Sıcak ekstrüzyon, tavlama ve sıcak haddelemenin nitihf yüksek sıcaklık şekil hafızalı alaşımların fonksiyonel yorulma davranışları üzerindeki etkisi

Yüksek sıcaklık şekil hafızalı alaşımlar (YSŞHA'lar) havacılık, otomotiv ve petrol sanayisinde yüksek sıcaklık aktüatörü olarak geniş kapsamlı uygulamalara sahiptir. NiTiHf YSŞHA'lar uygun fiyatlı olmasından, çok yüksek dönüşüm sıcaklıklarına sahip olmasından ve yüksek iş çıktısı gösterme kabiliyetlerinden dolayı diğer YSŞHA'lara kıyasla kullanım potansiyelleri en fazla olan alaşımlardır. Alaşımın yüksek sıcaklıklara maruz kalma süresi termomekanik çevrimin ısıtma-soğutma hızı tarafından belirlendiği için, bu hızın artan termal çevrim sayısı ile fonksiyonel yorulma ömrü ve şekil hafıza özelliklerine etkisinin açıklanması bu özelliklerin geliştirilmesine bir çözüm sunulması için çok önemlidir. Metal alaşımlarının dayanımı azalacağı ve faz dönüşümü sırasında dislokasyon oluşumu kolaylaşacağı için yüksek sıcaklıklarda geçirilen süre daha yüksek kalıcı şekil değişimi görülmesine öncülük edebilir. Düşük sıcaklık ve yüksek sıcaklık fazları arasındaki kafes uyuşmazlığından ve faz dönüşümüyle endüklenmiş dislokasyonlardan kaynaklanan dönüşüm sıcaklıklarının değişimi, thermal histerezis, aktivasyon ve birikimli geri kazanılamayan gerinimlerin artması veya azalması gibi şekil hafıza özelliklerinin çevrim kararsızlığı üstesinden gelinmesi gereken önemli bir sorundur. Bu alaşımların dayanımının arttırılması için uygulanan çökelimli ve deformasyonla dayanım arttırma işlemlerinin yanı sıra, deforme edilmesi zor malzemeler olarak bilindikleri ve bu alaşımlarda çökelti oluşumu mümkün olmadığı için orta sıcaklık haddeleme işlemi eşit atomlu NiTiHf alaşımlardaki bir diğer olası termomekanik proses metodudur. Yukarıda sunulan bu bilgiler göz önüne alınarak, bu çalışmanın amaçları, kırılmaya kadarki aktivasyon yorulma özelliklerinin ve termal çevrim boyunca ısıtma-soğutma hızının aktivasyon/fonksiyonel yorulma ömrüne ve artan çevrim sayısı ile şekil hafıza özelliklerine etkisinin karakterize edilmesi olarak özetlenebilir. Ayrıca, eşit atomlu Ni50Ti30Hf20 (at.%) YSŞHA'lar için kayma için kritik kayma gerilmesi arttırılarak ve stress altındaki faz dönüşümü sırasındaki kalıcı deformasyon azaltılarak bu alaşımın çevrim kararlılığının arttırılması da bu çalışmanın arzu edilen amaçları arasındadır. Bu çalışmada, sıcak ekstrüde malzemenin aktivasyon yorulma davranışları, tavlama ısıl işleminin ve farklı sıcaklıklardaki sıcak haddelemenin eşit atomlu Ni50Ti30Hf20 (at.%) YSŞHA'ların termal çevrim kararlılığı ve fonsiyonel yorulma özellikleri üzerindeki etkileri gösterildi. İlk olarak, sıcak ektrüde çubuktan rastgele seçilmiş numunelerde 5, 10, 15, 20 and 25°C/sn gibi farklı ısıtma-soğutma hızlarında sabit gerilim altında termal çevrimler gerşekleştirildi. Sadece farklı hızlarda değil aynı hızlarda da şekil hafıza özelliklerinde ve yorulma ömürlerinde farklılık sergiledi. Örnek olarak, 200 MPa sabit gerilim seviyesi altında aynı en yüksek çevrim sıcaklığına ısıtılarak 15°C/sn hız ile test edilen numuneler 580, 754 ve 1738 termal yorulma çevrimleri gösterdi. Isıtma-soğutma çevrimleri sırasında test numunesinin ölçüm açıklığı boyunca sıcaklık dağılımı analiz edildi ve farklı hızlar için hemen hemen aynı sıcaklık gradyanı gözlemlendi. Şekil hafıza özelliklerindeki farklılığın sebebini araştırmak için, sıcak ekstrüze çubukğun işlem görmemiş bir diğer parçasından kesit alanı boyunca altı yorulma test numunesi kesildi ve ileriki yorulma testleri için numaralandırıldı. Ek olarak, test standardizasyonu için mikro yüzey çatlaklarının ve yüzey pürüzlülüğünün azaltılması için numaralandırılmış numunelerin ölçüm açıklığı boyuncaki kenarları zımparalandı. Kenarları zımparalanmış ve numaralandırılmış tüm numunelerin fonksiyonel yorulma testlerinde ortalama hız olarak 15°C/sn ısıtma-soğutma hızı uygulandı. Kenar zımparalamadan sonra sıcak ekstrüze edilmiş numuneler için aktivasyon yorulma ömrü yaklaşık 8500 termal çevrime arttırılmasına rağmen, hala şekil hafıza davranışlarındaki farklılık gözlemlendi. Bu farklı davranış sıcak ekstrüzyon işlemi tarafından indüklenen mikro yapısal faklılık ve deformasyon varyasyonuna dayandırıldı. Deformasyon varyasyon sorununun ortadan kaldırılması için sıcak ekstrüze edilmiş kaba malzemenin farklı bölgelerinden elde edilen numunelere 550°C'de 3 saat tavlama ısıl işlemi uygulandı. Tavlama işlemi ile iç gerilimin düşürülmesi ve mikro yapısal farklılığın ortadan kaldırılmasından dolayı her iki tavlanmış numune için benzer dönüşüm sıcaklıkları, termal histerezis, aktivasyon ve geri kazanılamayan gerinim değerleri gözlemlendi. Daha da önemlisi, sabit dönüşüm sıcaklıkları ölçüldü ve aktivasyon yorulma ömrü yaklaşık 12000 çevrime ulaştı. Termal çevrim kararlılığını arttırmak için, sıcak ektrüde edimiş-tavlanmış alaşıma 600°C'de ve 700°C'de %5 kalınlık azalması ile sıcak haddeleme uygulandı. 600°C sıcak haddeleme işlemi ile artan çevrim sayısındaki tüm şekil hafıza özelliklerinin kararlılığı hemen hemen elde edildi ama haddeleme işlemi sırasında indüklenen olası mikro çatlak yapılarından dolayı tavlanmış numunelere kıyasla her iki sıcak haddelenmiş numune için de daha az yorulma ömrü elde edildi.