Ⅰ. Giriş
Süper alaşımlar, yüksek sıcaklıklarda mükemmel mukavemet, oksidasyon direnci ve korozyon direnci sağlayan metalik malzemelerdir. Havacılık motorları, gaz türbinleri, nükleer endüstriler ve enerji ekipmanlarında yaygın olarak kullanılırlar. Ancak, üstün özellikleri, işleme açısından önemli zorluklar yaratır. Özellikle frezeleme işlemleri için parmak frezeler kullanıldığında, hızlı takım aşınması, yüksek kesme sıcaklıkları ve kötü yüzey kalitesi gibi sorunlar özellikle belirgindir. Bu makale, süper alaşımların parmak frezeleme ile işlenirken karşılaşılan yaygın sorunları incelemekte ve bunlara karşılık gelen çözümler sunmaktadır.
Ⅱ. Süper Alaşım Nedir?
Süper alaşımlar (veya yüksek sıcaklık alaşımları), yüksek sıcaklık ortamlarında yüksek mukavemet ve olağanüstü oksidasyon ve korozyon direnci sağlayan metal malzemelerdir. 600°C ila 1100°C arasında oksidatif ve gazlı korozyon ortamlarında karmaşık gerilim altında güvenilir bir şekilde çalışabilirler. Süper alaşımlar temel olarak nikel bazlı, kobalt bazlı ve demir bazlı alaşımları içerir ve havacılık, gaz türbinleri, nükleer enerji, otomotiv ve petrokimya endüstrilerinde yaygın olarak kullanılır.
Ⅲ. Süper Alaşımların Özellikleri
1.Yüksek Sıcaklıklarda Yüksek Mukavemet
Yüksek sıcaklıklarda, önemli bir sürünme deformasyonu olmadan uzun süre yüksek gerilmelere dayanabilir.
2.Mükemmel Oksidasyon ve Korozyon Direnci
Yüksek sıcaklıklarda havaya, yanma gazlarına veya kimyasal ortamlara maruz kaldığında bile yapısal kararlılığını korur.
3.İyi Yorulma ve Kırılma Tokluğu
Ekstrem ortamlarda termal döngülere ve darbe yüklerine karşı koyabilir.
4.Kararlı Mikro yapı
İyi yapısal kararlılık sergiler ve uzun süreli yüksek sıcaklık kullanımında performans bozulmasına karşı direnç gösterir.
Ⅳ. Tipik Süper Alaşım Malzemeleri
1.Nikel Bazlı Süper Alaşımlar
Uluslararası Ortak Kaliteler:
Kalite
Özellikler
Tipik Uygulamalar
Inconel 718
Mükemmel yüksek sıcaklık mukavemeti, iyi kaynaklanabilirlik
Uçak motorları, nükleer reaktör bileşenleri
Inconel 625
Güçlü korozyon direnci, deniz suyuna ve kimyasallara dayanıklı
Denizcilik ekipmanları, kimyasal kaplar
Inconel X-750
Güçlü sürünme direnci, uzun süreli yüksek sıcaklık yükleri için uygun
Türbin parçaları, yaylar, bağlantı elemanları
Waspaloy
700–870°C'de yüksek mukavemeti korur
Gaz türbini kanatları, sızdırmazlık bileşenleri
Rene 41
Üstün yüksek sıcaklık mekanik performansı
Jet motoru yanma odaları, egzoz nozulları
2.Kobalt Bazlı Süper Alaşımlar
Uluslararası Ortak Kaliteler:
Kalite
Özellikler
Uygulamalar
Stellite 6
Mükemmel aşınma ve sıcak korozyon direnci
Vanalar, sızdırmazlık yüzeyleri, kesici takımlar
Haynes 188
Yüksek sıcaklıklarda iyi oksidasyon ve sürünme direnci
Türbin gövdeleri, yanma odası parçaları
Mar-M509
Güçlü korozyon ve termal yorulma direnci
Gaz türbinlerinin sıcak uç bileşenleri
Yaygın Çin Kaliteleri (Uluslararası Eşdeğerleri ile):
Kalite
Özellikler
Uygulamalar
K640
Stellite 6'ya eşdeğer
Vana alaşımları, termal ekipmanlar
GH605
Haynes 25'e benzer
İnsanlı uzay görevleri, endüstriyel türbinler
3.Demir Bazlı Süper Alaşımlar
Özellikler: Düşük maliyet, iyi işlenebilirlik; orta sıcaklık ortamları için uygun (≤700°C).
