Süperalaşım nedir? Nikel esaslı süperalaşımlar ve kullanım alanları

Neden süperalaşım

Sıradan bir çelik 550 °C civarında dayanımının önemli bölümünü yitirir. Oysa bir gaz türbininin ilk kademe kanatları, malzemenin mutlak ergime sıcaklığının yüzde 85'ine varan sıcaklıklarda, yüksek merkezkaç gerilmesi altında binlerce saat çalışır.

Süperalaşımlar bu koşullarda üç şeyi aynı anda başarır: sürünme (creep) direnci, yorulma dayanımı ve sıcak gaz korozyonuna direnç. Bu üçlü, alaşımın mikroyapısının sıcakta kararlı kalmasıyla mümkün olur.

Üç ana aile

Nikel esaslı

En yaygın ve en yüksek performanslı grup. Yüzey merkezli kübik nikel matrisi, yüksek sıcaklıkta bile sünekliğini korur ve γ′ çökeltileriyle sertleşir. Türbin kanadı ve disklerinin neredeyse tamamı bu gruptandır.

Kobalt esaslı

Karbür sertleşmesine dayanır. Sıcak korozyon direnci ve kaynak kabiliyeti yüksektir; yakıcı bileşenler, yanma odası parçaları ve biyomedikal uygulamalarda kullanılır.

Demir-nikel esaslı

Daha ekonomik koldur. Alaşım 718 bu grubun en bilinen örneğidir ve havacılıkta çok geniş kullanım alanı bulur.

Mikroyapı: γ ve γ′

Nikel esaslı süperalaşımların dayanımı, γ adı verilen nikel matrisi içinde düzgün dağılmış γ′ (gama prime) çökeltilerinden gelir. γ′, Ni₃(Al,Ti) bileşimli düzenli bir intermetalik fazdır ve matrisle uyumlu bir kristal yapıya sahiptir.

Bu fazın olağandışı özelliği, akma dayanımının sıcaklıkla birlikte bir noktaya kadar artmasıdır. Dislokasyonların γ′ parçacıklarını kesmesi ya da dolanması zorlaştıkça malzeme sıcakta güçlenir. Alaşımın performansı büyük ölçüde γ′ hacim oranına, parçacık boyutuna ve dağılımın homojenliğine bağlıdır.

γ′ hacim oranı arttıkça yüksek sıcaklık dayanımı yükselir, ancak dövülebilirlik ve kaynaklanabilirlik düşer. Döküm alaşımları yüksek γ′ oranıyla çalışırken dövme alaşımlarında bu oran sınırlı tutulur.

Alaşım elementleri ne yapar

Üretim zinciri

1. VIM — vakum indüksiyon ergitme. Bileşim vakum altında ayarlanır; alüminyum ve titanyum gibi oksijene aç elementler ancak bu ortamda kontrollü ilave edilebilir.
2. ESR / VAR — yeniden ergitme. Elektrocüruf ya da vakum ark yeniden ergitmeyle inklüzyonlar temizlenir, segregasyon azaltılır ve homojen bir ingot elde edilir. Havacılık parçalarında çift, bazen üç kademeli ergitme şarttır.
3. Şekillendirme. Dövme, haddeleme ya da hassas döküm. Türbin kanatlarında yönlendirilmiş katılaşma ve tek kristal döküm kullanılır; tane sınırları sürünmenin zayıf halkası olduğu için tamamen ortadan kaldırılır.
4. Isıl işlem. Çözeltiye alma ve yaşlandırmayla γ′ boyutu ve dağılımı hedeflenen değere getirilir.

Master alaşımların rolü

Süperalaşım üretiminde bor, magnezyum, hafniyum ve zirkonyum gibi elementler ağırlıkça binde ya da yüzbinde seviyelerde eklenir. Bu kadar küçük miktarların saf halde, doğru ve tekrarlanabilir biçimde banyoya katılması pratikte mümkün değildir: element ya yanar ya da banyoda düzensiz dağılır.

Çözüm, elementi nikelle önceden alaşımlanmış halde eklemektir. Nikel-bor, nikel-hafniyum ve nikel-zirkonyum master alaşımları tam olarak bu iş içindir: ergime sıcaklıkları düşüktür, banyoda hızla çözünürler ve hedef bileşime yüksek verimle ulaşılmasını sağlarlar.

• Nikel-bor: tane sınırı dayanımı ve sertleşebilirlik.
• Nikel-hafniyum: döküm alaşımlarında tane sınırı güçlendirme ve çatlak direnci.
• Nikel-zirkonyum: tane sınırı kontrolü ve sürünme ömrü.
• Nikel-magnezyum: kükürt bağlama ve süneklik iyileştirme.

Hammadde alırken nelere dikkat edilir

• Ana elementin aralığı kadar, oksijen, azot ve kükürt üst sınırlarını da yazın; süperalaşımda eser safsızlıklar belirleyicidir.
• VIM şarjına uygun tane boyutunu ve temizliği şart koşun.
• Ambalajın hava ve nem geçirmez olmasını isteyin; oksitlenmiş yüzey doğrudan gaz kapılması demektir.
• Her parti için analiz sertifikası, gerekiyorsa EN 10204 3.1 ve bağımsız doğrulama talep edin.
• İzlenebilirlik için parti numarasının sertifikada ve ambalajda aynı olmasını şart koşun.