Jet motorlarında kırılmayan süper alaşım: Çelikten 10 kat daha güçlü

Havacılık, savunma ve enerji sektörlerinde kullanılan jet motorları ile gaz türbinleri, aşırı sıcaklık ve yüksek merkezkaç kuvveti altında biçimini koruyabilen malzemelere ihtiyaç duyuyor. Bu alandaki güçlü adaylardan intermetalik bileşikler, yüksek erime sıcaklıkları ve sürünme direnciyle öne çıkmasına rağmen son derece kırılgan olmaları nedeniyle ticari uygulamalarda sınırlı kaldı. Science Advances dergisinde yayımlanan yeni bir araştırma, bu yapısal zayıflığı azaltmaya yönelik yeni bir üretim yöntemi ortaya koydu. Purdue Üniversitesi Malzeme Mühendisliği Fakültesi’nden Prof. Xinghang Zhang liderliğindeki ekip, kobalt-alüminyum bileşiğini nano ölçekte yeniden işleyerek oda sıcaklığında yüksek plastik deformasyon kabiliyeti gösteren yeni bir yapı geliştirdi.

ATOMİK KUSURLARLA ESNEKLİK SAĞLANDI

Geleneksel döküm yöntemlerinde atomların düzenli bir geometrik yapıda dizilmesi, malzemenin sertliğini artırırken kırılganlığını da yükseltiyor. Darbe veya yüksek basınç altında bükülmek yerine çatlayan bu yapıyı değiştirmek isteyen Purdue ekibi, üretim sırasında malzemeye dislokasyon adı verilen mikroskobik atomik kusurlar yerleştirdi. Araştırmacılar ayrıca atomların düzenli biçimde sıralanmadığı esnek amorf arayüzlerden oluşan bir ağ meydana getirdi. Bu yapı, malzemenin basınç altında kırılmak yerine atom katmanlarını kaydırarak şekil değiştirmesine imkân sağladı. Manyetik püskürtme yöntemiyle buhar fazından katılaştırılan CoAl nanolaminat sistemi, geleneksel döküm yöntemleriyle elde edilemeyen bir yapısal esnekliğe ulaştı.

6 GPA AKMA DAYANIMI VE YÜZDE 15 DEFORMASYON

Taramalı elektron mikroskoplarıyla yapılan incelemeler ve Houston Üniversitesi iş birliğiyle yürütülen moleküler simülasyonlar, geliştirilen malzemenin mekanik performansını ortaya koydu. Geleneksel döküm CoAl yapıları basınç altında hızla kırılırken, manyetik püskürtme yöntemiyle üretilen yeni nano-CoAl nanolaminat 6 GPa akma dayanımına ulaştı. Bu değer, standart yapıların yaklaşık 6 ila 10 katına karşılık geliyor. Malzeme, yüksek sertliğine rağmen oda sıcaklığındaki sıkıştırma testlerinde çatlamak yerine yüzde 15 oranında kalıcı plastik deformasyon gösterdi. Böylece yeni yapı, yüksek basınca dayanırken aniden kırılmadan şekil değiştirebildi ve enerjiyi emebildi.

JET MOTORLARINDA DAHA YÜKSEK DEVİR HEDEFİ

Prof. Xinghang Zhang, geliştirilen malzemenin uçak motorları ve sanayi türbinleri açısından önemine dikkat çekerek, "CoAl intermetalik bileşikleri yüksek mukavemetli yapısıyla uçaklara itme gücü sağlayan gaz türbinli motorların yeni nesil türbin kanatlarında kullanılmaya adaydır. Yüksek mukavemetli ve plastik deformasyona uygun bu yeni alaşımlar, motorun daha yüksek merkezkaç kuvvetlerine dayanarak daha hızlı dönmesini sağlayacak ve operasyonel performansı doğrudan artıracaktır" dedi. Yeni malzemenin yüksek merkezkaç kuvvetlerine dayanabilmesi, türbinlerin daha yüksek devirlerde çalışmasına ve motor performansının artırılmasına katkı sağlayabilir.

HEDEF ENDÜSTRİYEL ÖLÇEKTE ÜRETİM

Mevcut çalışma, ince film biriktirme yöntemiyle nano ölçekte ortaya konulan bir konsept kanıtı niteliği taşıyor. Araştırma ekibinin bir sonraki hedefi, esnek amorf arayüz mimarisini sanayi ölçeğinde üretilebilecek daha büyük CoAl nanokompozitlere uygulamak. Yöntemin diğer kırılgan intermetalik alaşımlarda da uygulanabilmesi halinde, havacılık ve savunma sanayii tedarikçileri geleneksel metallerin yetersiz kaldığı zorlu ortamlar için yüksek dayanım ve esnekliği bir araya getiren yeni nesil malzemeleri seri üretime taşıyabilecek.