alüminyum ve niobyum mukavemet arttırıcı çökelti oluşturmak için nikelle kombine edilir. Ayrıca alüminyum ve titanyum içermeleri nedeni ile çökelme sertleşmesi işlemi ile sertleştirilebilirler. Kübik yüzey merkezli kafes yapısına sahip matriste alaşım elementlerine bağlı olarak çökelen fazlar, malzemenin mekanik özelliklerinin belirlenmesinde etkin rol oynarlar. Demir esaslı süper alaşımlar yaklaşık 650 0 C a kadar olan sıcaklıklarda kullanım bulmaktadırlar. Demir esaslı süper alaşımların dayanımları, nikel esaslı alaşımlara göre daha düşüktür. Bu nedenle de, daha uzun ömür ve aynı zamanda yüksek mekanik ve termik zorlamalarda nikel ve kobalt esaslı alaşımlar tercih edilir. Pek çok gaz türbin motorlarında, kanatlarında, diskler ve şaftlar ile buhar türbinlerindeki bazı parçalar demir esaslı süper alaşımlardan yapılabilir. Diğer süper esaslı alaşımlara kıyasla daha ucuzdurlar. 3
Nikel Esaslı Süper Alaşımlar: Nikel; ergime sıcaklığı 1453 C ve yoğunluğu 8,9 g/cm 3 elementtir. Nikel esaslı süperalaşımların yapısında, %50-70 Ni bulunan alaşımlardır. Nikel esaslı süper alaşımlara çökelme sertleşmesi işlemi uygulanabilir. 1941 yılında İngiltere de geliştirilen NIMONIC 80 alaşımı, ilk kez çökelme sertleşmesi ile sertleştirilen alaşımdır. Alaşım içinde Ni 3 ( AlTi) çökletilerinin oluşması için %22.25 Ti ve %1.3 Al ve %19.5 Cr bulunmaktadır. Nikel esaslı süper alaşımların kullanım verimliliklerin arttırılması için Mo, Co, Nb, Zr, B, Fe ve diğer elementler ilave edilmiştir. Süper alaşımlar içinde yapı-özellik ilişkisi en iyi bilinen malzemelerdir. İleri teknoloji hava taşıt motorlarının %50 sini nikel esaslı süper alaşımlar oluşturur. 815 0 C 900 0 C da kullanım alanı bulan nikel easaslı süper alaşımlar; uçak ve gaz türbinlerinde, uzay araçlarında, roket motorlarında, nükleer reaktörlerde, termik santrallerde, petrokimyasal ekipmanlarda ve diğer yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılır. Nikel esaslı süper alaşımlar; tek kristal döküm yöntemi, ve toz metalurjisi yöntemi ile üretilebilirler. Kobalt Esaslı Süper Alaşımlar: Kobalt; ergime sıcaklığı (1495 0 C ) ve yoğunluğu (8.90 g/cm 3 ) gibi bir çok fiziksel özelliği açısında nikele benzer. Oda sıcaklığında sıkı paket hegzagonal (sph) yapısına sahip olan kobalt, 417 0 C de allotropik dönüşüme uprayarak kübik yüzey merkezli (kym) kafes yapısına dönüşür. Döküm kobalt esaslı süper alaşımlar; %50-60 Co, %20-30 Cr, %5-10 W(T) ve %0.1-1.0 C içerirler. Bu alaşımların dengesi nikel, tantal, demir, niobyum vb. gibi elementlerle sağlanır. Kobaltın krom, nikel, tungsten, karbon ve diğer alaşım elementleri ile alaşımlanarak elde edilen karmaşık süper esaslı kobalt alaşımları, ilk olarak gaz türbini motorlarında kullanılmaya başlandığı 1943 yılından bu yana büyük gelişim göstermiştir. Normal olarak kobalt bazlı süper alaşımlar ısıl işleme tabi tutulmaz. Ancak kaynak yapmak ve ya işlemek gerektiğinde bu kural bozulabilir. Kobalt esaslı süper alaşımlar; nispeten düşük gerilmelerde ve yüksek sıcaklıklarda uzun ömürlü olması istenen statik parçalarda kullanım alanı bulmuşlardır. 4
Kobalt Esaslı Süper Alaşımlar: Kobalt esaslı süper alaşımların son yıllarda başlıca tercih edilme nedenleri şunlardır. Ergime sıcaklığının yüksek olamsınedeniyle yüksek sıcaklıklarda, demir ve nikel esaslı süper alaşımlara kıyasla daha yüksek dayanım gösterirler. Bileşimlerindeki yüksek krom nedeni ile mükemmel sıcak korozyon direncine sahiptirler. Bu nedenle de gaz türbinlerindeki atmosferde çalışacak parçalar için uygun malzemelerdir. Nikel esaslı süper alaşımlara göre çok daha mükemmel termal yorulma direncine sahiptirler. Kaynak edilebilirler. 5