Sıcaklığa dayanıklı çeliklerin arıza modları ve güçlendirme yöntemleri

I. Isıya Dayanıklı Çeliklerin Başlıca Arıza Modları

1. Oksidasyon ve Yüksek Sıcaklık Korozyon Arızası

• Mekanizma:
  Yüksek sıcaklıklarda, metal atomları oksijen gibi aktif elementlerle reaksiyona girerek oksit filmleri (örneğin, FeO, Fe₂O₃) oluşturur. Oksit filmi gevşek ve kolay soyulabilirse, ortamın sürekli istilasını engelleyemez, bu da malzemenin sürekli olarak tükenmesine ve sonuçta duvar kalınlığının azalması veya mukavemetin düşmesi nedeniyle arızaya yol açar.
  Ortamda S ve Cl gibi elementler varsa (kükürt içeren baca gazı ve klorür ortamları gibi), yüksek sıcaklık korozyonu (sülfidasyon korozyonu ve klorürleşme korozyonu gibi) meydana gelir. Oluşan sülfitler (FeS) veya klorürler (FeCl₃) düşük erime noktalarına sahiptir ve uçucudur, bu da korozyon sürecini hızlandırır.
• Tipik Durum: Kazan kızdırıcı boruları, kükürt içeren baca gazında hizmet verdiğinde, yüzeyde gevşek bir FeS ve FeO karışık tabakası oluşur. Soyulduktan sonra, boru duvarı hızla incelir ve sonunda patlar.

2. Sürünme Arızası

• Mekanizma:
  Yüksek sıcaklıklarda, atomların difüzyon yeteneği artar ve malzemenin içindeki dislokasyonlar yavaş hareket eder, tane sınırları kayar veya boşluklar büyür, bu da makroskopik deformasyona (uzama ve şişme gibi) neden olur. Deformasyon kritik değeri (genellikle %1-%5) aştığında, çatlaklar oluşur ve kırılmaya doğru yayılır.
  Sürünme arızasının özelliği, kırılma yüzeyinin tane sınırları arası kırılma (tane sınırları zayıf bağlantılardır, boşluk oluşumuna eğilimlidir) göstermesi ve deformasyonun geri döndürülemez olmasıdır.
• Tipik Durum: Buhar türbini cıvataları, uzun süre yüksek sıcaklık ve basınç altında hizmet verir, bu da sürünme nedeniyle aşırı uzamaya yol açar, bu da sızdırmazlığı sağlayamaz ve hatta kırılır.

3. Termal Yorgunluk Arızası

• Mekanizma:
  Sıcaklık değişiklikleri sırasında, iç malzemenin veya bitişik bileşenlerin (kabuklar ve borular gibi) termal genleşme katsayılarının uyumsuzluğu, periyodik olarak değişen termal gerilime yol açar. Gerilim malzemenin yorulma sınırını aştığında, yüzeyde veya kusurlarda mikro çatlaklar oluşur ve kademeli olarak nüfuz eden çatlaklara doğru genişler.
  Termal yorgunluk çatlakları çoğunlukla ağ veya radyaldir ve taneler boyunca veya içinden yayılır (malzeme tokluğuna bağlı olarak).
• Tipik Durum: Bir içten yanmalı motorun egzoz manifoldu, tekrarlanan çalıştırma-durdurma ve şiddetli sıcaklık dalgalanmaları nedeniyle yüzeyde çok sayıda termal yorgunluk çatlağı oluşturur ve sonuçta kırılır.

4. Mikroyapısal Bozulma Arızası

• Tipik Durumlar:
  • Perlitik ısıya dayanıklı çelik (örneğin, 12Cr1MoV): Perlitteki sementit (Fe₃C), uzun süreli yüksek sıcaklıklarda küreselleşir, birikir ve hatta grafit haline dönüşür, bu da mukavemette önemli bir düşüşe yol açar.
  • Östenitik ısıya dayanıklı çelik: Güçlendirici faz (örneğin, γ' fazı Ni₃Al), uzun süreli yüksek sıcaklıklarda irileşir veya çözünür, güçlendirme etkisini kaybeder ve sürünme direncini azaltır.

