Nitihf yüksek sıcaklık şekil hafızalı alaşımların aktüasyon döngüleri sırasında çatlak ilerlemesi

Şekil Hafızalı Alaşımlar (ŞHA), mekanik ve/veya termal uyarım yoluyla faz dönüşümünden faydalanarak şekil değişikliklerini geri kazanabilme yeteneklerine sahip özel malzemelerdir. Alaşım belirli bir sıcaklığın üzerine ısıtıldığında yük altında şekil değişikliğinin geri kazanımı sağlanabilmektedir. ŞHA' lar bu şekil değiştirme mekanizmasını kullanarak, yüklere karşı iş üretebilmekte ve bu özelliklerine bağlı olarak çeşitli endüstrilerde aktüatör olarak kullanılabilmektedirler. NiTi alaşımları, ticari uygulamalarda en yaygın kullanılan ŞHA' lardır. Fakat bununla birlikte, 100°C' nin altında sınırlı dönüşüm sıcaklıklarına sahiptirler ve bu durum yüksek sıcaklıklarda aktüatör olarak kullanımlarını kısıtlamaktadır. Daha yüksek dönüşüm sıcaklıklarında kullanım için NiTiHf alaşımları, diğer ŞHA' lar arasında en umut verici olanlardır. Bu alaşımların yüksek çalışma sıcaklıklarında aktüatör tipi uygulamalarda kullanılmasına yönelik artan bir talep vardır. NiTiHf alaşımları, sadece yüksek sıcaklık ŞHA' ları olarak değil, aynı zamanda yüksek mukavemete sahip ŞHA' lar olarak da bilindiğinden, bu talepte uygun adaylar olabilirler. Yüksek sıcaklıklarda nispeten daha iyi mekanik ve şekil hafıza özelliklerine sahip olmalarına rağmen, çalışma sıcaklıklarının artmasıyla dayanımlarının azalması nedeniyle hala termal ve termomekanik döngüsel kararsızlık problemleri bulunmaktadır. Bu nedenle, yorulma ve çatlak büyüme özelliklerini bilmek, kullanımlarındaki güvenilirlik ve sağlamlıklarını göz önünde bulundurarak faydalı olabilir. Bununla birlikte, sabit yük altında aktüasyon çevrimlerindeki yorulma davranışı, çatlakların nasıl davranarak yayıldığı ve ardından kırılmaya neden olduğu konusunda literatürde sınırlı sayıda çalışma bulunmaktadır. Bu nedenle, yüksek sıcaklıklarda çatlak büyüme davranışı ile birlikte aktüasyon yorulma özelliklerinin bilinmesi ve anlaşılması gerekmektedir. Ek olarak, bu malzemeler yüksek sıcaklıklarda çalıştıklarından, sürünme bazlı viskoplastisite, çatlak oluşumu ve ilerlemesi üzerinde bir etkiye sahip olabilir. Bu nedenle, sürünme oluşumu altındaki çatlak büyüme davranışının bilinmesi, bu alaşımların özellikle havacılık endüstrisinde kullanımında yararlı olabilir. Bahsedilen kapsamda, farklı koşullar için yük altında aktüasyon yorulma deneyleri gerçekleştirilmiş, ardından çatlak büyüme davranışı ve aktüasyon yorulma özellikleri incelenmiştir. İlk olarak, sıcak ekstrüde edilmiş Ni50Ti30Hf20 (at.%) numunesi, ön çentiksiz, sabit yük büyüklüğü altında termal döngüye tabi tutulmuştur. Aralıklı döngülerde aktüasyon yorulma davranışı, yüzey çatlak formları ve çatlak büyüme davranışı incelenmiştir. Isıl çevrimler belli sayıda çevrim yapıldıktan sonra durdurulmuş, numune test düzeneğinden alınmış ve Optik Mikroskop (OM) kullanılarak çatlak oluşumları ve çatlak uzunluklarındaki değişimler belirlenmiştir. İkinci olarak, yük altında ısıtma-soğutma çevrimleri sırasında çatlak büyümesini ve aktüasyon yorulma özelliklerini araştırmak için sıcak ekstrüde edilmiş ve önceden çentik açılmış (HE-PN) Ni50Ti30Hf20 (at.%) test numuneleri kullanılmıştır. Bununla birlikte, her numunede birbirine göre farklı tipte çatlak büyümesi ve şekil hafıza özellikleri gözlenmiştir. Üçüncü olarak, daha kararlı çatlak büyümesi ve aktüasyon yorulma özellikleri elde etmek için, sıcak ekstrüde edilmiş, önceden çentik açılmış ve ardından tavlanmış (HE-PN-AN) numuneler, Ni50Ti30Hf20 (at.