Ne Olmadan Savaş Uçağı Motoru Üretemezsiniz ?
Süperalaşımlar, yüksek sıcaklık ve korozif ortam altında mekanik özelliklerini diğer metalik alaşımlara oranla yüksek seviyede koruyabilen metalik malzemelerdir. Genel olarak nikel, kobalt ve demir-nikel esaslı olmak üzere üç ana grup altında sınıflandırılırlar. Sıcaklığın görece düşük (500-700 0C), mekanik mukavemet isterlerinin yüksek olduğu durumlarda demir-nikel esaslı süperalaşımlar kullanılmaktadır. En yaygın kullanılan örneği Inconel 718 alaşımıdır. Kompresör diskleri, direk sıcak gaz akışı içerisinde kalmayan ama hala sıcaklığın nispeten yüksek olduğu bağlantı elemanları, kompresör kapakları (compressor casings) gibi gaz türbini parçalarında bu grup alaşımlardan sıklıkla yararlanılır. Sıcaklığın en yüksek ancak mekanik yük gereksiniminin görece düşük olduğu durumlarda kobalt esaslı süperalaşımlar tercih edilirler. Haynes 188 ve L 605 yaygın kullanılan kobalt esaslı süperalaşımlardır. Kolay kaynak edilebilirliği, yüksek sürünme ve erozyon mukavemeti ile türbin sabit kanatçıklarında (turbine vanes) kullanılırlar. Sıcaklığın ve mekanik isterlerin yüksek seviyede olduğu durumlarda ise nikel esaslı süperalaşımlar kullanılmaktadır. Rene 80, Hastelloy X, CMSX4 gibi nikel esaslı süperalaşımlar türbin disk (turbine disc) ve hareketli kanatçıkları (turbine blades), yanma odaları (combustion chamber) gibi en zorlu koşullar altında görev alırlar.
Aslında süperalaşımların oda sıcaklığındaki mekanik özellikleri, yaygın olarak kullanılan ve ekonomik olarak daha uygun olan düşük alaşımlı yapısal çeliklerden çok da farklı değildir. Bununla birlikte, 500 – 550 0C sıcaklıklara çıkıldığında, düşük alaşımlı çeliklerin akma mukavemeti yaklaşık yarısına inerken, süperalaşımlar tipik olarak 950 0C sürekli çalışma sıcaklığı altında akma mukavemetlerinin %80 ‘ini koruyabilmektedirler. Korozyon direnci açısından ise sıfırın çok altındaki düşük sıcaklıklardan (kyrojenik ortamlar) 1100 0C ‘yi bulan çok geniş bir sıcaklık aralığında mekanik özelliklerini korumakla birlikte düşünüldüğünde rakipsizdirler. Yüksek korozyon direnci nedeniyle deniz üstünde konumlanan petrol, doğalgaz platformları, nükleer santraller gibi çeşitli endüstri dallarında kullanılmakla birlikte, gaz türbinleri süperalaşım kullanımının %75’ini kapsamaktadır (1).
Gaz türbinlerinde verim, türbin sıcaklığı ile doğrudan ilişkilidir. Yüksek türbin sıcaklığı, yüksek verim anlamına gelmektedir. Türbin veriminin yükselmesi ise, daha uzun menzil, daha düşük yakıt tüketimi, daha düşük emisyon ve karbon ayak izine olanak sağlamaktadır. Bu nedenle süperalaşımların gelişimi ilk ortaya çıktıkları 1910’lardan beri sürekli olarak daha yüksek çalışma sıcaklıklarına dayanıklı hale getirilmesi yönünde olmuştur. Süperalaşımlar, döküm, dövme, talaşlı imalat, toz metalürjisi ve son olarak eklemeli imalat teknikleri ile üretilmektedirler. Üretim tekniklerindeki gelişmeler, alaşım üretiminde yeni elementlerin kullanımı, parçalar üzerine uygulanan genellikle seramik esaslı koruyucu kaplamalar, parçaların çalışma koşulları altında soğutulmasına yönelik tasarım mimarilerinin geliştirilmesi üzerine yapılan çalışmalar daha üstün özelliklere sahip alaşımların önünü açmıştır (1).
Üretim teknikleri arasında yer alan döküm tekniği ile, kullanılacak parçalar direk olarak üretilmekte ya da diğer tekniklerin ihtiyaç duyduğu yarı mamul üretimi gerçekleşmektedir. Metalik malzemeler katılaşırken, malzemeyi oluşturan atomlar belirli bir düzende dizilerek kristal yapıları meydana getirirler. Katılaşma tamamlandığında, katılaşma koşullarına da bağlı olarak bu kristallerin milyonlarcası bir araya gelerek çok kristalli yapıda (poly crystal) parçayı meydana getirmiş olurlar. Yüksek sıcaklıklarda kristal tane sınırlarının korozyon ve mekanik mukavemeti, tane içlerinden daha düşüktür. Bu durum süperalaşımların çalışma sıcaklığını ve bu sıcaklık altındaki mekanik yüklere ve korozif atmosfere karşı olan direncini düşürerek parçanın çalışma kapasitesini sınırlamaktadır. Bu nedenle 1970’lerden itibaren öncelikli olarak tane sınırlarının gelen mekanik yükün yönüne göre optimize edildiği, yönlendirilmiş katılaşma (directional solidification) tekniği geliştirilmiştir. Bu teknik sayesinde tane boyutları belirli bir eksende daha uzun yapıda üretilmektedir. Seçilen doğrultu kristalografik düzlemlerin en yüksek mukavemet değerine göre seçilmekte, yük doğrultusuna dik tane sınır oranı minimize edilmektedir. Hemen bu tekniğin geliştirildiği yıllarda, tane sınırlarını tamamen ortadan kaldırma fikri geliştirilmiş ve araştırmalar bu yönde yoğunlaşmıştır (2). Esasen tek kristal (single crystal) malzeme üretimi yönlendirilmiş katılaşma tekniğinden türetilmiş olup, büyük oranda benzerlik göstermektedir. Aradaki temel farklılık, soğutma bloğundan (chill block) yönlü olarak katılaşmaya başlayan tanelerin biri hariç hepsinin elimine edildiği bir tane seçicinin (grain selector) sisteme ilave edilmesidir. Şekil 1’de türbin palesi imalinde kullanılan, pig tail adı da verilen tane seçici kısım görülmektedir (3). Resim dikkatlice incelendiğinde, renk farklılıkları halinde görülen alt kısımdaki yönlenmiş tanelerin helisel kısımda elenerek üst kısma sadece tek kristal yapının oluşabildiği görülmektedir.
