Süper Alaşımlar Nedir? Özellikleri ve Kullanım Alanları

Gelişen teknolojiyle beraber yeni mühendislik malzemelerine ihtiyaç her geçen gün daha da artmaktadır. İhtiyaçlar doğrultusunda yüksek çalışma sıcaklığı ve korozyon dayanımı özellikleri ile süper alaşımlar ön plana çıkmaktadır. Bu yazımda süper alaşımlar nedir sorusuna cevap verip süper alaşımların kullanım alanları ve özelliklerinden bahsetmek istiyorum.

Süper Alaşımlar Nedir?

Yüksek sıcaklık altında mükemmel sürünme dayanımı ve korozyon direnci gösteren alaşımlara süper alaşımlar yada diğer bir ismiyle yüksek performans alaşımları denir. Süper alaşımlar aynı zamanda iyi yüzey kararlılığı ve oksidasyona karşı direnci ile de tanınır. Bu alaşımlar genellikle nikel, kobalt yada nikel-demir bazlı olup yapısında yardımcı alaşım elementi olarak krom(Cr), alüminyum(Al), titanyum(Ti), molibden(Mo), tungsten(W), niobyum(Nb), tantal(Ta) gibi elementler bulundurur.

Süper Alaşımların Özellikleri

Süper alaşımların sahip olduğu birçok özellik vardır. Bunları aşağıdaki gibi sıralayabiliriz:

• Atmosferin oluşturduğu aşındırıcı etkilere karşı yüksek dayanım
• Yüksek sıcaklık altında çalışırken mükemmel sürünme dayanımı
• Yüksek sıcaklıkta iyi kopma dayanımı
• Uzun yorulma ömrü
• Yüksek korozyon direnci

Süper Alaşımların Kullanım Alanları

Süper alaşımlar, ilk kez 20. yüzyılın ortalarında kullanılmaya başlanmıştır. Daha sonra gelişen teknoloji ile çeşitli sektörlerde de kullanılır hale gelmiştir.

Süper alaşımların kullanım alanları;

• Havacılıkta kullanılan türbin kanatları
• Jet/Roket motorları
• Denizcilik sektörü(özellikle denizaltıları)
• Kimyasal işlem sanayi (termik santraller,petrokimya ürünleri sanayisi gibi)
• Nükleer reaktörler
• Isı eşanjör boruları
• Endüstriyel gaz türbinleri
• Uzay sanayi
• Buhar türbinleri

Süper Alaşımların Sınıflandırılması

Süper alaşımlar yapısında bulunun baz elementine göre üçe ayrılır;

• Nikel Bazlı Süper Alaşımlar
• Kobalt Bazlı Süper Alaşımlar
• Demir-Nikel Bazlı Süper Alaşımlar

Nikel Bazlı Süper Alaşımlar

Nikel bazlı süper alaşımlar en fazla kullanım alanına sahip olan sınıftır. Nikel bazlı süper alaşımlar içerisinde %50-70 arası nikel içermektedir. Bu alaşımlar çok iyi oksidasyon ve korozyon direnciyle tanınırken aynı zamanda 815 °C-900 °C arasındaki yüksek sıcaklık şartlarında sürünme ve kopma dayanımı da sağlar. Bu özelliklerden dolayı nikel bazlı süper alaşımlar sıklıkla uçak motoru yapımında karşımıza çıkmaktadır. Ayrıca roket motorlarında, uzay mekiklerinde ve nükleer reaktörlerde de kullanılır.

Bu alaşımların mekanik ve kimyasal özelliklerini geliştirmek için zirkonyum(Zr), molibden(Mo), demir(Fe), kobalt(Co), bor(B), niobyum(Nb) gibi alaşım elementleri kullanılır.

Inconel 600, Nimonic 80A, Udimet 400 ve Pyromet 860 alaşımları, yüzlerce nikel bazlı süper alaşım arasından verilebilecek en yaygın örneklerdir.

Nikel bazlı süper alaşımlarının üretiminde toz metalurjisi ya da tek kristal döküm yöntemi tercih edilir.

