2.400 Dereceye Dayanıklı Metal. NASA’nın Yarım Bıraktığı İşi Tamamladılar

Günümüzün jet motorları, nikel süper alaşımları sayesinde etkileyici performanslar sergiliyor. Bunlar özel malzemeler; ancak kanatların kendisinde kullanılan metal, uzun süreli kullanımda yaklaşık 1 100 °C’ye kadar dayanabilir. Daha yüksek sıcaklıklarda metal, yalnızca soğutma ve çok daha yüksek sıcaklıklara dayanabilen seramik kaplamalar sayesinde ayakta kalabilir. 

Ancak seramik malzemelerin başka bir sorunu vardır: kırılgandırlar, haddelenemezler, kaynaklanamazlar ve çekme gerilimine güvenilir bir şekilde maruz bırakılamazlar. Dolayısıyla metalleri tam olarak ikame edemezler. Bu nedenle, 2 000 °C’ye varan sıcaklıklara dayanacak parçaların üretimi için tasarımcıların elinde uygun bir şekillendirilebilir metal bulunmuyordu. 

Şimdi, Xi’an Üniversitesi’nden bir ekip,  Nature dergisinde yayınlanan bir çalışma ile bu alana adım attı. Bu arada, çalışmanın başyazarı, dünyanın en çok atıf alan malzeme bilimcilerinden biri olan En Mar; Xi’an’a geçmeden önce uzun yıllar boyunca ABD’deki Johns Hopkins Üniversitesi’nde profesör olarak görev yapmış. 

Bu tür geri dönüşler, uzun süredir devam eden bir eğilimin örneği; bu eğilim, Çin’i  bilimsel bir süper güç haline getiren faktörlerden biri. ABD’de 70’li yılların uzay reaktörleriyle birlikte finansmanını yitiren bu alan, bugün Çin’deki bir ekip tarafından ileriye taşınıyor; bu da kısmen Amerikan sisteminden edinilen deneyimler sayesinde oluyor.

“Yaklaşık 2.000 °C’lik sıcaklıklara dayanabilecek parçaların üretimi için, tasarımcıların elinde bugüne kadar uygun bir şekillendirilebilir metal yoktu. Xi’an Üniversitesi’nden gelen yeni tantal alaşımı bu sınırı zorluyor.”

Oksijen hırsızı 

Ancak asıl malzemeye geri dönelim. Yüzde 12 tungsten ve yüzde 1 renyum içeren Sian tantal alaşımı, 2.000 °C'de yaklaşık 200 megapaskal ve 2.400 °C'de yaklaşık 100 megapaskal akma sınırını (metalin kalıcı olarak deforme olmaya başladığı gerilim) korur. Bu, bu malzemeden yapılmış 1 milimetre kare kesitli ince bir telin, 2.400 °C’de bile 10 kilogramlık bir ağırlığı taşıyabileceği anlamına gelir. 

Oysa bu malzeme işlenmeye elverişlidir: oda sıcaklığında kopmadan önce yüzde 35 oranında uzar. Ayrıca 2 milimetre kalınlığında sac haline getirilebilir; bu da gerçek parçaların üretimi için ısı dayanımı kadar önemli.

Başarının anahtarı, sadece yüzde 0,4 oranında bulunan küçük bir hafniyum diborür katkı maddesi (bor, hafniyum ve diğer elementlerin birleşiminden oluşan ve bu bağlamda tam yapısı önemli olmayan bir bileşik). Bu küçük katkı maddesi bir nevi ‘toplayıcı’ görevi görür; zira hafniyum, çevresindeki tüm serbest oksijen atomlarını kendine çeker. Bu element, ısıya dayanıklı metallerde her zaman bir kirlilik olarak bulunur, ancak burada yararlı bir rol oynar. 

Bor ve oksijen arasındaki karşılıklı çekim o kadar güçlü ki, bor hafniumu ‘terk eder’ ve oksijenle birlikte, metal tanelerinin içinde eşit bir şekilde dağılmış, çapı yaklaşık 50 nanometre olan küçük nanopartiküller oluşturur. Bu parçacıklar daha sonra, hareketleri metalin deforme olmasına neden olan kristal kafes kusurlarının hareketini yavaşlatır. 

