Süper Alaşımlar Nedir? Özellikleri ve Kullanım Alanları
Isı rezistansı veya yüksek sıcaklık alaşımları olarak da bilinen ve yüksek sıcaklık gerektiren uygulamaların vazgeçilmezi olan süper alaşımlar ile ilgili bilgileri bu yazımızda derledik.
Süper Alaşımlar Nedir?
Temel yapısı demir, kobalt (Co) veya nikelden (Ni) oluşan ve yüksek oranda krom (Cr), düşük miktarda da tungsten (W), molibden (Mo), alüminyum (Al) ve titanyum (Ti) içeren alaşımlar süper alaşımlar olarak adlandırılır.
Süper Alaşımların Özellikleri
- Süper alaşımların yüksek sıcaklık altında dayanımları yüksektir yani yüksek bir ısıl dirence sahiptirler.
- Süper alaşımların yüksek sıcaklıklarda oksidasyon ve korozyon dayanımı yüksektir, üstün kopma ve sürtünme dayanımına sahiptirler.
- Süper alaşımların %15-%20’si üstün korozyon direncine sahip ve yüksek miktarlarda krom içeren materyallerdir.
Süper Alaşımların Tarihi
- Süper alaşımların ilk örnekleri östenitik paslanmaz çeliklerin modifiye edilmiş hali olup, günümüzde de kullandığımız bir çok süper alaşım 1950 ile 1970 yılları arasında geliştirilmiştir.
- 1980’lere gelindiğinde teknolojideki ilerleme süper alaşımlarla bazı elementlerin birleştirilmesine olanak sağlamıştır. Farklı elementler ile katkılanabilen bu alaşımlar yüksek sıcaklık direnci gibi günümüzde talep edilen birçok spesifik mekanik özellikler kazanmışlardır.
Süper Alaşımlar Nerelerde Kullanılır?
1900’lü yıllarda gaz türbinleri üzerinde kullanım amacıyla geliştirilen süper alaşımlar, günümüzde sanayinin birçok alanında kullanılmaktadır. Bu alaşımlar genellikle şu alanlarda kullanılır:
- Nükleer reaktörlerinde
- Uçak ve Gaz türbinlerinde
- Uzay araçlarında
- Termik santrallerde
- Roket motorlarında
- Petrokimya endüstrisinde
- Buhar güç üniteleri
- Denizcilik alanında (gemiler ve denizaltı)
Süper Alaşımların Sınıflandırılması
Süper alaşımlar genellikle demir, nikel ve kobalt esaslı olmak üzere 3 başlıkta sınıflandırılır.
Demir Esaslı Süper Alaşımlar
Demir bazlı süper alaşımlarda %15 ile %60 arası demir (Fe), %25 ile %45 arası nikel (Ni), yüksek sıcaklık altında oksidasyon dayanımını arttırmak amacıyla da %15 ile %28 arası krom (Cr) bulunur. Ayrıca katı çözelti mukavemeti için de %1 ile %6 arası mobidlen (Mo) alaşıma eklenebilir. Kobalt (Co), boron (B), zirkonyum (Zr) ve karbon (C) gibi farklı elementlerde demir esaslı süper alaşımların içerisine eklenebilir.
Demir esaslı süper alaşımlar 650 °C sıcaklığa kadar dayanıklıdır. Tabi bu alaşımların dayanıklılığı nikel ve kobalt esaslı süper alaşımlara göre daha düşük olduğundan yüksek mekanik ve termal işlemlerin olduğu uygulamalarda kullanılmazlar.
Demir esaslı süper alaşımların diğer alaşımlara göre daha ucuz olması sebebiyle diskler, şaftlar, gaz türbini motorları ve buhar türbinlerindeki bazı parçalarda bu alaşımlar kullanılır.
Nikel Esaslı Süper Alaşımlar
Nikelin erime sıcaklığı 1453 °C olduğundan bu element ile oluşturulan alaşımlar yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılır. Nikel esaslı süper alaşımlar %50-70 arası nikel (Ni) elementinden oluşmaktadır. Bu alaşımlara kullanım şartlarındaki verimliliklerinin arttırılması amacıyla kobalt (Co), zirkonyum (Zr), demir (Fe), molibden (Mo), niyobyum (Nb) ve bor (Bo) elementleri eklenmiştir.
Bu alaşımlar 815 °C ile 900 °C sıcaklık aralığında gerçekleşen uygulamalarda kullanılmaktadır. Uçak ve gaz türbinlerinde, roket motorlarında, uzay araçlarında, termik santrallerde, nükleer reaktörlerde ve bunlar gibi diğer farklı yüksek sıcaklık uygulamalarında bu alaşımlar kullanılır.
Nikel esaslı süper alaşımların üretimi ise toz metalurjisi ve tek kristal döküm yöntemi ile gerçekleşir.
Kobalt Esaslı Süper Alaşımlar
Kobalt elementi fiziksel özellikler açısından nikele oldukça benzer öyle ki kobaltın erime sıcaklı 1495 °C’dir. Kobalt esaslı süper alaşımlar %50 ile %60 arası kobalt (Co), %20 ile %30 arası krom (Cr), %5 ile %10 arası Tungsten (W) ve %0.1-%1 arası da karbon (C) elementlerinden oluşmaktadırlar.
Bu alaşımlar yüksek sıcaklıklarda ve düşük gerilmelerde uzun çalışma ömrünün olması gereken statik parçalarda kullanılır. Kobalt esaslı süper alaşımların erime sıcaklığının yüksek olması sebebiyle yüksek sıcaklık uygulamalarında demir ve nikel esaslı süper alaşımlara oranla daha yüksek bir dayanıma sahiptir.
Kaynak edilme özelliğine de sahip olan bu alaşımlar ayrıca bileşimindeki yüksek miktardaki krom sebebiyle yüksek sıcak korozyon direncine sahiptirler. Bu yüzden de özellikle gaz türbinlerinin atmosfere açık çalışan parçalar için uygun malzemelerdir. Nikel esaslı süper alaşımlara oranla daha yüksek bir termal yorulma direncine sahiptirler.
Günümüzde birçok sanayi için hayati bir öneme sahip olan süper alaşımların gelişimi hala devam etmekte, birçok ar-ge çalışmasıyla verimlilikleri ve kullanım alanları arttırılmaktadır.
Kaynak: Science Direct – Superalloys
