Derin Okuma — Süperalaşımlar

Erimiş metalin içinde yüzen bir kanat

Bir jet motorunun içine baktığını düşün. Türbin kanatları, kendi erime noktasının yüzlerce derece üstünde çalışıyor. Metal akkor halde, ama akmıyor. Kanadın üzerinde ince bir seramik ceket var, içinden soğuk hava sızıyor, altında ise nikelin içine gizlenmiş bir avuç başka element duruyor. Üçlü denge olmasa motor birkaç dakikada kendini yer.

Süperalaşım denen şey tam olarak bu dengeyi mümkün kılan malzeme ailesi. Adı kulağa abartılı geliyor, oysa tanımı sade. Nikel ya da kobalt temelli bir ana metalin içine, onu güçlendiren bir dizi elementin kontrollü oranlarda karıştırılmasıyla elde edilen, yüksek sıcaklıkta şeklini ve mukavemetini koruyan alaşım. Sıradan çelik 500 derecede yumuşamaya başlarken, bu malzeme 1.000 derecenin üstünde hala iş görüyor.

Peki bu fark nereden geliyor? Cevap, metalin içindeki görünmez mimaride.

Kafesin içine çakılan çiviler

Saf nikelin kristal yapısı, düzenli bir atom kafesi. Isı arttıkça atomlar yerlerinden oynamaya başlıyor, kafes kayıyor, metal sünüyor. Süperalaşımda ise bu kafesin içine, tıpkı bir ahşap iskelete çakılan çiviler gibi, alüminyum ve titanyum atomları yerleştiriliyor. İkisi nikel ile birleşip gamma-prime denen mikroskobik çökeltiler oluşturuyor.

Gamma-prime, alaşımın kalbi. Kafesin içinde küçük, düzenli adacıklar halinde duruyor ve dislokasyon denen atom kaymalarını bloke ediyor. Dislokasyon, metalin yük altında akmasını sağlayan kusur. Onu durduran her engel, malzemeyi güçlendiriyor. Gamma-prime adacıkları ne kadar düzenli ve ne kadar çoksa, alaşım o kadar dirençli.

İşin püf noktası şu. Adacıkların boyutu ve dağılımı, doğrudan ısıl işlem sıcaklığına bağlı. 1.100 derecede çözeltiye alınan alaşım, sonra 700-900 derece arasında yaşlandırılıyor. Yaşlandırma sırasında gamma-prime çökeltileri büyüyor. Çok küçük kalırsa etkisiz, çok büyürse kırılgan. Doğru pencere dar.

Pencereyi sayıya dökelim. Tipik bir tek kristal kanatta gamma-prime hacim oranı yüzde 60-70 bandında. Çökelti boyutu 0,3-0,5 mikrometre aralığında tutuluyor. Aralığın altına inersen dislokasyonlar adacıkların arasından sıyrılıp geçiyor, üstüne çıkarsan adacıklar arası boşluk genişliyor ve yine sızıntı başlıyor. Yaşlandırma süresi de kritik. 760 derecede 16 saat, ardından 870 derecede 4 saat gibi iki kademeli bir program, çökeltiyi hem ince hem kararlı tutuyor. Tek kademe bırakırsan çökelti kabalaşıyor, servis sırasında hızla büyüyüp malzemeyi kırılgan yapıyor.

Bir de kafes uyumsuzluğu var. Gamma-prime adacığının atom aralığı, nikel matrisininkinden yüzde 0,1-0,5 kadar farklı. Küçük uyumsuzluk, adacığın etrafında gerilme alanı yaratıyor ve dislokasyonu daha etkili durduruyor. Uyumsuzluk sıfıra inerse adacık kayganlaşıyor, çok büyürse çatlak çekirdeği oluşuyor. Tasarımcı, bu yüzdeyi kompozisyonla ayarlıyor.

