Yüksek Sıcaklık Korozyonu-2 Arş. Gör. Soner TOP (sonficyus@gmail.com)

Yüksek Sıcaklıkta Kullanılan Malzemeler Mekanik Özellikler Yüksek sıcaklıkta oksitleyici dolaylarda metaller kullanılırken, metallerin hem mekanik dayançları hem de oksitlenme dirençleri göz önüne alınmalıdır. Ana metali demir, nikel ve kobalt olan alaşımlarda mekanik dayanç daha önemli bir ölçüttür. Çünkü bu metallerin mekanik dayançlarının uygun olmadığı sıcaklıklarda bu alaşımların oksitlenme dirençleri yeterlidir. Metal ve alaşımların yapılardaki uygulamalarında çekme dayancı, akma dayancı ve sünekliği de içeren mekanik özellikleri önemlidir.

İyi bir yüksek sıcaklık metal ya da alaşımı için istenen özellikler şunlardır: Soğuk haddeleme ve diğer fabrikasyon işlemlerine elverişli çekme dayanımı, süneklik, tokluk gibi oda sıcaklığı mekanik özelliklerinin iyi olması. Kırılmadan kaçınmak için düşük sünme hızı, gerilim ile kırılmaya karşı dayanç yüksekliği ve tokluğu da içine alan uygun yüksek sıcaklık mekanik özellikleri gerektirir. Bu özellik çoğu kez katı çözelti dayanıklaştırması, çökelme sertleştirmesi ya da dağınım sertleştirmesi ile sağlanır. Örneğin; Ni-Cu ve alaşımlarının içine mikron mertebesinden daha küçük yüzde birkaç kararlı ThO2 tanecikleri sokulması tekniği alaşımda istenen bu özellikleri sağlar.

Yüksek sıcaklıkta yapısal dayancı korumak için grafitleşme, tanecik büyümesi, faz değişmeleri, çökeleklerin çözünmesi, çökeleklerin aşırı eskimeleri, yeni çökelme ve diğer metalurjik katı hal değişmelerinden kaçınmak gerekir. Ana metali Ni olan alaşımlar genel olarak gamma prime faz denilen Ni3(Al,Ti)’un çöktürülmesiyle sertleştirilirler. Bu alaşım içinde oksit katmanında NiO dışarda bırakılarak metal yüzeyindeki koruyucu katman içinde Cr2O3 ve NiCr2O4 oluşturarak oksitlenme direnci sağlayabilmek için yaklaşık %15-20 Cr bulunur. Molibden ve Tungsten de en iyi katı çözelti dayanıklaştırıcısıdırlar.

Bazı Yüksek Sıcaklık Alaşımlarının Bileşimleri

Süper Alaşımlar Süper alaşım; ana yapısı demir, nikel yada kobalt olan nisbeten yüksek miktarlarda krom, az miktarda da yüksek sıcaklıkta ergiyen molibden, wolfram, alüminyum ve titanyum içeren alaşım olarak tanımlanabilir. Süper alaşımlar; çok yüksek sıcaklıklarda yüksek dayanımlarını koruyabilen ve yüksek sıcaklık direncine sahip alaşımlardır. Bu kompleks alaşımlar, yüksek sıcaklıklarda iyi korozyon ve oksidasyon direncine, üstün sürtünme ve kopma dayanımına sahiptirler. Süper alaşımlar; matris içinde ince dağılmış formda değişik karbürler ve intermetalik fazlar içerirler. Süper alaşımların yaklaşık %15-%20 ‘si korozyona mükemmel yüksek direnç gösteren yüksek oranda krom içeren malzemelerdir. Süper alaşımın en iyi kullanım sıcaklık aralığı , 0.8 T erg. olarak alınmalıdır.

