Nikel bazlı süper alaşım Inconel 718'in özellikleri
Inconel 718 - Nikel bazlı süper alaşımların özellikleri nelerdir - Tanım
Inconel 718, yüksek mukavemet özelliklerine ve yüksek sıcaklık direncine sahip nikel bazlı bir süper alaşımdır. Ayrıca korozyona ve oksidasyona karşı önemli koruma gösterir.
Süper Alaşımlar - Inconel - Türbin Kanatları Süper alaşımlar veya yüksek performanslı alaşımlar, yüksek sıcaklıklarda mükemmel mukavemet ve yüzey stabilitesi sergileyen demir dışı alaşımlardır. Daha yüksek erime noktalarında (Kelvin derece cinsinden erime noktasının (Tm) %85'ine kadar, 0.85)) güvenli bir şekilde çalışabilme yetenekleri onların temel özelliğidir. Süper alaşımlar tipik olarak 540 derecenin (1000 derece F) üzerindeki sıcaklıklarda kullanılır çünkü sıradan çelik ve titanyum alaşımları bu sıcaklıklarda mukavemetlerini kaybederler ve bu sıcaklıklarda çelikte korozyon da yaygındır. Yüksek sıcaklıklarda süper alaşımlar mekanik mukavemeti, termal sürünme deformasyonuna karşı direnci, yüzey stabilitesini ve korozyon veya oksidasyona karşı direnci korur. Bazı nikel bazlı süper alaşımlar, alaşımın bileşimine bağlı olarak 1200 dereceyi aşan sıcaklıklara dayanabilir. Süper alaşımlar tipik olarak tek kristaller halinde dökülür ve tane sınırları mukavemet sağlarken sürünme direncini azaltır.
Nikel bazlı süper alaşım
Nikel bazlı süper alaşımlar şu anda gelişmiş uçak motorlarının ağırlığının %50'sinden fazlasını oluşturuyor. Nikel bazlı süper alaşımlar katı çözeltiyle güçlendirilmiş alaşımları ve yaşlandırmayla sertleşen alaşımları içerir. Yaşla sertleşen alaşımlar, Ni'nin tutarlı bir şekilde çökeltilmiş (Al,Ti) metallerarası bileşiklerinin dağıldığı ve bir fcc yapısına sahip olduğu bir östenitik (fcc) matristen oluşur. Nikel bazlı süper alaşımlar, ana alaşım elementi nikel olan alaşımlardır. Daha önce tartışılan uygulamalarda bıçak malzemesi olarak kobalt veya demir bazlı süper alaşımlar yerine nikel bazlı süper alaşımlar tercih edilmektedir. Nikel bazlı süper alaşımlar için önemli olan, yüksek mukavemet, sürünme direnci ve yüksek sıcaklıklarda korozyon direncidir. Türbin kanatları genellikle yönlendirilmiş katı formda veya tek kristal formda dökülür. Tek kristal kanatlar çoğunlukla türbin kademelerinin ilk sırasında kullanılır.
Başlangıçta uçak pistonlu motor turboşarjlarında kullanılmak üzere geliştirildiler. Günümüzde en yaygın uygulama, ciddi oksitleyici ortamlara ve yüksek sıcaklıklara makul bir süre dayanması gereken uçak türbin bileşenleridir. Mevcut uygulamalar şunları içerir:
uçak gaz türbini
buhar türbini enerji santrali
tıbbi uygulamalar
Uzay aracı ve roket motorları
Isıl işlem ekipmanları
Nükleer enerji santrali
Nikel, jet motorlarında kullanılan bir grup nikel, demir-nikel ve kobalt alaşımı olan süper alaşımların temel elementidir. Bu metaller termal sürünme deformasyonuna karşı mükemmel dirence sahiptir ve diğer havacılık yapısal malzemelerinden çok daha yüksek sıcaklıklarda sertliklerini, mukavemetlerini, tokluklarını ve boyutsal stabilitelerini korurlar.
İnkonel 718
Genel olarak Inconel, ostenitik nikel-krom bazlı süper alaşımlar ailesi için Special Metals'in tescilli ticari markasıdır. Inconel 718, yüksek mukavemet özelliklerine ve yüksek sıcaklık direncine sahip nikel bazlı bir süper alaşımdır. Ayrıca korozyona ve oksidasyona karşı önemli koruma gösterir. Inconel'in yüksek sıcaklık mukavemeti, alaşıma bağlı olarak katı çözelti güçlendirmesi veya çökeltme sertleştirmesi ile arttırılır. Inconel 718 %55 nikel, %21 krom, %6 demir ve az miktarda manganez, karbon ve bakırdan oluşur.