On altı elementin aynı potada buluşması

Tipik bir nikel süperalaşımında ondan fazla element var. Krom yüzeyde oksit tabakası kurup korozyonu kesiyor. Kobalt matrisin sıcaklık dayanımını yükseltiyor. Molibden ve tungsten ağır atomlar olarak kafesi sıkıştırıp sünmeyi yavaşlatıyor. Renyum, tantal, niyobyum ince ayar için ekleniyor. Her biri belirli bir banda oturuyor.

Oranlar tesadüfi değil. Krom yüzde 8'in altına düşerse oksit tabakası zayıflıyor, yüzde 20'yi aşarsa kırılgan fazlar oluşuyor. Alüminyum yüzde 3 civarında gamma-prime için yeterli, yüzde 6'yı geçerse çökeltiler kabalaşıyor. Bantlar, onlarca yıllık deneme yanılma ve termodinamik hesabın ürünü.

Renyumun yeri ayrı. İkinci nesil tek kristal alaşımlarda yüzde 3, üçüncü nesilde yüzde 6'ya çıkıyor. Renyum, dislokasyon hareketini yavaşlatan kümeler oluşturuyor ve sünme ömrünü kabaca iki katına çıkarıyor.

Ama bedeli var. Yüzde 6'nın üstünde topolojik sıkışmış faz denen kırılgan bir yapı çöküyor ve kanat döküm sırasında çatlıyor. O yüzden dördüncü nesil alaşımlar renyumu azaltıp rutenyum ekliyor. Rutenyum, o kırılgan fazı bastırıyor ama tedarik darboğazı yaratıyor. Dünya rutenyum üretiminin büyük kısmı Güney Afrika ve Rusya'dan geliyor.

Eritme de başlı başına bir iş. Vakum indüksiyon ergitme denen yöntemde metal, havasız bir odada manyetik alanla karıştırılarak eritiliyor. Oksijen ve azot, alaşımın en büyük düşmanı. Havada eritilen nikel, içine sızan oksijenle gözenekli ve kırılgan çıkıyor. Vakum, bu kirliliği kesiyor. Bazı alaşımlar sonra vakum ark ergitmesinden geçiyor, bazıları elektro-cüruf ergitmesinden. Her geçiş, saflığı bir kademe artırıyor ama maliyeti de katlıyor.

Saflık eşiği şurada. Oksijen içeriği milyonda 10-20 parçanın altına inmezse, oksit kalıntıları yorulma çatlağı başlatıyor. Kükürt milyonda 5'in altında tutulmuyor. O yüzden hammadde, önce ergitme sonra yeniden ergitme olmak üzere iki-üç turdan geçiyor. Her tur, bir önceki kalıntıyı kesiyor ama enerji ve işçilik maliyetini üst üste bindiriyor. Bir ton alaşımın ergitme zinciri, ham nikelin maliyetini on katına çıkarabiliyor.

Tek kristal, sıfır sınır

Erken jet motorlarında türbin kanatları döküm süperalaşımdan yapılıyordu. Döküm metalin içinde tane sınırları var. Tane sınırı, iki kristalin buluştuğu yüzey. Yüksek sıcaklıkta bu sınırlar zayıf halka. Çatlak tam oradan başlıyor.

Çözüm, tane sınırını tamamen ortadan kaldırmak oldu. Yönlü katılaştırma ile kristaller tek bir eksende hizalanıyor. Daha ileri adımda, tek kristal döküm ile kanadın tamamı tek bir kristal haline getiriliyor. Artık hiç tane sınırı yok. Kanatlar, sıradan döküm muadillerinden 30-50 derece daha yüksek sıcaklıkta çalışabiliyor. Kulağa küçük geliyor, oysa motor veriminde her 30 derece, yakıt tüketiminde yüzde 1-2'lik bir kazanç demek.