1-Demir Esaslı Süper Alaşımlar Demir esaslı süper alaşımlar; %25-45 Ni, %15-60 Fe, yüksek sıcaklıklarda oksidayon direncini sağlamak için %15-28 Cr, katı çözelti mukavemetini sağlamak için %1-6 Mo ilave edilir. Titanyum, alüminyum ve niobyum mukavemet arttırıcı çökelti oluşturmak için nikelle kombine edilir. Ayrıca alüminyum ve titanyum içermeleri nedeni ile çökelme sertleşmesi işlemi ile sertleştirilebilirler. Kübik yüzey merkezli kafes yapısına sahip matriste alaşım elementlerine bağlı olarak çökelen fazlar, malzemenin mekanik özelliklerinin belirlenmesinde etkin rol oynarlar. Demir esaslı süper alaşımlar yaklaşık 650 0C ‘a kadar olan sıcaklıklarda kullanım bulmaktadırlar. Demir esaslı süper alaşımların dayanımları, nikel esaslı alaşımlara göre daha düşüktür. Bu nedenle de, daha uzun ömür ve aynı zamanda yüksek mekanik ve termik zorlamalarda nikel ve kobalt esaslı alaşımlar tercih edilir. Pek çok gaz türbin motorlarında, kanatlarında, diskler ve şaftlar ile buhar türbinlerindeki bazı parçalar demir esaslı süper alaşımlardan yapılabilir. Diğer süper esaslı alaşımlara kıyasla daha ucuzdurlar.

2-Nikel Esaslı Süper Alaşımlar Nikel; ergime sıcaklığı 1453 °C ve yoğunluğu 8,9 g/cm3 elementtir. Nikel esaslı süperalaşımların yapısında, %50-70 Ni bulunan alaşımlardır. Nikel esaslı süper alaşımlara çökelme sertleşmesi işlemi uygulanabilir. 1941 yılında İngiltere’de geliştirilen NIMONIC 80 alaşımı, ilk kez çökelme sertleşmesi ile sertleştirilen alaşımdır. Alaşım içinde Ni3 (AlTi) çökeltilerinin oluşması için %22.25 Ti ve %1.3 Al ve %19.5 Cr bulunmaktadır. Nikel esaslı süper alaşımların kullanım verimliliklerin arttırılması için Mo, Co, Nb, Zr, B, Fe ve diğer elementler ilave edilmiştir. Süper alaşımlar içinde yapı-özellik ilişkisi en iyi bilinen malzemelerdir. İleri teknoloji hava taşıt motorlarının %50’sini nikel esaslı süper alaşımlar oluşturur. 815 0C – 900 0C ‘da kullanım alanı bulan nikel esaslı süper alaşımlar; uçak ve gaz türbinlerinde, uzay araçlarında, roket motorlarında, nükleer reaktörlerde, termik santrallerde, petrokimyasal ekipmanlarda ve diğer yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılır. Nikel esaslı süper alaşımlar; tek kristal döküm yöntemi, ve toz metalurjisi yöntemi ile üretilebilirler.

2-Kobalt Esaslı Süper Alaşımlar Kobalt; ergime sıcaklığı (1495 0C ) ve yoğunluğu (8.90 g/cm3 ) gibi bir çok fiziksel özelliği açısında nikele benzer. • Oda sıcaklığında sıkı paket hegzagonal (sph) yapısına sahip olan kobalt, 417 0C ‘de allotropik dönüşüme uprayarak kübik yüzey merkezli (kym) kafes yapısına dönüşür. Döküm kobalt esaslı süper alaşımlar; %50-60 Co, %20-30 Cr, %5-10 W(T) ve %0.1-1.0 C içerirler. Bu alaşımların dengesi nikel, tantal, demir, niobyum vb. gibi elementlerle sağlanır. Kobaltın krom, nikel, tungsten, karbon ve diğer alaşım elementleri ile alaşımlanarak elde edilen karmaşık süper esaslı kobalt alaşımları, ilk olarak gaz türbini motorlarında kullanılmaya başlandığı 1943 yılından bu yana büyük gelişim göstermiştir. Normal olarak kobalt bazlı süper alaşımlar ısıl işleme tabi tutulmaz. Ancak kaynak yapmak ve ya işlemek gerektiğinde bu kural bozulabilir. Kobalt esaslı süper alaşımlar; nispeten düşük gerilmelerde ve yüksek sıcaklıklarda uzun ömürlü olması istenen statik parçalarda kullanım alanı bulmuşlardır.

Nomograf Demir-nikel-kobalt gibi metaller özellikle krom-silisyum, bakır alüminyum, magnezyum ve alüminyumla alaşımlandırılırlarsa dayanımlarının artmasının yanında yüzeylerinde koruyucu sıkı bir oksit tabakası da oluşabilmektedir.

