Nikel, 1751 yılında İsveçli kimyager Baron Axel Fredrik Cronstedt tarafından keşfedilmiştir. Yer kabuğunun %0,008 kadarını oluşturan nikel; çekirdeğin derin kısımlarında demir, oksijen, silis ve magnezyumdan sonra en bol bulunan beşinci elementtir. Doğada saf olarak bulunmaz, çoğunlukla demir ve kobalt ile birlikte oksitler, sülfitler ve silikatlar şeklinde oluşur. En önemli nikel mineralleri; nikelin (NiAs), kloantit (NiAs2), pentlandit (FeNi)S], millerit (NiS), anaberjit (Ni)3(AsO4)28H2O] ve garniyerit (NiMg)3Si2O5(OH)4] dir. Dünya metal nikel rezervinin toplamı 78 milyon ton, görünür ve muhtemel rezerv toplamı ise 130 milyon tondur. Bunun yaklaşık %40’ı sülfürlü yataklarda, %60’ı lateritik yataklarda bulunur. Bilinen en önemli nikel yatakları; Avustralya, Brezilya, Rusya ve Yeni Kaledonya Adaları, Küba, Filipinler ve Endonezya’da bulunmaktadır. Ülkemizde en büyük nikel yatakları; Manisa-Turgutlu-Çaldağ, Manisa-Gördes ve Eskişehir-Mihalıççık-Yunus Emre yörelerinde bulunur. Ayrıca, Uşak-Banaz, Bitlis-Pancarlı, Bursa-Orhaneli-Yapköydere, Sivas-Divriği-Gümüş, Bolu–Mudurnu-Akçaalan ve Hatay-Payas-Dörtyol’da nikel yatakları tespit edilmiştir. Ekonomik ve işletilebilir olan nikel madenleri; Manisa-Çaldağ, Manisa-Gördes ve Eskişehir-Mihalıççık-Yunus Emre bölgelerindedir. Manisa-Çaldağ sahasının toplam metal nikel rezervi yaklaşık 400 bin tondur (Ref: Çaldağ Nikel Madencilik A.Ş. ÇED Başvuru Raporu, 2013). Gördes yöresindeki lateritik tipdeki ortalama %1 tenörlü nikel içeren sahada yaklaşık 300 bin ton metal nikel rezervi bulunmaktadır. Ülkemizde çıkarılan nikel cevheri doğrudan yurtdışına ihraç edilirken, son yıllarda kurulan tesislerde nikel (metal nikel) üretimi yapılmaya başlanmıştır. Metal nikel üretimi; 2015 yılında 8.640 ton, 2014 yılında 3.030 ton, 2013 yılında 1.080 ton, 2012 yapılan 3.810 ton, 2011 yılında 850 ton olarak gerçekleşmiştir (Ref: World Mining Data, vol.32, 2017). Bu rakamlar ülkemizde yeterli seviyede -bize yetecek kadar- nikel olduğunu göstermektedir.
Süper alaşımlar, genellikle 1050 ⁰C üzerindeki yüksek sıcaklıklarda sertliklerini, mukavemetlerini, tokluklarını ve boyutsal kararlılıklarını koruyan malzemelerdir. “Süper alaşım” teriminin kökeni oldukça belirsiz olsa da bu alaşımlar “Isıya Dayanıklı Alaşımlar” veya “Yüksek Sıcaklık Alaşımları” referans alınarak yapılmıştır. Yüksek sıcaklık uygulamaları için geliştirilen süper alaşımlar, ayrıca yüksek sıcaklıklarda iyi korozyon ve oksidasyon direncine, ağır yüklemeler altında ise üstün sürünme ve yorulma dayanımına sahiptirler. Süper alaşımlar genel olarak; demir esaslı süper alaşımlar, nikel esaslı süper alaşımlar ve kobalt esaslı süper alaşımlar olmak üzere 3 temel şekilde sınıflandırılır. Bu yazımızda kimyasal kompozisyonunda nikel elementi zengin olan “Nikel Esaslı Süper Alaşımları” inceleyeceğiz.
İleri teknoloji ihtiva eden hava araçlarında kullanılan motorların %50’sini nikel esaslı süper alaşımlar oluşturur. Bu alaşımlar genellikle nikel, kobalt, demir ve yüksek oranda krom elementlerinin çeşitli kombinasyonlarından oluşmaktadır. Az miktarda yüksek sıcaklıklarda ergiyen molibden, wolfram, alüminyum ve titanyum elementleri de bulunmaktadır. 815 – 900°C’de 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 kullanılırlar.