Süper alaşımların yaygın kullanım alanları havacılık ve diğer bazı yüksek teknoloji endüstrileridir. Bu yüksek sıcaklık alaşımı, aşırı ısı karşısında korozyon direncini malzeme gücüyle birleştirir ve nükleer endüstride iyi performans gösterir. Bazı nükleer enerji santralleri, reaktör çekirdekleri, kontrol çubukları ve benzeri bileşenler için nikel bazlı süper alaşımlar kullanır. Nükleer endüstride özellikle düşük kobaltlı süper alaşımlar kullanılmaktadır (kobalt 59'un olası aktivasyonundan dolayı). Nükleer yakıt düzeneklerinin üst ve alt nozullar gibi bazı yapısal bileşenleri Inconel gibi süper alaşımlardan yapılabilir. Ara parça ızgarası genellikle düşük termal nötron emme kesitine sahip korozyona dayanıklı bir malzemeden, genellikle zirkonyum alaşımından (~0.18 × 10 –24 cm2) yapılır. İlk ve son ara parça ızgaraları aynı zamanda basınca ve ısıya dayanıklı aşırı ortamlarda kullanım için ideal bir süper alaşım olan düşük kobaltlı Inconel'den de yapılabilir.
termal sürünme
Soğuk akış olarak da bilinen sürünme, sabit yük veya stres altında zamanla artan kalıcı deformasyondur. Akma sınırına yol açan büyük dış mekanik gerilimlere uzun süre maruz kalmaktan kaynaklanır ve uzun süre ısıtılan malzemelerde daha şiddetli olur. Deformasyon oranı malzeme özelliklerinin, maruz kalma süresinin, maruz kalma sıcaklığının ve uygulanan yapısal yüklerin bir fonksiyonudur. Malzemelerin yüksek sıcaklıklarda kullanılması durumunda sürünme çok önemli bir olgudur. Sürünme enerji endüstrisinde çok önemlidir ve jet motorlarının tasarımında en büyük öneme sahiptir. Nispeten kısa ömürlü birçok sürünme durumu için (askeri uçaklardaki türbin kanatları gibi), kopma süresi önemli bir tasarım hususudur. Elbette bunu belirlemek için başarısızlık noktasına kadar sürünme testlerinin yapılması gerekir; bunlara sürünme kopma testleri denir.
Bir malzemenin sürünme direnci, yayılma, çökeltiler ve tane boyutu gibi birçok faktörden etkilenir. Genel olarak konuşursak, metalin akmasını önlemek için üç genel yöntem vardır. Yöntemlerden biri daha yüksek erime noktasına sahip bir metal kullanmak, ikinci yöntem daha büyük tane boyutuna sahip bir malzeme kullanmak ve üçüncü yöntem ise alaşım kullanmaktır. Gövde merkezli kübik (BCC) metallerin yüksek sıcaklıklarda sürünme direnci zayıftır. Sonuç olarak, tipik olarak yüzey merkezli kübik östenitik alaşımlar olan Co, Ni ve Fe bazlı süper alaşımlar, yüksek sürünme direnciyle üretilebilir ve bu nedenle yüksek sıcaklıktaki ortamlarda ideal malzemeler haline gelmiştir.
stres korozyon çatlaması
Nükleer endüstrideki en ciddi metalurjik sorunlardan biri ve ana endişelerden biri gerilim korozyon çatlamasıdır (SCC). Gerilmeli korozyon çatlaması, her ikisi de gerekli olan, uygulanan çekme gerilimi ile korozif ortamın birleşiminin sonucudur. SCC, çekme geriliminin etkisi altında tanecik sınırlarında meydana gelen bir tür tanecikler arası korozyon korozyonudur. Düşük alaşımlı çelikler, yüksek alaşımlı çeliklere göre daha az hassastır ancak klorür iyonları içeren sularda SCC'ye karşı hassastırlar. Ancak nikel bazlı alaşımlar klorür veya hidroksit iyonlarından etkilenmez. Gerilim korozyonu çatlamasına karşı dayanıklı nikel bazlı alaşımın bir örneği Inconel'dir.
Yüksek Sıcaklık Alaşımlarının Özellikleri – Inconel 718
Malzeme özellikleri yoğun özelliklerdir, yani kütleden bağımsızdırlar ve herhangi bir zamanda sistem içerisinde yerden yere değişiklik gösterebilirler. Malzeme biliminin temelleri, malzemelerin yapısını incelemeyi ve bunları özellikleriyle (mekanik, elektrik vb.) ilişkilendirmeyi içerir. Malzeme bilimcileri bu yapı-özellik ilişkisini anladıktan sonra, belirli bir uygulamadaki malzemelerin göreceli performansını incelemeye geçebilirler. Bir malzemenin yapısının ve özelliklerinin ana belirleyicileri, onu oluşturan kimyasal elementler ve son biçimine getirilme şeklidir.