Uluslararası Ortak Kaliteler:
Kalite
Özellikler
Uygulamalar
A-286 (UNS S66286)
İyi yüksek sıcaklık mukavemeti ve kaynaklanabilirlik
Uçak motoru bağlantı elemanları, gaz türbini bileşenleri
Alaşım 800H/800HT
Mükemmel yapısal kararlılık ve korozyon direnci
Isı eşanjörleri, buhar jeneratörleri
310S Paslanmaz Çelik
Oksidasyona dayanıklı, düşük maliyetli
Fırın boruları, egzoz sistemleri
Yaygın Çin Kaliteleri (Uluslararası Eşdeğerleri ile):
Kalite
Uluslararası Eşdeğer
Uygulamalar
1Cr18Ni9Ti
304 paslanmaz çeliğe benzer
Genel yüksek sıcaklık ortamları
GH2132
A-286'ya eşdeğer
Cıvatalar, contalar, yaylar
4.Nikel Bazlı, Kobalt Bazlı ve Demir Bazlı Süper Alaşımların Karşılaştırması
Alaşım Tipi
Çalışma Sıcaklık Aralığı
Mukavemet
Korozyon Direnci
Maliyet
Tipik Uygulamalar
Nikel Bazlı
≤1100°C
★★★★★
★★★★★
Yüksek
Havacılık, enerji, nükleer enerji
Kobalt Bazlı
≤1000°C
★★★★
★★★★★
Nispeten Yüksek
Kimya endüstrisi, gaz türbinleri
Demir Bazlı
≤750°C
★★★
★★★
Düşük
Genel endüstri, yapısal parçalar
Ⅴ. Süper Alaşımların Uygulama Örnekleri
Endüstri
Uygulama Bileşenleri
Havacılık
Türbin kanatları, yanma odaları, nozullar, sızdırmazlık halkaları
Enerji Ekipmanları
Gaz türbini kanatları, nükleer reaktör bileşenleri
Kimya Endüstrisi
Yüksek sıcaklık reaktörleri, ısı eşanjörleri, korozyona dayanıklı pompalar ve vanalar
Petrol Sondajı
Yüksek sıcaklık ve yüksek basınç contaları, kuyu içi aletler
Otomotiv Endüstrisi
Turboşarj bileşenleri, yüksek performanslı egzoz sistemleri
Ⅵ. Süper Alaşımların İşlenmesindeki Zorluklar
1.Yüksek Mukavemet ve Sertlik:
Süper alaşımlar, oda sıcaklığında bile yüksek mukavemeti korur (örneğin, Inconel 718'in çekme mukavemeti 1000 MPa'yı aşar). İşleme sırasında, bir iş sertleşmiş tabaka oluşturma eğilimindedirler (sertlik 2-3 kat artar), bu da sonraki işlemlerde kesme direncini önemli ölçüde artırır. Bu gibi durumlarda, takım aşınması artar, kesme kuvvetleri dalgalanır ve kesme kenarının yontulması daha olası hale gelir.
2.Kötü Isıl İletkenlik ve Yoğunlaşmış Kesme Isısı:
Süper alaşımlar düşük bir ısıl iletkenliğe sahiptir (örneğin, Inconel 718'in ısıl iletkenliği sadece 11,4 W/m·K'dir, çeliğin yaklaşık üçte biri). Kesme ısısı hızla dağıtılamaz ve kesme ucu sıcaklığı 1000°C'yi aşabilir. Bu, takım malzemesinin yumuşamasına (yetersiz kırmızı sertlik nedeniyle) ve difüzyon aşınmasının hızlanmasına neden olur.
3.Şiddetli İş Sertleşmesi:
Malzeme yüzeyi işlendikten sonra sertleşir, bu da takım aşınmasını daha da yoğunlaştırır.
4.Yüksek Tokluk ve Talaş Kontrolünde Zorluk:
Süper alaşımların talaşları oldukça toktur ve kolay kırılmaz, genellikle takımın etrafına sarılabilen veya iş parçası yüzeyini çizebilen uzun talaşlar oluşturur. Bu, işleme sürecinin kararlılığını etkiler ve takım aşınmasını artırır.
