Nikel Alaşımlarının Kaynağı ve Sınıflandırılması

Nikel alaşımları, oldukça yeni ve sürekli gelişen malzemelerdir. Bu malzemelerin Amerika ve Avrupa’da çeşitli firmalar tarafından geliştirilmesi, çelik veya alüminyum alaşımları gibi uluslararası standartizasyonunu şu an için mümkün kılmamaktadır.

Genellikle birçok nikel alaşımi, üretici firmaların ticari isimleriyle anılmaktadır (Monel, Inconel gibi). Bu nedenle, nikel alaşımlarının sınıflandırılması daha bilimsel bir yaklaşım olarak metalurjik yöntemlerle yapılmalıdır.

Nikel ve alaşımları metalurjik olarak şu dört ana başlığa ayrılmaktadır:

1)  Saf Nikel Alaşımları
2) Katıhal Çözelti Sertleşmesi ile Oluşan Alaşımlar
3 )Çökelti Sertleşmesi ile Oluşan Alaşımlar
4) Özel Alaşımlar (Oksit dispersiyon tekniği ile üretilen, Ni-Al intermetalik fazlar ile üretilen gibi)

Saf Nikel Alaşımları
Saf nikel alaşımları, minimum %99 nikel elementi içeren özel alaşımlardır. Bu alaşımlar, korozyon dayanımı, elektrik iletkenliği ve 315ºC’ye kadar karbürizasyon dayanımı aranan parçaların imalatında kullanılır. Saf nikel alaşımlarının dayanımının düşük olması, bu alaşımların kullanım alanını diğer nikel alaşımlarına göre kısıtlar. Bu alaşımlar iyi kaynaklanabilme özelliğine sahip olsa da, ciddi oranda gözenek yapma riski taşır. Bu nedenle, bu alaşımların kaynağında kullanılan sarf malzemelere, oksijene ve azota olan afiniteleri çok yüksek olduğundan %1,5’e kadar alüminyum ve %2-3,5 arası titanyum eklenmektedir.

Katı Hal Çözelti Sertleşmesi ile Oluşturulan Alaşımlar
Katı hal çözelti ile oluşturulan alaşımlar, genellikle nikelin atomik özelliklerine yakın olan ve bu nedenle nikel ile çok iyi çözünebilen bakır (Cu), demir (Fe), krom (Cr), molibden (Mo) ve tungsten (W) alaşımlarının bir veya birkaç türünün birleşimi ile oluşturulmaktadır. En yoğun kullanılan ve iyi kaynaklanabilir özelliğe sahip olan bu alaşımlar, 830 MPa çekme dayanımı ve 480 MPa akma dayanımına kadar çıkabilmektedir. Daha yüksek mekanik özelliklerin gerektiği durumlarda çökelti sertleşmesi ile oluşturulan alaşımlara yönelmek gerekir. Genellikle Ni-Cu türündeki alaşımlar, deniz suyu korozyonuna karşı dayanım istenilen alanlarda kullanılırken, Ni-Cr-Mo türündeki alaşımlar yüksek sıcaklıkta korozyon ve oksidasyon dayanımı aranan uygulamalarda tercih edilmektedir. INVAR olarak bilinen Ni-%36 Fe alaşımı ise en düşük termal genleşmeye sahip alaşımdır ve şekil değiştirmenin istenmediği uygulamalarda tercih edilmektedir. Ancak bu Ni-Fe alaşımlarının kaynak sırasında katılaşma çatlağı ve tokluk düşüş çatlağı oluşturma riski fazladır.

Çökelti Sertleşmesi ile Oluşturulan Alaşımlar
Çökelti sertleşmesi ile oluşturulan nikel alaşımları, nikel matrisin içerisine katılan titanyum (Ti), niyobyum (Nb) ve alüminyumun (Al) uygun ısıl işlem sonrası nikel ile bağ yaparak oluşturduğu fazlar sayesinde alaşımın sertliği ve mekanik dayanımının artması sonucu oluşurlar. Çökelme sayesinde oluşan bu fazlar, ana matris içinde genellikle kararlı bir yapıda durmaktadır. Alaşım içerisinde bu elementlerin miktarı arttıkça ana matrisin mekanik özellikleri ve sertliği artmaktadır. Ana faz içerisindeki bu fazlar genellikle “gama prime” ve “gama double prime” olarak adlandırılır. Gama prime fazı genellikle Ni3Al, Ni3Ti ve Ni3(Ti,Al) çökeltilerinden oluşur ve bir denge fazıdır. Gama double prime fazı ise genellikle Ni3Nb çökeltisinden oluşmakta ve çoğunlukla kararlı değildir. Doğru alaşım oranı ve ısıl işlem sayesinde bu alaşımların çekme dayanımları 1380 MPa’a kadar, akma dayanımı ise 1035 MPa’a kadar arttırılabilmektedir.

