Süper Alaşımları Süper Yapan Nedir?

Bir Süper Alaşımın Hiyerarşik Mikro Yapısı

Araştırmacılar, bir süper alaşımın ısıl işlemi sırasında hiyerarşik bir mikro yapının nasıl geliştiğini ilk kez ayrıntılı olarak gözlemlediler.

Yüksek performanslı türbinlerdeki malzemeler sadece güçlü mekanik kuvvetlere dayanmakla kalmaz, aynı zamanda kimyasal ve mekanik özelliklerini neredeyse erime noktalarına kadar korumak zorundadırlar. Bu nedenle, türbin üreticileri onlarca yıldır özel nikel bazlı yüksek performanslı alaşımlar kullanmaktadır. Helmholtz-Zentrum Berlin'den Materialien und Energie'nin (HZB) yeni çalışması artık nikel bazlı alaşım formundaki yeni evrelerin nasıl geliştiğini ve geliştirilebileceğine dair ipuçları sunar. HZB Uygulamalı Malzemeler Enstitüsü'nden doktora öğrencisi Florian Vogel ve Dr. Nelia Wanderka, Münster Üniversitesi'nden meslektaşları ile işbirliği içinde gerçekleştirdikleri bu iletim elektron mikroskopisini (TEM) ve atom prob tomografisini (APT) gerçekleştirmek için iki yöntemi zarif bir şekilde birleştirdi.

Yaklaşık 50 yıldır bilinen ancak şimdiye kadar tam olarak gözlemlenemeyen veya anlaşılamayan bir faz ayırma fenomeni ile ilgilendiler: Nikel bazlı alaşımların mikroyapısı kontrollü yaşlandırma veya ısıl işlem altında değişir ve klasik iki fazlı mikroyapıda başlangıçta yeni fazlar oluşur. Wanderka ve Vogel, atomik ölçekte faz ayırma işlemini ilk kez tam olarak gözlemleyebildiler.

Bunu yapmak için, alaşıma farklı periyodlarda ısıl işlem uygulayarak yaşlanma sürecini taklit ettiler. İletim elektron mikroskobundan mikrograflar kullanarak alaşımın yaşlanması sırasında mikroyapının nasıl değiştiğini belgelediler. Klasik iki fazlı mikroyapı, γ-matris olarak adlandırılan küboid γ 'çökeltilerinden oluşurken, ısıl işlem sırasında küresel γ parçacıkları başlangıçta alaşımın γ ' çökeltilerinde oluşur, daha sonra γ çökelir. Bu tip alaşımların termo-mekanik özellikleri büyük ölçüde bu γ / γ´ mikro yapısının kararlılığına bağlıdır.

Bireysel fazların atom bileşenlerini belirlemek, ancak öncelikle iyi anlaşılmayan parçacığın oluşumu ve düzenlenmesini öğrenmek için Vogel ve Wanderka, Münster Üniversitesi'nde atom probu tomografisi kullanarak yaşlandırılmış örnekleri araştırdı. γ partiküllerin kimyasal evrimini açıklayabilmeleri için numunelerin atom kafesini katman katman yeniden yapılandırmayı ve tüm fazların bileşimini belirlemeyi başardılar.

“Şimdiye kadar, γ partiküllerin bölünmesinin, yaşlanma sırasında mikroyapıyı rafine ettiği ve bunun alaşımın termo-mekanik yük altında kararlılığı için faydalı olacağı varsayılmıştır. Bunun doğru olmadığını gösterebildik. Mikroyapı gerçekten önemli ölçüde değişir, ancak bölünme ile iyileşmez. Aslında en iyi mekanik özellikleri, γ 'çökeltilerinin ayrılmasından sonraki aşamalarla değil, küresel veya plaka benzeri γ parçacıkların varlığı ile ilişkilendirebildik" diye açıklıyor Florian Vogel. Nelia Wanderka ekliyor: "Mikroyapının kararlılığını ve böylece alaşımın termomekanik özelliklerini geliştirmek istiyorsak, γ çökeltilerinin γ parçacıkları tarafından ayrılmadığından, bunun yerine uygun ısıl işlem ve alaşımın bileşimi ile bozulmadan kaldığından emin olmalıyız. Atom probu tomografisi, alaşım elementlerinin γ parçacıklarının oluşumunda ve büyümesindeki rolünü anlamamıza yardımcı olur. Bundan, bu süreçleri nasıl etkileyeceğimizi öğrenebiliriz."

Kaynakça: Florian Vogel, Nelia Wanderka, Zoltan Balogh, Mohammed Ibrahim, Patrick Stender, Guido Schmitz, John Banhart. Mapping the evolution of hierarchical microstructures in a Ni-based superalloy. Nature Communications, 2013; 4 DOI: 10.1038/ncomms3955