5.Yüksek Kimyasal Reaktivite:
Nikel bazlı alaşımlar, takım malzemeleri (WC-Co sementit karbürler gibi) ile difüzyon reaksiyonlarına yatkındır ve yapışkan aşınmaya yol açar. Bu, takım yüzey malzemesinin aşınmasına ve hilal şeklinde bir aşınma kraterinin oluşmasına neden olur.
Ⅶ. Parmak Frezelerle Süper Alaşımların Frezelenmesinde Yaygın Sorunlar
1. Şiddetli Takım Aşınması
• Süper alaşımların yüksek sertliği ve mukavemeti, parmak frezenin ön ve yan yüzeylerinin hızlı aşınmasına yol açar.
• Yüksek kesme sıcaklıkları, takımda termal yorulma çatlaklarına, plastik deformasyona ve difüzyon aşınmasına neden olabilir.
2.Aşırı Kesme Sıcaklığı
• Süper alaşımların kötü ısıl iletkenliği, kesme sırasında oluşan büyük miktarda ısının zamanında dağıtılamaması anlamına gelir.
• Bu, takımın yerel olarak aşırı ısınmasına yol açar, bu da ciddi durumlarda takımın yanmasına veya yontulmasına neden olabilir.
3.Şiddetli İş Sertleşmesi
• Süper alaşımlar, işleme sırasında iş sertleşmesine yatkındır ve yüzey sertliği hızla artar.
• Bir sonraki kesme geçişi daha sert bir yüzeyle karşılaşır, bu da takım aşınmasını artırır ve kesme kuvvetlerini yükseltir.
4.Yüksek Kesme Kuvvetleri ve Şiddetli Titreşim
• Malzemenin yüksek mukavemeti, büyük kesme kuvvetleri ile sonuçlanır.
• Takım yapısı uygun şekilde tasarlanmamışsa veya takım güvenli bir şekilde sıkıştırılmamışsa, işleme titreşimlerine ve gevezeliğe yol açabilir, bu da takım hasarına veya kötü yüzey finişine neden olur.
5.Takım Yapışması ve Birikmiş Kenar
• Yüksek sıcaklıklarda, malzeme takımın kesme kenarına yapışma eğilimindedir ve bir birikmiş kenar oluşturur.
• Bu, kararsız kesmeye, iş parçasında yüzey çiziklerine veya hatalı boyutlara neden olabilir.
6.Kötü İşlenmiş Yüzey Kalitesi
• Yaygın yüzey kusurları arasında çapaklar, çizikler, yüzey sert noktaları ve ısıdan etkilenen bölgede renk bozulması bulunur.
• Yüksek yüzey pürüzlülüğü, parçanın hizmet ömrünü etkileyebilir.
7.Kısa Takım Ömrü ve Yüksek İşleme Maliyetleri
• Yukarıdaki sorunların birleşik etkisi, alüminyum alaşımı veya düşük karbonlu çelik gibi malzemelerin işlenmesine kıyasla çok daha kısa bir takım ömrü ile sonuçlanır.
• Sık takım değişimi, düşük işleme verimliliği ve yüksek işleme maliyetleri sonuçlardır.8. Çözümler ve Optimizasyon
Ⅷ. Çözüm ve Optimizasyon Önerileri
1.Şiddetli Takım Aşınması İçin Çözümler:
1.1.Üstün aşınma direnci ve enine kopma mukavemeti sunan ultra ince taneli karbür malzeme (Submikron/Ultra ince taneli Karbür) seçin.
*Ultra ince taneli sementit karbür, mükemmel aşınma direnci ve yüksek sertliği nedeniyle kalıplarda, kesici takımlarda, hassas işlemede, elektronik bileşenlerde ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Tipik WC tanecik boyutu yaklaşık 0,2 ila 0,6 μm arasında değişir. Farklı ülkelerden ve markalardan gelen standartlara göre, yaygın olarak kullanılan ultra ince taneli sementit karbür kaliteleri aşağıdaki gibidir:
A.Çin Ortak Ultra İnce Taneli Sementit Karbür Kaliteleri (örneğin XTC, Zhuzhou Sementit Karbür, Jiangxi Nadir Toprak, Meirgute, vb.)
Kalite
Tanecik Boyutu (μm)
Co İçeriği (%)
Özellikler ve Uygulamalar
YG6X
0.6
6.0
Yüksek hassasiyetli ve yüksek sertlikli uygulamalar için uygundur; sert malzemelerin finisajı için idealdir.