%) alaşımları ile aktüasyon yorulma testleri altında test edilmiştir. Aktüasyon yorulma testlerinde HE-PN-AN' de HE-PN' ye göre daha yavaş çatlak büyümesi tespit edilmiştir. Ayrıca, tavlanmış numunelerde benzer çatlak büyüme oranları ve daha kararlı aktüasyon yorulma performansı gözlenmiştir. Buna karşılık, HE-PN numunelerinin çatlak büyüme hızında ve yorulma özelliklerinde farklılıklar görülmüştür. Son olarak, sıcak ekstrüzyon sırasında oluşan gerilmelerin hafifletilmesi ve aynı miktarda enerji ile nispeten daha kolay yeni yüzey oluşumu nedeniyle, tavlanmış numunelerde küçük çatlaklar oluşmuş ve birlikte ilerlemiştir. Ayrıca, üst çevrim sıcaklığı' nın (ÜÇS), uygulanan gerilim büyüklüğü ve Hf içeriği' nin çatlak oluşumu, çatlak büyümesi ve aktüasyon yorulma özellikleri üzerindeki etkisini görmek için 3 farklı numune üzerinde aktüasyon yorulma testleri yapılmıştır. ÜÇS' nın, aktüasyon yorulma testleri yapılırken numunelerin ısıtıldığı sınır sıcaklık değeri olduğuna dikkat etmek gerekmektedir. HE-PN-AN kodlu Ni50Ti30Hf20 (at.%) numuneleri farklı test parametreleri kullanılarak test edilmiştir. HE-PN-AN numunelerinden birisi test edilirken ÜÇS değeri 600°C olarak ayarlanmış ve gerilim 200 MPa gerilme değerinde sabit tutulmuştur. Yukarıda belirtilen bileşime sahip başka bir HE-PN-AN numunesinin ise, ÜÇS değeri 440°C' ye ayarlanmış ve gerilme 300 MPa gerilme değerinde sabit tutulmuştur. Aktüasyon özellikleri, 200 MPa uygulaması ile diğer tavlanmış numuneler üzerinde daha önce yapılan testlerle benzer eğilimlerde görülmüş, ancak gerilme büyüklüğündeki artış, ani kırılma nedeniyle çatlak ilerlemesinin takip edilemediği daha kısa aktüasyon yorulma ömrüne neden olmuştur. Hf içeriğinin NiTiHf alaşımlarının aktüasyon yorulma özelliklerine etkisini görmek için, Ni50Ti25Hf25 (at.%) 200 MPa gerilme altında ve ÜÇS 600°C' ye ayarlanarak test edilmiştir. Bu alaşım daha yüksek Hf içeriğine ve dolayısıyla daha yüksek dönüşüm sıcaklıklarına sahip olduğundan, döngülerdeki tam östenitik dönüşümü gözlemlemek için ÜÇS değeri 600°C olarak sabitlenmiştir. 200 MPa altında ve ÜÇS olarak 600°C 'nin kullanıldığı aktüasyon döngülerinde, Ni50Ti30Hf20 (at.%) aktüasyon gerinim değerlerinin Ni50Ti25Hf25 (at.%) alaşımından daha yüksek olduğu görülmüştür. Daha yüksek ÜÇS, dönüşüm hacmindeki artıştan dolayı daha yüksek aktüasyon gerinimlerine neden olmuş, ancak çentik çevresindeki şiddetli oksidasyon nedeniyle yüksek miktarda yüzey çatlakları oluşmuştur. Yüksek miktarda oksidasyona dayalı çatlak oluşumu ve ilerlemesi, aktüasyon döngüleri boyunca plastik gerinim birikimini de artırmıştır. Aktüatör uygulamalarında önemli parametrelerden biri olan yüksek aktüasyon gerinim değerleri, daha yüksek ÜÇS uygulaması ile elde edilebilse de daha uzun yorulma ömürleri, güvenilir ve kararlı şekil hafızası özellikleri sağlanamamıştır. Son olarak, bu ŞHA' lar aktüasyon yorulma çevrimleri sırasında yüksek sıcaklıklara ısıtıldıklarından, farklı gerilme seviyeleri altında 600°C sıcaklıkta çatlak oluşumu üzerindeki sürünme etkisi incelenmiştir. Ni50Ti30Hf20 (at.%) HE-PN-AN örnekleri 600°C' de 300 MPa, 400 MPa ve 500 MPa gerilmelere yüklenmiş ve sürünme deneyleri kırılmaya kadar sürdürülmüştür. Uygulanan yüksek gerilme büyüklüklerinin ve yüksek ÜÇS' nın yüksek sürünme oranlarına yol açtığı gözlemlenmiştir.