Kobalt Bazlı Süper Alaşımlar

Kobalt bazlı süper alaşımlar, ana element olarak içerisinde %50-60 kobalt, %20-30 krom, %20 ye kadar nikel, %5-10 arasında tungsten ve düşük miktarda molibden içeren süper alaşım sınıfıdır. Yukarıda bahsi geçen her alaşım elementinin bir ekleniş amacı vardır. Krom; mukavemet ve yüksek sıcaklık şartlarında yüksek oksidasyon direnci için, nikel; kırılma tokluğunun geliştirilmesi için, tungsten; katı eriyik mukavemetlenmesi için eklenir.

Kobalt bazlı süper alaşımlar, içerisindeki alaşım elementlerinden dolayı diğer sınıflara nazaran daha yüksek sıcaklıkta çalışma imkanı sağlar. Bunun yanı sıra kobalt bazlı süper alaşımlar ile yüksek sıcaklıkta uzun çalışma ömrü de geliştirilmiştir.

Kobalt bazlı süper alaşımların bir öne çıkan özelliği ise kaynaklanabilme özelliğine sahip olmasıdır. Ayrıca içinde bulunun yüksek kromdan dolayı bu süper alaşım yüksek sıcaklıkta yüksek korozyon direncine sahiptir.

Bu alaşım grubu, katı çözelti ve karbür kombinasyonu ile mukavemetlenmesinden dolayı kullanım alanları sınırlıdır. Genellikle kobalt bazlı süper alaşımlar gaz türbinlerinin tutuşturucu ve geçiş kanalları kısmındaki iç tasarımında kullanılır. Bu kullanılan malzemenin adı da Haynes 188 adına sahip kobalt bazlı süper alaşımdır.

Demir-Nikel Bazlı Süper Alaşımlar

Demir-nikel bazlı süper alaşımlar, esas element olarak demir ve buna bağlı olarak krom, nikel ve çok az oranda molibden veya tungsten içermektedir. Alaşım elementi dağılımı ise; %15-60 demir, %25-45 nikel, katı eriyik mukavemetlenmesi elde etmek için %1-6 molibden, yüksek sıcaklıkta oksidasyon direncini geliştirmek için %15-28 krom ilave edilir. Bazı demir-nikel bazlı süper alaşımlara titanyum ve alüminyum ilavesi de yapılabilir. Bu alaşım elementleri nikel ile intermetalik oluşturarak çökelti sertleşmesi oluştururlar.

Demir-nikel bazlı süper alaşımlar diğer sınıflara göre nispeten daha az alaşım elementi içerdiklerinden dolayı yüksek mekanik ve termal uygulamaların olduğu yerlerde tercih edilmez.

Demir-nikel bazlı süper alaşımların en öne çıkan özellikleri ucuz ve bulunabilir olmasıdır. Bu yüzden gaz türbinlerinde, disklerde, şaftlarda ve buhar türbinlerinde tercih edilme sebebidir.

Demir-nikel bazlı süper alaşımlara örnek verecek olursak; 19-9 DL, Haynes 556, Inconel 802 ve Incolloy 801 malzemeleri verilebilir.

Tavsiye Yazı: Sürünme Deneyi Nedir?

Süper Alaşımların Tarihçesi

İlk kullanılan süper alaşımlar, östenitik paslanmaz çeliklerin modifikasyon ürünü olup 1950 ve 1970 yılları arasında kullanılmıştır. 1980’li yılların başında ise teknolojinin gelişmesiyle beraber farklı alaşım elementlerinin kombinasyonu sonucu yeni nesil süper alaşımlar üretilmiştir. Bu sayede ihtiyaca göre istenilen özelliklerin bir arada bulunması mümkün kılınmıştır.

Bu yazımda süper alaşımlar nedir sorusuna elimden geldiğince cevap verip süper alaşımların özellikleri ve süper alaşımların uygulama alanları hakkında bilgi vermeye çalıştım. Ayrıca süper alaşımların sınıflandırılmasından bahsettim. Umarım faydalı bir yazı olmuştur. Soru ve görüşlerinizi yorum kısmından benimle paylaşabilirsiniz.