YG8X
0.6
8.0
YG6X'ten biraz daha iyi eğilme mukavemeti ve tokluk; freze kesiciler ve matkaplar gibi takımlar için uygundur.
YG10X
0.6
10.0
Mükemmel genel performans; hem aşınma direnci hem de tokluk gerektiren uygulamalar için uygundur.
ZK10UF
~0.5
10.0
Zhuzhou karbür kalitesi, mikro matkaplar, PCB matkapları ve diğer hassas takımlar için kullanılır.
TF08
0.5
8.0
Meirgute ultra ince kalite, titanyum alaşımlarını ve işlenmesi zor metalleri işlemek için uygundur.
WF25
0.5
12.0
Titanyum alaşımlarını ve paslanmaz çeliği işlemek için özel olarak optimize edilmiştir, güçlü yontma direncine sahiptir.
B.Alman Kaliteleri (örneğin CERATIZIT, H.C. Starck, vb.)
Kalite
Tanecik Boyutu (μm)
Co İçeriği (%)
Özellikler ve Uygulamalar
CTU08A
0.4
8.0
Ultra yüksek sertlik, yüksek hızlı hassas işleme için uygundur.
K40UF
0.5
10.0
Yüksek aşınma direnci; kuru kesme ve alüminyum işleme için idealdir.
S10
0.5
10.0
Sert malzemeler ve seramik işleme için uygundur.
C.Japon Kaliteleri (örneğin Mitsubishi, Sumitomo, Toshiba, vb.)
Kalite
Tanecik Boyutu (μm)
Co İçeriği (%)
Özellikler ve Uygulamalar
UF10
0.4-0.6
10.0
Sumitomo'nun yaygın olarak kullanılan ultra ince kalitesi, hassas parmak frezeler için uygundur.
TF20
0.5
12.0
Mitsubishi'nin yüksek tokluklu ultra ince kalitesi, işlenmesi zor malzemelerin frezelenmesi için kullanılır.
SF10
0.5
10.0
Küçük çaplı matkaplar, PCB takımları vb. için kullanılır.
D. ABD Kaliteleri(Kennametal、Carbide USA)
Kalite
Tanecik Boyutu (μm)
Co İçeriği (%)
Özellikler ve Uygulamalar
K313
0.4
6.0
Yüksek sertlik, düşük Co içeriği, sert malzeme işleme için uygundur.
KD10F
0.6
10.0
Mükemmel aşınma direncine sahip genel amaçlı ultra ince kalite.
GU10F
0.4-0.5
10.0
Yüksek yüzey kalitesi gerektiren uygulamalarda kullanılır.
1.2. Kenar mukavemetini artırmak için, tırmık açısını azaltmak ve orta derecede bir boşluk açısı korumak gibi takım geometrisini optimize edin.
1.3. Yontulmayı ve mikro çatlakların yayılmasını önlemek için kenar honlama yapın.
2.Aşırı Kesme Sıcaklığı İçin Çözümler:
2.1 800–1000°C kesme sıcaklıklarına dayanabilen AlTiN, SiAlN veya nACo gibi yüksek performanslı ısıya dayanıklı kaplamalar kullanın.
2.2 Kesme ısısını derhal gidermek için yüksek basınçlı soğutma sistemleri (HPC) veya minimum miktarda yağlama (MQL) uygulayın.
2.3 Isı oluşumunu en aza indirmek için kesme hızını (Vc) azaltın.
3.Şiddetli İş Sertleşmesi İçin Çözümler:
3.1 Takımın iş sertleşmiş tabakada kalma süresini azaltmak için diş başına ilerlemeyi (fz) artırın.
3.2 Sertleşmiş tabakayı kademeli olarak çıkarmak için daha küçük kesme derinlikleri (ap) ve çoklu geçişler seçin.
3.3 Sertleşmiş tabakadan donuk bir kenarla kesmeyi önlemek için takımı keskin tutun.
4.Yüksek Kesme Kuvvetleri ve Şiddetli Titreşim İçin Çözümler:
4.1 Rezonansı azaltmak için değişken helis ve değişken adım takımları (eşitsiz aralık) kullanın.
4.2 Rijitliği artırmak için takım çıkıntı uzunluğunu en aza indirin (L/D oranını