Nikel bazlı alaşımlar, 650-1000°C'lik yüksek sıcaklıklarda yüksek mukavemete ve oksidasyona ve korozyona karşı belirli bir dirence sahip olan bir alaşım sınıfıdır. Ana özelliklerine göre, nikel bazlı alaşımlar ayrıca ısıya dayanıklı nikel bazlı alaşımlar, korozyona dayanıklı nikel bazlı alaşımlar, aşınmaya dayanıklı nikel bazlı alaşımlar, hassas nikel bazlı alaşımlar ve şekil hafızalı nikel bazlı alaşımlar olarak alt bölümlere ayrılabilir. Yüksek sıcaklık alaşımları, matris malzemelerine göre demir bazlı yüksek sıcaklık alaşımları, nikel bazlı yüksek sıcaklık alaşımları ve kobalt bazlı yüksek sıcaklık alaşımları olarak sınıflandırılır. Nikel bazlı yüksek sıcaklık alaşımlarına genellikle basitçe nikel bazlı alaşımlar denir.
Kökeni ve Gelişimi
Nikel bazlı alaşımların araştırılması ve geliştirilmesi 1930'ların sonlarında başladı. Birleşik Krallık, Nimonic 75'i (Ni-20Cr-0.4Ti) ilk olarak 1941'de üretti. Sürünme mukavemetini arttırmak için alüminyum eklendi ve sonuçta nikel bazlı alaşım Nimonic 80 (Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al) elde edildi. 1940'ların ortalarında Amerika Birleşik Devletleri, 1940'ların sonlarında Sovyetler Birliği ve 1950'lerin ortalarında Çin de art arda nikel bazlı alaşımlar geliştirdi. Nikel bazlı alaşımların gelişimi iki hususu kapsar: alaşım bileşimindeki gelişmeler ve üretim teknolojisindeki yenilikler. Örneğin, 1950'lerin başında vakumlu eritme teknolojisinin geliştirilmesi, yüksek alüminyum ve titanyum içeriğine sahip nikel bazlı alaşımların saflaştırılması için koşullar yaratarak bunların mukavemetini ve çalışma sıcaklığını önemli ölçüde artırdı. 1950'lerin sonlarında, türbin kanatlarının artan çalışma sıcaklığı, alaşımların yüksek sıcaklık dayanımına yönelik talepleri artırdı. Bununla birlikte, yüksek mukavemet deformasyonu zorlaştırdı, hatta imkansız hale getirdi ve bu da hassas döküm teknolojisi kullanılarak iyi yüksek sıcaklık mukavemetine sahip bir dizi döküm alaşımının geliştirilmesine yol açtı. 1960'ların ortalarında, yönlendirilmiş katılaştırılmış ve tek kristalli yüksek sıcaklık alaşımlarının yanı sıra toz metalurjisi yüksek sıcaklık alaşımlarının performansı iyileştirildi. Denizcilik ve endüstriyel gaz türbinlerinin ihtiyaçlarını karşılamak için 1960'lı yıllardan bu yana, yüksek sıcaklıkta korozyon direnci iyi ve stabil mikro yapılara sahip bir dizi yüksek kromlu nikel bazlı alaşımlar geliştirilmiştir. 1940'ların başından 1970'lerin sonlarına kadar, yaklaşık 40 yıl boyunca nikel bazlı alaşımların çalışma sıcaklığı, yılda yaklaşık 10°C'lik bir ortalama artışla 700°C'den 1100°C'ye yükseldi. Günümüzde nikel bazlı alaşımların çalışma sıcaklığı 1100°C'yi aşmaktadır. Başlangıçta basit olan Nimonic 75 alaşımından, 1100°C'de 2220 MPa çekme mukavemetine ve 192 MPa akma mukavemetine sahip olan yakın zamanda geliştirilen MA6000 alaşımına kadar, 1100°C/137 MPa'daki sürünme mukavemeti yaklaşık 1000 saattir, bu da onu uçak motoru kanatları için uygun hale getirir.
Nikel Esaslı Alaşımlarda Çeşitli Metallerin Rolü
Belirli bir nikel bazlı alaşım için, belirli bir ortamda, konsantrasyon, sıcaklık, havalandırma, sıvı (gaz) akış hızı, yabancı maddeler, aşınma ve dolaşımdaki işlem koşulları dahil olmak üzere çok sayıda değişken mevcuttur. Bu değişkenler çeşitli korozyon sorunlarına yol açabilir. Nikel ve diğer alaşım elementleri bu sorunları çözebilir. Metalik nikel, erime noktasına ulaşmadan önce östenitik yüz merkezli kübik yapıyı korur. Bu, sünek-kırılgan geçiş için özgürlük sağlar ve diğer metallerin bir arada bulunmasından kaynaklanan üretim sorunlarını önemli ölçüde azaltır. Elektrokimyasal dizide nikel demirden daha inert fakat bakırdan daha reaktiftir. Bu nedenle, indirgeyici ortamlarda nikel, demirden daha korozyona dayanıklıdır, ancak bakırdan daha az korozyona dayanıklıdır. Nikele kromun eklenmesi, alaşıma oksidasyon direnci kazandırarak, hem indirgeyici hem de oksitleyici ortamlara karşı mükemmel korozyon direncine sahip çeşitli alaşımlar elde edilmesini sağlar. Paslanmaz çelik ve diğer demir bazlı alaşımlarla karşılaştırıldığında nikel bazlı alaşımlar, iyi metalurjik stabiliteyi korurken katı çözelti halinde daha geniş çeşitlilikte alaşım elementlerini barındırabilir. Bu özellikler, nikel bazlı alaşımlara çeşitli alaşım elementlerinin eklenmesine olanak tanıyarak bunların çeşitli korozif ortamlarda yaygın olarak uygulanmasına olanak tanır.
Nikel bazlı alaşımlardaki ortak elementler şunları içerir:
Nikel (Ni): Metalurjik stabilite sağlar, termal stabiliteyi ve kaynaklanabilirliği geliştirir, indirgeyici asitlere ve kostik sodalara karşı direnci arttırır ve özellikle klorür ve kostik soda ortamlarında stresli korozyon çatlamasına karşı direnci artırır.
Krom (Cr): Oksidasyon direncini, yüksek sıcaklıkta oksidasyon direncini, sülfidasyon direncini ve çukurlaşma ve çatlak korozyonuna karşı direnci artırır.
Molibden (Mo): Asit korozyonunu azaltmaya karşı direnci artırır, klorür içeren sulu çözeltilerde çukurlaşma ve çatlak korozyonuna karşı direnci artırır ve yüksek sıcaklık dayanımını artırır.
Demir (Fe): Yüksek sıcaklıkta karbürleme direncini artırır, alaşım maliyetlerini azaltır ve termal genleşmeyi kontrol eder. Bakır (Cu): Asit korozyonunu (özellikle sülfürik asit) azaltmaya karşı direnci artırır.