II. Isıya Dayanıklı Çeliklerin Güçlendirme Yöntemleri

1. Alaşımlama ile Güçlendirme (Temel Yöntem)

• Oksidasyon Direncini İyileştirme:
  Ortamın istilasını engellemek için yüzeyde yoğun bir oksit filmi (Cr₂O₃, Al₂O₃, SiO₂ gibi) oluşturmak için Cr (%12-%30), Al (%2-%5) ve Si (%1-%3) gibi elementler eklemek. Örneğin, Cr içeriği ≥ %12 olduğunda, çelik yüzeyinde sürekli bir Cr₂O₃ filmi oluşabilir ve bu da oksidasyon direncini önemli ölçüde iyileştirir.
• Yüksek Sıcaklık Dayanımını (Sürünme Direnci) İyileştirme:
  • Katı Çözelti ile Güçlendirme: Matris atomları arasındaki bağ kuvvetini iyileştirmek ve dislokasyon hareketini engellemek için W ve Mo (büyük atom yarıçaplarına sahip, Fe ile güçlü bağlar oluşturan) eklemek (örneğin, Mo, demir matrisin sürünme aktivasyon enerjisini %30'dan fazla artırabilir).
  • Çökelti ile Güçlendirme: Dislokasyonları ve tane sınırlarını sabitleyen ve sürünme deformasyonunu engelleyen C/N ile yüksek sıcaklığa dayanıklı karbürler/nitrürler (VC, NbC gibi) oluşturmak için V, Nb, Ti, Ta vb. eklemek (örneğin, 12Cr1MoV'deki V, VC oluşturur ve sürünme mukavemetini önemli ölçüde iyileştirir).
  • Faz Kararlılığı: Östenitik bir matris (düşük difüzyon katsayısına sahip ferritten daha kararlı) oluşturmak için Ni (%8-%20) eklemek, örneğin 310S östenitik çelik (%25Cr-%20Ni), 1000℃'ün üzerinde uzun süre hizmet verebilir.
• Termal Yorgunluk Performansını İyileştirme:
  Termal genleşme katsayısını azaltmak için Mn ve Ni eklemek (örneğin, Incoloy 800H, %30 Ni içerdiğinden ferritik çelikten %20 daha düşük bir termal genleşme katsayısına sahiptir) veya malzeme tokluğunu iyileştirmek için Cu ve Nb eklemek (çatlak yayılımını engellemek).

2. Isıl İşlem ile Güçlendirme

• Çözeltiye Alma + Yaşlandırma İşlemi:
  Östenitik ısıya dayanıklı çelik için uygundur (örneğin, GH4169): Çözeltiye alma işlemi (1000-1100℃), alaşım elementlerinin (Nb, Ti) homojen olarak çözünmesini sağlar ve yaşlandırma işlemi (700-800℃), çökelti ile güçlendirme yoluyla sürünme direncini önemli ölçüde iyileştiren γ'' fazı (Ni₃Nb) ve γ' fazı (Ni₃Al) çökeltir.
• Normalleştirme + Temperleme:
  Perlitik ısıya dayanıklı çelik için uygundur (örneğin, 12Cr1MoV): Normalleştirme (950-1050℃), ince perlit yapısı elde eder ve temperleme (750-800℃), gerilimi ortadan kaldırır ve karbürleri stabilize eder, uzun süreli yüksek sıcaklıklarda perlitleşmeyi önler (küreselleşme, mukavemette %50'den fazla bir düşüşe yol açacaktır).
• Tavlama İşlemi:
  İşleme gerilimini (kaynak sonrası ısıdan etkilenen bölge gibi) ortadan kaldırmak, taneleri inceltmek ve termal yorgunluk çatlaklarının oluşumunu önlemek için kullanılır.

3. Yüzey Güçlendirme

• Yüzey Alaşımlama:
  Alüminyum kaplama ve krom kaplama (alüminyum kaplama işlemi gibi): Çelik yüzeyinde Al₂O₃ veya Cr₂O₃ zenginleştirilmiş bir tabaka (50-200μm kalınlığında) oluşturmak, bu da oksidasyon direnç sıcaklığını matrise göre 200-300℃ artırır (örneğin, alüminyum kaplı 20G çelik, 800℃'ün üzerinde hizmet verebilir).
• Kaplama Teknolojisi:
  Fiziksel buhar biriktirme (PVD) veya plazma püskürtme ile hazırlanan yüksek sıcaklığa dayanıklı seramik kaplamalar (Al₂O₃, ZrO₂) veya intermetalik bileşik kaplamalar (NiAl) kullanmak, hem ısı yalıtımı hem de korozyona dayanıklıdır (kaplamanın termal iletkenliği, çeliğin 1/10-1/20'sidir).
• Lazer Yüzey Eritme:
  Yüzeyi ince taneli veya amorf bir tabaka oluşturmak için bir lazerle hızla ısıtmak ve soğutmak, yüzey sertliğini ve aşınma direncini iyileştirmek ve oksit tabakasının soyulmasını azaltmak.

4. Mikroyapı Kontrolü

• Tane Boyutu Optimizasyonu:
  Kaba taneler (küçük tane sınırı alanına sahip) tane sınırı kaymasını azaltabilir ve sürünme mukavemetini iyileştirebilir (örneğin, kaba taneli östenitik çelik kullanan türbin kanatları, sürünme ömründe %30'luk bir artışa sahiptir); ince taneler tokluğu ve termal yorgunluk performansını iyileştirebilir (tane sınırları çatlak yayılımını engeller, örneğin, ince taneli ferritik çelik kullanan ısı eşanjörü boruları, termal yorgunluk ömründe %50'lik bir uzamaya sahiptir).
• Dubleks Yapı Tasarımı:
  Ferrit-östenit dubleks çelik gibi (örneğin, 2205), ferrit iyi oksidasyon direnci sağlar, östenit yüksek mukavemet sağlar ve hem korozyon direncine hem de sürünme direncine sahiptir (uygulanabilir sıcaklık aralığı, tek fazlı çeliğe göre 100-150℃ daha geniştir).

Özet