Nikel alaşımlarında korozyon dayanımı yanı sıra mekanik dayanım artırma ihtiyacı doğduğu için üretilen bu alaşımlar, başlangıçta çok iyi oksidasyon direnci ve mekanik dayanım göstermiş ancak kaynak işlemi sonrası yaşlanmaya bağlı olarak gerilim çatlaklarına sıkça rastlanmıştır. Daha sonra geliştirilen ve malzemenin doğası öğrenildikçe daha rahat kontrol edilebilen metalurjik olaylar sayesinde kaynak sonrası çatlak sorunu ortadan kaldırılmıştır. Çökelti sertleşmesi ile üretilen nikel alaşımlarının kaynak uygulamasında en bilinen alaşım “Alaşım 718” olarak adlandırılmaktadır. Bu alaşımda ikincil çökeltiler, çökeltilerden daha yavaş olduğu için hızlı yaşlanma sonrası çatlaklara karşı oldukça dayanıklıdır. İlgili alaşım, özellikle havacılık sanayisinde türbin şaftlarında kullanılmakta ve 760ºC’ye kadar sürekli ısıl çevrimlerde bile çok iyi korozyon ve oksidasyon dayanımına sahiptir. Çökelti sertleşmesi ile oluşturulan nikel alaşımları, yüksek sıcaklık korozif dayanımları ve mekanik dayanımlarında dolayı “Süper Alaşımlar” olarak da adlandırılmaktadır.

Özel Alaşımlar
Kaynak sonrası çatlak oluşturmaları nedeniyle genellikle kaynaklanamaz kabul edilen bu alaşımlar, derinlemesine incelenmemekle birlikte genel özelliklerini bilmekte fayda vardır. Oksit dispersiyon tekniği ile elde edilen ve çok yüksek sürünme dayanımına sahip alaşımlar, özellikle Ytria (Y2O3) çökeltisi sayesinde matrisde hem ince dağılmış oksitlere hem de bu oksitlerin oluşturduğu çökelme sertleşmesi sayesinde çok yüksek mekanik değerlere sahip olurlar. Nikel-alüminyum alaşımları ise oluşan NiAl ve Ni3Al çökeltisi sayesinde çok yüksek mekanik ve korozyon dayanımına sahipken, görece düşük tokluğa sahip olup kaynak sonrası oluşan çatlaklar nedeniyle kaynaklanamaz kabul edilirler. Nikel alaşımları, kullanım alanlarına göre yüksek korozyon dayanımı, yüksek sıcaklıkta oksidasyon ve tufalleşme dayanımı veya sürünme dayanımı gibi uygulamalarda kullanılır.

Kaynak sonrası herhangi bir ısıl işleme gerek duymadan kullanılabilen alaşımlar, genellikle katı hal çökeltisi ile oluşan alaşımlar olmakla birlikte, bu alaşımlar yüksek sıcaklık uygulamalarında belirli sıcaklıklara kadar kullanılabilmektedir. Çökelti sertleşmesi ile oluşturulan alaşımlar ise yüksek sıcaklık uygulamalarında daha sık kullanım alanı bulmakta ancak kaynak sonrası ısıl işlem gerektirdiği için imalat süreçlerinde parametrelerin daha hassas takip edilmesi gerekmektedir.

Aşağıda listelenmiş olan alaşımlar, temel olarak üç ayrı sınıfa ayrılmakta ve her alaşım için Amerikan standartları (AWS) ve Avrupa Standartları (EN) verilmektedir.

İlgili alaşımlar, nikel MIG/MAG teli, nikel TIG teli ve nikel tozaltı teli olarak farklı çaplarda tedarik edilebilmektedir.