Katılaşmanın yönlü olarak gelişebilmesi ve istenmeyen yeni tanelerin çekirdeklenmemesi için kalıp içerisindeki sıvı metal bir yüzeyinden soğutulurken, diğer yüzeyler ısıtılarak diğer kalıp yüzeylerinde çekirdeklenme oluşumu önlenmektedir. Tüm işlem son derece hassas bir sistemle kontrol edilmektedir.
Tek kristal alaşımların üretilmesi ile daha önce tane sınırlarını düzenleyici rol alan elementlerin kullanımına gerek kalmamış, tane sınırı kaynaklı yorulma, sürünme, gerilim kopması, taneler arası korozyon gibi mekanizmaların hasar limitleri büyük ölçüde yükselmiştir. Bu sayede daha yüksek mekanik ve kimyasal dayanıma sahip yeni nesil alaşımlar geliştirilebilmiştir(4).
Motor verimlerinin artırılması için yüksek sıcaklıklara ihtiyaç duyuldukça kaçınılmaz hale gelen yönlendirilmiş tek kristal üretimi, ülkemizin gündeminde projelendirme seviyesinde 2010’lu yıllardan sonra yer aldı.
Yerli ve milli uçak ve helikopter motoru projelerinde stratejik bir teknoloji olan tek kristal türbin pali üretimi projesi (KRİSTAL) SSB’nin inisiyatifi, TEI yükleniciliği ve TÜBİTAK-MAM Malzeme Enstitüsü alt yükleniciliği ile 2015’te başlatıldı (5,6). Bunun için TÜBİTAK MAM Malzeme Enstitüsü “Yüksek Sıcaklık Malzemeleri, Araştırma Geliştirme ve Onarım Mükemmeliyet Merkezi’nde” “üçlü ergitme” alt yapısı kurulmuş ve bugün ostenitik paslanmaz çelik ve Inconel 718 alaşımı üretilebilmektedir (7). Motor tasarımı ve geliştirmesinde rol alan teknik insanlar teknolojinin ve üretim süreçlerinin zorluklarının farkında olarak bu kritik adımı attılar ve dışa bağımlılığı yok etmeyi hedeflediler. Yerli ve milli Genel Maksat Helikopterimiz olan TUSAŞ’ın Gökbey’ine (T625) ait TS1400 motorunda kullanılacak olan tek kristal türbin palelerinin ilk prototipleri 5 yıllık çalışma sonucunda 2021 Şubat ayında Tübitak-MAM tarafından TEI’ye teslim edildi (8).
Projeyle ilgili bilgi birikimi SSB ve TEI tarafından korunarak seri üretimde yüksek sıcaklıkta çalışacak türbin pallerinin yine bir TEI şirketi olan Gür Metal’de sürdürülmesi planlanıyor. Teknolojinin farklı milli motor projelerinde kullanılabileceğini öngörmek zor değil. Bu projenin kurgulanmasından bugüne getirilmesine kadar sürece katkıda bulunan Türk Savunma Sanayii yöneticilerine, akademisyenlerimize, mühendislerimize ve teknik adamlarımıza milletçe müteşekkiriz.
Hazırlayanlar
Dr.S.Fehmi Diltemiz – Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Uçak Mühendisliği Öğretim Üyesi
Hayri Özturan – Uçak Müh.
Kaynakça
- S. Fehmi Diltemiz, Sam Zhang, Aerospace Materials Handbook, Chapter 1, Superalloys for Super Jobs, CRC Press, Taylor & Francis Group, 2013
- https://www.asminternational.org/documents/10192/6019788/amp17109p26.pdf/3def 4e9 7-ace9-47e4-8661-2d7bc8f71f84
- https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/25/Pigtail_from_Single_Crystal_Blade_ Casting_shown_with_Kennedy_Half_Dollar_for_size_comparison.jpg / Lee Langston, CC BY-SA 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0>, via Wikimedia Commons
- https://cannonmuskegon.com/wp-content/uploads/2015/02/Advances-in-SX-Superalloys Pa rsons Glascow07-wahl-harris.pdf
- SSB Kristal Projesi https://www.ssb.gov.tr/Website/ContentList.aspx?PageID=1079
- TEI Kristal Projesi https://tei.com.tr/tr/projeler/teknoloji/kristal
- “Ülkemizde nikel esaslı süper alaşım geliştirme faaliyetleri” Prof.Dr.Fahrettin Öztürk https://haber.aero/yazarlar/fahrettin-ozturk/ulkemizde-nikel-esasli-super-alasim-gelistirme-faaliyetleri/
- İlk prototip teslim töreni https://mam.tubitak.gov.tr/tr/haber/kristal-turbin-kanatcigi-turkiyede-ilk-kez-tubitak-mam-tarafindan-uretildi