Terk edilmiş bor, ‘eski partnerini’ tam olarak unutamıyor ve söz konusu nanoparçacıkların yüzeyini ‘kaplıyor’. Sonuç olarak, parçacıkları dış etkenlere karşı koruyan bir tür koruyucu tabaka görevi görüyor. Bu sayede nanoparçacıklar, 2.400 °C’de birkaç on dakika boyunca orijinal özelliklerini korurlar. Bu da alaşımın mukavemetinin bu süre zarfında önemli ölçüde değişmeyeceği anlamına gelir. Üstelik bu nanoparçacıklar, tüm malzemenin hacminin yüzde 0,6’sını oluşturuyordu.

Bu tür sert seramik parçacıkların varlığı genellikle olumsuz etkiler de yaratır: metalin mukavemetini artırsa da aynı zamanda onu daha kırılgan hale getirir. Parçacıklar ile geri kalan malzeme arasındaki arayüzde gerilim birikir ve burada çatlaklar oluşur. Ancak burada nanopartiküller, büyük bir yük altında çevreleyen metalle birlikte deforme olur; elektron mikroskobu, bu nanopartiküllerde kristalin bir kısmının ayna simetrisi konumuna yeniden düzenlendiğini ve kristal yapısında bir değişiklik olduğunu tespit etmiş. Bu sayede malzeme, kırılmadan önemli ölçüde ‘gerilebiliyor’. 

“Bu malzeme şimdilik uçaklara ya da roketlere yönelik değil. Ancak oksidasyona karşı korunması sorunu çözülebilirse, bir gün bileşenlerin fiziksel sınırların en uç noktasında çalıştığı alanlarda kullanıma girebilir.”

60 yıl sonra geri dönüş

Tantal alaşımları yeni bir fikir değildir. 1960 ile 1972 yılları arasında,  NASA’nın himayesinde Westinghouse Astronuclear laboratuvarı, yörüngedeki nükleer reaktörler için bu malzemeleri geliştirmiş;  T‑111 ve ASTAR‑811C malzemeleri kaynaklanabilir ve şekillendirilebilirdi, ancak bu malzemeleri güçlendiren karbür parçacıkları aşırı ısıda eriyip ‘kaba’ bir yapıya bürünüyordu. Bu ve diğer benzer malzemelerin mukavemeti, en iyi durumda 1900 °C’de 100 megapaskalın altına düşer; dolayısıyla Çin alaşımı bu sınırı yaklaşık 500 derece yukarıya kaydırdı.

Ancak bu malzemenin belirgin sınırlamaları var ve ne yazık ki yakın gelecekte onu uçak motorlarında veya başka motorlarda görebileceğimizi bekleyemeyiz. Bunun bir nedeni, tüm yüksek sıcaklık testlerinin argon ortamında gerçekleştirilmiş olması; tantal, havada yaklaşık 600 °C'nin üzerinde oksitlenmeye başlar ve 2 400 °C'de  koruyucu kaplama olmadan yanar. Tantal ayrıca nikel süper alaşımlarından yaklaşık iki kat daha ağır ve saflığına bağlı olarak kilogramı 500 dolar'dan fazla tutar, bu nedenle kitlesel kullanımdan söz etmek pek mümkün değil. 

Yazarlar, yeni alaşımdan üretilen parçaların ömrünün nispeten kısa olacağını öngörüyorlar. Binlerce saat dayanması gereken uçak türbinleri için bu yeterli değil. Ancak bir roket nozulu ya da hipersonik uçağın ön kenarı sadece birkaç dakika boyunca tam kapasiteyle çalışır.

Bu yeni metalin bir gün gerçek bir motorda kullanılıp kullanılmayacağı, oksidasyon önleyici kaplamaların geliştirilmesine, fiyatına ve yıllarca sürecek testlere bağlı; orijinal Amerikan programında, formülün geliştirilmesinden sertifikalı sac levhaların üretilmesine kadar geçen süre on yıldan fazla sürmüştü. Bununla birlikte, malzeme haritasındaki boşluklardan biri daha ortadan kalktı ve fiziksel sınırların sınırında çalışan makinelerin tasarımcıları, şimdiye kadar hiçbir işlenebilir metalin sunamadığı özelliklere sahip yeni bir malzemeye kavuştu.

Bu makale ilk olarak WIRED Czech Republic & Slovakia sitesinde yayınlanmış ve Mahmut Karslıoğlu tarafından Çekçe’den çevrilmiştir.