Tek kristal döküm, bir kalıbın içinde spiral bir seçici kanaldan geçirilerek yapılıyor. Eriyik metal, soğuk kalıba dökülüyor ve spiral boyunca yalnızca tek bir kristal tohumu hayatta kalıyor. Diğerleri eleniyor. İşlem, saniyede birkaç santimetrelik katılaşma hızıyla, saatler sürüyor. Bir kanadın dökümü, sıradan bir parçanın onlarca katı zaman alıyor.

Seçici kanalın geometrisi işin sırrı. Spiralin çapı ve dönüş sayısı, hangi kristal yönünün hayatta kalacağını belirliyor. Türbin kanadı için istenen yön, kristalin en sert olduğu eksen. Katılaşma hızı saniyede 1-5 santimetre arasında tutuluyor. Hızlı gidersen kristal yönü bozuluyor, yavaş gidersen kalıp aşırı ısınıyor ve döküm hatası çıkıyor. Kalıp malzemesi seramik, çünkü eriyik nikel 1.500 derecede her metal kalıbı yer.

Bir de kanadın içi var. Tek kristal döküm, içi boş kanat üretmek için seramik bir çekirdek etrafında yapılıyor. Çekirdek, dökümden sonra kimyasal olarak çözülüp atılıyor. Çekirdeğin duvar kalınlığı 0,5-1 milimetre. Çekirdek kırılırsa kanadın iç kanalı tıkanıyor ve soğutma ölüyor. Döküm verimi bu yüzden yüzde 60-70 bandında kalıyor. Her üç-dört kanattan biri hurdaya gidiyor.

Kaplama, soğutma, sınır

Metalin kendisi 1.100 dereceye kadar dayanıyor. Motor ise 1.500 derecede yanıyor. Aradaki 400 derecelik farkı iki şey kapatıyor. Birincisi, kanadın içinden geçen soğutma havası. İkincisi, yüzeydeki seramik kaplama.

Termal bariyer kaplama, genelde itriya stabilize zirkonya denen bir seramik. Kanadın üzerine plazma sprey ya da elektron demeti fiziksel buhar biriktirme ile 100-300 mikrometre kalınlığında uygulanıyor. Tabaka, metali doğrudan alevden koruyor. Altında ise MCrAlY denen bir bağ katmanı var. Bağ katmanı, seramiğin metale yapışmasını sağlıyor ve oksitlenmeyi yavaşlatıyor.

Kaplamanın iç yapısı da hesap işi. Plazma sprey, seramiği eriyik damlacıklar halinde püskürtüp üst üste yığıyor. Yöntem gözenekli bir tabaka bırakıyor, gözeneklilik yüzde 10-15. Gözenekler ısı yalıtımını artırıyor ama oksijen sızmasına da yol açıyor. Elektron demeti yöntemi ise buhar halinde biriktirip sütunlu bir yapı kuruyor. Sütunlar arası boşluk, ısıl genleşme farkını emiyor ve tabaka çatlamıyor.

Ama yöntem daha yavaş ve pahalı. Bir kanadın kaplaması, kaplama odasında saatler sürebiliyor.

Bağ katmanı MCrAlY, kısaltmanın açılımıyla nikel ya da kobalt üzerine krom, alüminyum ve itriyum. Kalınlığı 50-150 mikrometre. Görevi iki katmanlı. Seramiği metale yapıştırıyor ve yüzeyde ince, yavaş büyüyen bir alüminyum oksit tabakası kuruyor. Oksit tabakası, oksijenin metale inmesini kesiyor. Tabaka çok kalın büyürse seramik ondan kopuyor. Kaplama ömrü, bu oksit büyüme hızıyla ölçülüyor.

Soğutma tarafı daha da ince bir mühendislik. Kanadın içi, karmaşık kanallarla dolu. Kanallar, dış yüzeydeki yüzlerce mikroskobik delikten dışarı hava üflüyor. Deliklerin çapı 0,25-0,5 milimetre. Hava, kanadın yüzeyinde ince bir film oluşturup alevi uzak tutuyor. Film soğutma denen bu yöntem, kanadın metal sıcaklığını gaz sıcaklığının 300-400 derece altında tutuyor.

