Modern havacılık dünyasında jet motorlarının verimliliği, ulaşabildikleri yanma sıcaklıkları ile doğrudan ilişkilidir. Bir jet motorunun türbin bölümü, volkanik lavlardan daha sıcak ortamlarda, muazzam santrifüj kuvvetleri altında çalışmak zorundadır. Peki, metaller erime noktalarına yaklaşan bu sıcaklıklarda nasıl formunu koruyabiliyor? Cevap, metalurji mühendisliğinin en sofistike süreçlerinden birinde gizli: Tek Kristal (Single Crystal) Döküm Teknolojisi.
Bu yazımızda, jet motoru türbin kanatçıklarının üretiminde kullanılan tek kristal döküm yöntemini, avantajlarını ve üretim zorluklarını inceliyoruz.
Geleneksel döküm yöntemleriyle üretilen metaller, mikroskobik düzeyde incelendiğinde "tane" (grain) adı verilen çok sayıda kristalden oluşur. Bu yapıya Polikristalin yapı denir. Her bir tanenin birleştiği noktalara ise tane sınırları (grain boundaries) adı verilir.
Normal koşullarda sorun yaratmayan bu sınırlar, yüksek sıcaklık ve yüksek basınç altında malzemenin en zayıf halkası haline gelir. Motor çalıştığında şu sorunlar oluşur:
Sünme (Creep): Tane sınırları yüksek ısıda kaymaya başlar ve kanatçığın uzamasına neden olur.
Korozyon ve Oksidasyon: Tane sınırları, kimyasal bozulmaya karşı daha savunmasızdır.
Termal Yorgunluk: Isınma ve soğuma döngüleri tane sınırlarında çatlaklara yol açar.
Mühendisler bu sorunu çözmek için radikal bir yöntem geliştirdiler: Tane sınırlarını tamamen ortadan kaldırmak. Yani, tüm kanatçığı tek bir dev molekül gibi, tek bir kristalden üretmek.
Tek kristal kanatçık üretimi, standart hassas döküm (investment casting) yönteminin çok daha ileri bir versiyonudur. Süreç şu adımları içerir:
Öncelikle kanatçığın birebir mum modeli üretilir ve üzerine özel seramik katmanlar kaplanarak kalıp oluşturulur. Mum eritilip dışarı atıldığında geriye boş bir seramik kabuk kalır.
İşin sırrı buradadır. Kalıbın en altına, domuz kuyruğuna benzeyen spiral şeklinde dar bir geçiş yolu (helezon) eklenir. Erimiş metal kalıba döküldüğünde katılaşma en alttan başlar.
Nikel bazlı süper alaşım, vakum ortamında eritilerek kalıba dökülür. Vakum, metalin hava ile temas edip oksitlenmesini engeller.
Kalıp, sıcak bölgeden soğuk bölgeye doğru çok yavaş ve hassas bir hızla çekilir. Katılaşma başladığında, spiral geçiş yoluna giren kristallerden sadece yönelimi dikey eksene en uygun olan bir tanesi hayatta kalır ve yukarı doğru büyümeye devam eder. Bu tek kristal, tüm kanatçık kalıbını doldurarak katılaşır. Sonuçta, tane sınırı olmayan, atomik dizilimi mükemmel bir yapı ortaya çıkar.
Bu süreçte sıradan çelik veya alüminyum kullanılmaz. Genellikle Nikel (Ni) bazlı, içerisine Kobalt, Krom, Rhenium, Tungsten ve Tantal gibi elementlerin eklendiği "Süper Alaşımlar" kullanılır. Özellikle Rhenium, malzemenin yüksek sıcaklık dayanımını (sünme direncini) artıran en kritik ve pahalı elementlerden biridir.
Yüksek Sünme (Creep) Direnci: Tane sınırları olmadığı için kanatçıklar yüksek devirlerde uzama yapmaz.
Daha Yüksek Çalışma Sıcaklığı: Motorun daha sıcak çalışmasına izin vererek yakıt verimliliğini ve itki gücünü artırır.
Uzun Ömür: Termal yorgunluğa karşı direnç sayesinde parça değişim süreleri uzar.
İnce Duvarlı Yapılar: Karmaşık soğutma kanallarına sahip, içi boş kanatçıkların üretilmesine olanak tanır.
Tek kristal kanatçık dökümü, bir metal parçasını üretmekten çok, atomları sıraya dizme sanatıdır. Bu teknoloji sayesinde modern yolcu uçakları daha az yakıtla daha uzun mesafeler uçabilirken, savaş uçakları çok daha yüksek manevra kabiliyetlerine ulaşabilmektedir. Türkiye'nin de savunma sanayiinde yerlileştirmeye odaklandığı bu teknoloji, geleceğin motorlarının temel taşı olmaya devam edecek.