Nikel esaslı süper alaşımlar için üç farklı mukavemetlendirme yöntemi bulunmaktadır. Bu yöntemler; çok az miktarda Al, Nb ve Ti ihtiva eden katı çözelti yöntemi, düşük oranda Al, Nb ve Ti içeren çökelme sertleşmesi yöntemi ve küçük miktarlarda oksit partiküllerinin yapıya eklendiği oksit dağılımı yöntemidir. Ni esaslı süper alaşımlarda matris, nikel Yüzey Merkezli Kübik (YMK) kristal yapıda ve içerisinde Co, Fe, Cr, Mo, Re, W gibi katı eriyik elementler içeren gama (γ) fazındadır. Ni matris yapısında Al-Ti-Ta-Cr-Nb gibi elementler katı eriyik sertleşmesine etki etmektedirler. Genel olarak nikel esaslı bir süper alaşımın kimyasal içeriğinde hacimsel olarak; % 38 – 76 oranında nikel (Ni), % 27’den fazla krom (Cr) ve % 20 kobalt (Co) bulunmaktadır. Bu alaşımlar yüksek korozyon dayanımı ya da yüksek sıcaklıklarda yüksek mukavemetin gerekli olduğu uygulamalarda kullanılırlar. Nikel, 1453°C ergime noktasına sahiptir. Roket motorları, gaz türbinleri, uçak motorları ve nükleer reaktörlerin 950 – 1200 °C gibi yüksek sıcaklıklarda uzun süre çalışmaları gerekmektedir. Bu nedenle, ileri teknoloji hava araçlarının motorlarında ve bu yüksek sıcaklık aralıklarında çalışması gereken diğer yapı ve sistemlerde çoğunlukla nikel esaslı süper alaşımlar kullanılmaktadır. Nikel esaslı alaşımlar, süper alaşımların en geniş grubunu oluşturmaktadır ve bu malzemeyi işleyerek şekil vermek oldukça güçtür. Bu alaşımlar, özellikle 650 °C üstü sıcaklıklarda, mekanik dayanım açısından paslanmaz çeliklerden oldukça üstündür.
Ticari olarak kullanılan nikel esaslı süper alaşımlara; Inconel (587, 597, 600, 601, 617, 625, 706, 718, X750, 901), Nimonic (75, 80A, 90, 105, 115, 263, 942, PE 11, PE 16, PK33, C-263), Rene (41, 95), Udimet (400, 500, 520, 630, 700, 710, 720), Pyromet 860, Astroloy, M-252, Waspaloy, Unitemp AF2-IDA6, Cabot 214 ve Haynes 230 örnek olarak verilebilir. Inconel 718, uçak ve uzay endüstrisinde en çok kullanılan süper alaşımlardan biridir. Döküm ya da dövme yöntemi kullanılarak üretilen Inconel 718; üstün yorulma dayanımı, oksidasyon direnci, korozyon direnci, kolay dövülebilme ve kaynaklanabilirlik özelliklerine sahiptir. Günümüzde dövme prosesi sonrası haddeleme ile de sac ve plaka formunda malzeme üretimi yapılmaktadır. Dövme sonrası Inconel 718 alaşımları; homojen ve ince dağılmış tane yapısına, optimize edilmiş çekme-yorulma özelliklerine ve 650 – 750 °C sıcaklıkları arasında üstün sürünme özelliklerine sahip olurlar. Alaşım üretiminde ergitme prosesi de kritik olup, bunun için Vakum İndüksiyon Ergitme (VIM), Elektro Cüruf Altında Ergitme (ESR) ve Vakumlu Ark Ergitme (VAR) altyapılarına ihtiyaç bulunmaktadır. Parça geometrisine göre de dövme prosesi için gerekli olan altyapılar; açık kalıp dövme, radyal dövme, bilezik dövme ve izotermal dövme tezgahlarıdır. Bu altyapıların bir kısmı ülkemizde bulunmakta, bazıları için de yatırım planları yapılmaktadır. En iyi parça üretimi, dövme sonrası işleme prosesiyle elde edilir. Bu şekilde işleme sırasında ve sonraki kullanımlar için optimum mekanik özellikler elde edilmiş olur. Buna karşın alaşımın içerdiği yüksek nikel oranı sebebi ile işlenebilirliği oldukça zordur ve bu nedenle yaklaşık olarak üretilen parçaların % 25-45’inde döküm işlemi kullanılarak nihai parça geometrisi oluşturulmaktadır.
Kaynak: Haber.aero / TUSAŞ Genel Müdür Yardımcısı Fahrettin Öztürk