Deliklerin açılması ayrı bir teknoloji. Delikler, döküm sırasında değil, sonradan lazerle açılıyor. Her delik, yüzeye 30-60 derece açıyla giriyor, çünkü dik delik filmi dağıtıyor. Bir kanatta 200-400 delik olabiliyor. Delik geometrisi, soğutma havasının yüzde kaçının film oluşturduğunu belirliyor. Hava fazla gelirse kompresör yükü artıyor ve motor verimi düşüyor.

Az gelirse kanat yanıyor. Soğutma havası, motorun toplam hava akışının yüzde 15-25'ini yiyebiliyor. Bu, doğrudan yakıt tüketimine yansıyan bir kayıp.

Üç katmanlı savunma, süperalaşımı süperalaşım yapan şey. Metal tek başına yeterli değil. Kaplama olmadan oksitleniyor, soğutma olmadan eriyor. Üçü birlikte çalıştığında motor ayakta kalıyor.

Piyasa Hafızası

İkinci Dünya Savaşı sırasında, 1940'ların başında, İngiltere'de Frank Whittle'ın jet motoru geliştirme çalışmaları ve Almanya'da Hans von Ohain'in paralel tasarımı, türbin kanatları için yeni bir malzeme arayışını tetikledi. O dönemde kullanılan çelikler, egzoz gazının sıcaklığında hızla sünüyor ve çatlıyordu. 1940'ların ortasında, nikel-krom alaşımlarına titanyum ve alüminyum eklenmesiyle ilk nikel bazlı süperalaşımlar ortaya çıktı. Gelişme, jet motorunun ömrünü aylardan binlerce saate taşıdı.

Ders şu. Bir malzeme ailesi, tek bir uygulamanın baskısıyla doğdu ve o baskı olmadan bugünkü haline gelmezdi. Jet motoru olmasaydı, süperalaşım da olmazdı.

Küçük Bir Hesap

Aşağıdaki tablo, temsili bir tek kristal türbin kanadının üretim zincirini ve maliyet dağılımını gösteriyor. Sayılar temsili, mantık gerçek.

Tablonun en çarpıcı satırı, ham nikelin toplam maliyetin yüzde 1'inden azını oluşturması. Değer metalde değil, metalin nasıl işlendiğinde. Renyum gibi elementler maliyeti sıçratıyor ama asıl yük, döküm ve kaplama adımlarında birikiyor.

Duyarlılık tarafı şu. Renyum fiyatı iki katına çıkarsa, ham madde kalemi belki yüzde 30 artıyor ama toplam parça maliyeti yalnızca yüzde 5-8 yükseliyor. Buna karşılık döküm verimi yüzde 10 düşerse, toplam maliyet yüzde 15-20 zıplıyor. Yani süperalaşım ekonomisinde risk, madencilikte değil, üretim sürecinin kendisinde.

Üç katmanlı okuma

Birincisi, süperalaşımı anlamak için yalnızca kimyaya bakmak yetmiyor. Alaşım kompozisyonu, ısıl işlem, döküm yöntemi ve kaplama birbirine kenetli bir sistem. Birini değiştirdiğinde diğerleri kayıyor.

İkincisi, bu malzemenin ekonomisi, hammadde fiyatına değil süreç verimine bağlı. Renyum pahalı ama döküm hatası daha pahalı. Tedarik zincirinde darboğaz, madenlerde değil, tek kristal döküm kapasitesinde ve kaplama fırınlarında.

Üçüncüsü, süperalaşımın tarihi, bir uygulamanın malzemeyi nasıl şekillendirdiğinin kanıtı. Jet motoru olmasaydı bu aile doğmazdı, doğsa da bugünkü sıcaklık sınırına ulaşmazdı. Malzeme ve uygulama birbirini çekiyor.

Motorun içinde akkor halde duran o kanat, aslında bir avuç elementin ve onlarca yıllık süreç bilgisinin sessiz bir özeti.