Yüksek Sıcaklık Alaşımlarının Mekanik Özellikleri – Inconel 718
Malzemeler genellikle çeşitli uygulamalar için seçilir çünkü mekanik özelliklerin ideal bir kombinasyonuna sahiptirler. Yapısal uygulamalar için malzeme özellikleri kritik öneme sahiptir ve mühendislerin bunları dikkate alması gerekir.
Süper alaşımların gücü – Inconel 718
Malzeme mekaniğinde, bir malzemenin mukavemeti, uygulanan yüke arıza veya plastik deformasyon olmaksızın dayanma yeteneğidir. Bir malzemenin mukavemeti temel olarak malzemeye uygulanan dış yük ile malzemenin boyutlarındaki deformasyon veya değişiklik arasındaki ilişkiyi dikkate alır. Bir malzemenin mukavemeti, uygulanan bu yüke hasar veya plastik deformasyon olmaksızın dayanabilme yeteneğidir.
nihai çekme mukavemeti
Süper alaşım Inconel 718'in nihai çekme mukavemeti ısıl işlem prosesine bağlıdır ancak yaklaşık 1200 MPa'dır.
Nihai çekme mukavemeti, mühendislik gerilim-gerinim eğrisindeki maksimum değerdir. Bu, gerilim altındaki yapı tarafından desteklenebilecek maksimum gerilime karşılık gelir. Nihai gerilme mukavemeti genellikle basitçe "gerilme mukavemeti" veya hatta basitçe "nihai" olarak anılır. Bu stres uygulanır ve sürdürülürse kırılmaya neden olabilir. Tipik olarak bu değer akma geriliminden önemli ölçüde yüksektir (bazı metal türlerinin akma dayanımından yüzde 50 ila 60 daha yüksektir). Sünek bir malzeme nihai mukavemetine ulaştığında, kesit alanının yerel olarak azaldığı yerde boyun çöker. Gerilim-gerinim eğrisi, nihai mukavemetin üzerindeki gerilimleri içermez. Deformasyonlar artmaya devam etse de, nihai dayanıma ulaşıldıktan sonra gerilimler genellikle azalır. Bu yoğun bir özelliktir; bu nedenle değeri numunenin boyutuna bağlı değildir. Ancak numunenin hazırlanması, test ortamı ve malzemenin sıcaklığı gibi diğer faktörlere de bağlıdır. Nihai çekme mukavemeti alüminyum için 50 MPa'dan ultra yüksek mukavemetli çelik için 3000 MPa'ya kadar değişir.
Akma dayanımı
Süper alaşım Inconel 718'in akma dayanımı ısıl işlem prosesine bağlıdır ancak yaklaşık 1030 MPa'dır.
Akma noktası, gerilme-gerinim eğrisi üzerinde elastik davranışın sınırını ve plastik davranışın başlangıcını gösteren noktadır. Akma mukavemeti veya akma gerilimi, malzemenin plastik olarak deforme olmaya başladığı gerilim olarak tanımlanan bir malzeme özelliğidir; akma noktası ise doğrusal olmayan (elastik + plastik) deformasyonun başladığı noktadır. Akma noktasından önce malzeme elastik olarak deforme olacak ve uygulanan gerilim kaldırıldığında orijinal şekline geri dönecektir. Akma noktası aşıldığında deformasyonun bir kısmı kalıcı ve geri döndürülemez olacaktır. Bazı çelikler ve diğer malzemeler akma noktası fenomeni adı verilen bir davranış sergiler. Akma mukavemetleri, düşük mukavemetli alüminyum için 35 MPa'dan, ultra yüksek mukavemetli çelik için 1400 MPa'nın üzerine kadar değişir.
Young'ın esneklik modülü
Süper alaşım Inconel 718'in Young elastikiyet modülü 200 GPa'dır.
Young elastisite modülü, tek eksenli deformasyonun doğrusal elastik durumunda çekme ve basma gerilmeleri altındaki elastisite modülüdür ve genellikle çekme testleri ile değerlendirilir. Nihai gerilime ulaşıldığında, yük kaldırıldığında cisim yeniden boyutlarına ulaşabilecektir. Uygulanan stres kristaldeki atomların denge konumlarından hareket etmesine neden olur. Tüm atomlar aynı miktarda yer değiştirir ancak yine de göreceli geometrilerini korurlar. Stres ortadan kaldırıldığında tüm atomlar orijinal konumlarına döner ve kalıcı bir deformasyon meydana gelmez. Hooke kanununa göre gerilim gerinim (elastik bölgede) ile orantılıdır ve eğim Young modülüdür. Young modülü, boyuna gerilimin gerinime bölünmesine eşittir.