Mo ve W çok uçucu oksitler olan MoO3 ve WO3 oluştururken Cb ve Ta’da koruyucu olmayan Cb2O3 ve Ta2O5 oluşturduklarından bu malzemelerin oksitleyici atmosferde kullanılmaları gerekirse önceden koruyucu bir katman ile kaplanmaları gerekmektedir. Benzer şekilde 1650 0C üzerinde uygun mekanik dayanım ve oksitlenme direncine sahip metalik malzemelerin sayısı oldukça sınırlıdır. Bu tür malzemelerin yüzeyleri metal, metal-seramik veya yalnızca seramik malzemelerle kaplanarak korozyona karşı korunmaları sağlanır.

Erime noktaları ve oksitlenme hızlarına bakıldığında bu metallerin kaplamasız kullanılmayacağı anlaşılmaktadır.

Asetilen-oksijen alevi ile püskürtme yoluyla erime noktası 2500 oC’e kadar özdekler püskürtülebilir. Daha yüksek sıcaklıkta eriyen özdekler doğru akım arkı ile plasma püskürtmesiyle püskürtülürler. Sünekliklerinin olmayışı, termik şoklara karşı dirençlerinin düşük oluşu, birleştirme erklerinin olmayışı ve diğer malzemelerle uyuşmaz olmaları nedeniyle metal olmayan malzemelerin kaplamalarda kullanılmaları sınırlıdır.

Çelikten Karbonun Uzaklaşması, Hidrojenden Etkilenme Diğer Gaz-Metal Tepkimeleri Çelikten Karbonun Uzaklaşması, Hidrojenden Etkilenme Yüksek sıcaklıklarda hidrojenin birinci etkisi dekarbürizasyon ya da alaşımlardan karbonun uzaklaştırılmasıdır. Eğer bir alaşım ara yerlerde bulunan karbon ya da karbür çökelmeler ile dayançlandırılmış ise, karbonun uzaklaşması ile çekme dayancı azalır, süneklik ve sünme hızı artar. Hidrojen-Hidrokarbon gazı karışımlarında ters işlem yani karbonlanma (karbürizasyon) da olabilir. Karbonlanma ile petrol rafineri operasyonlarından sık sık karşılaşılır ve karbonlanma, dekarbürizasyondan daha az bozucudur.

Hidrojen ve Hidrokarbon Gazları Eğer çelik yüksek sıcaklıklarda hidrojen etkisinde kalırsa; C(Fe) + 2H2 CH4 tepkimesi gerçekleşebilir karbür ve çözünmüş karbon (C(Fe)) metan oluşturmak üzere tepkimeye girer.

Atomik hidrojen çelik içine kolayca difüzlenebildiğinden metal içindeki boşluklarda CH4 oluşması sonucu çatlama olabilir. Çeliğe krom ve molibden eklenmesi, onun çatlamaya ve hidrojen atmosferinde dekarbürizasyona karşı direncini artırır.

Hidrojen ve Su Buharı Hidrojen-su buharı ortamlarında hem dekarbürizasyon hem de oksitlenme olanaklıdır. C(Fe) + H2O H2 + CO Fe + H2O  FeO + H2

Karbon Monoksit-Karbon Dioksit Karışımı Bir CO-CO2 atmosferinde çelik veya alaşımlarda aşağıdaki tepkimeler gerçekleşebilir. Tepkime yönüne göre karbonlanma veya karbonun uzaklaşması tepkimesi yürüyebilir. C(Fe) + CO2 2CO Fe + CO2 FeO + CO

Kükürtlü Hidrojen ve Diğer Kükürt İçeren gazlar Yüksek sıcaklık gazları arasında en çok kükürtlü hidrojene rastlanır. Genellikle nikel ve nikelce zengin alaşımlar kükürtlü gazlar yanında hızla aşınırlar. Kükürtlü hidrojen içeren ortamlarda çoğu kez ana metali demir olan alaşımlar kullanılır. Çünkü bunların maliyeti düşük ve kimyasal dirençleri yüksektir.

Dinlediğiniz İçin Teşekkürler…