Süper alaşımın sertliği – Inconel 718
Süper alaşım Inconel 718'in Brinell sertliği ısıl işlem sürecine bağlıdır ancak yaklaşık 330 MPa'dır.
Malzeme biliminde sertlik, yüzey girintisine (lokal plastik deformasyon) ve çizilmeye dayanma yeteneğidir. Sertlik belki de en az iyi tanımlanmış malzeme özelliğidir; çünkü çizilmeye, aşınmaya, girintiye karşı direnci ve hatta oluşmaya veya lokalize plastik deformasyona karşı direnci temsil edebilir. Mühendislik açısından bakıldığında sertlik önemlidir çünkü sürtünmeye veya buhar, yağ ve su saldırısına karşı aşınma direnci genellikle sertliğin artmasıyla birlikte artar.
Brinell sertlik testi sertlik testi için geliştirilmiş girintili sertlik testlerinden biridir. Brinell testinde, sert küresel bir uç, belirli bir yük altında test edilecek metal yüzeye bastırılır. Tipik testlerde girinti olarak 3,000 kgf (29,42 kN; 6,614 lb) kuvvete sahip 10 mm (0,39 inç) çapında sertleştirilmiş çelik bilya kullanılır. Yük belirli bir süre boyunca (10 ile 30 saniye arasında) sabit kalır. Daha yumuşak malzemeler için daha az güç kullanın; daha sert malzemeler için çelik bilyalar yerine tungsten karbür bilyalar kullanın.
Bu test, bir malzemenin sertliğini ölçmek için Brinell Sertlik Sayısı - HB olarak ifade edilen sayısal sonuçlar sağlar. Brinell sertlik değerleri, en yaygın kullanılan test standartlarına (ASTM E10-14[2] ve ISO 6506–1:2005) göre HBW olarak belirlenmiştir (H sertlikten, B Brinell sertliğinden ve W, girintili malzeme tungsteninden ( tungsten) karbür şeyler). Daha önceki standartlarda çelik uç ile yapılan ölçümleri ifade etmek için HB veya HBS kullanılıyordu.
Brinell sertlik numarası (HB), yükün girintinin yüzey alanına bölünmesiyle elde edilen değerdir. İzlenimin çapı, üst üste bindirilmiş bir ölçeğe sahip bir mikroskop kullanılarak ölçülür. Brinell sertlik değeri aşağıdaki formülle hesaplanır:
Yaygın olarak kullanılan birkaç test yöntemi vardır (Brinell, Knoop, Vickers ve Rockwell gibi). Korelasyonun geçerli olduğu farklı test yöntemlerinden sertlik değerlerini ilişkilendiren tablolar mevcuttur. Tüm ölçeklerde yüksek sertlik değerleri sert metalleri temsil etmektedir.
Yüksek Sıcaklık Alaşımlarının Termal Özellikleri – Inconel 718
Bir malzemenin termal özellikleri, sıcaklıktaki değişikliklere ve ısı uygulamasına verdiği tepkiyi ifade eder. Bir katı enerjiyi ısı biçiminde emdiğinde sıcaklığı artar ve boyutu artar. Ancak farklı malzemeler ısınmaya farklı tepki verir.
Isı kapasitesi, termal genleşme ve termal iletkenlik, katıların pratik kullanımında sıklıkla kritik olan özelliklerdir.
Yüksek Sıcaklık Alaşımının Erime Noktası – Inconel 718
Süper alaşımların erime noktası – Inconel 718 çeliğinin erime noktası yaklaşık 1400 derecedir.
Genel olarak erime, bir maddenin katı fazdan sıvı faza faz değişimidir. Bir maddenin erime noktası, bu faz değişiminin meydana geldiği sıcaklıktır. Erime noktası aynı zamanda katı ve sıvıların dengede bulunabileceği koşulları da tanımlar.
Yüksek Sıcaklık Alaşımlarının Isıl İletkenliği - Inconel 718
Yüksek sıcaklık alaşımı - Inconel 718'in termal iletkenliği 6,5 W/(mK)'dir.
Katı malzemelerin ısı transfer özellikleri, W/mK biriminde, termal iletkenlik k (veya λ) adı verilen bir özellikle ölçülür. Bir maddenin ısıyı bir malzemeden iletim yoluyla aktarma yeteneğinin bir ölçüsüdür. Fourier yasasının, durumuna (katı, sıvı veya gaz) bakılmaksızın tüm maddeler için geçerli olduğunu, dolayısıyla sıvılar ve gazlar için de geçerli olduğunu unutmayın.
