Yavaş ısıtma-soğutma hızının ve termomekanik işlemlerin NiTiHf alaşımlarının şekil hafıza davranışları üzerine etkisinin incelenmesi

Şekil hafızalı alaşımlar (ŞHA'lar) martensitik dönüşüm sayesinde şekillerini geri kazanma gibi olağanüstü bir yeteneğe sahiptir. Bu yetenek ile yüke karşı iş yapabildikleri için, ŞHA'lar birçok uygulamada aktüatör olarak kullanılabilirler. Martensitik dönüşüm, süperelastisite ve şekil hafıza etkisi olarak adlandırılan iki ana etkinin gözlemlenmesine yol açar. Süperleastisite, ŞHA yüksek sıcaklık fazında iken gerçekleşir. Uygulanan yük ile yüksek sıcaklık fazı martensit faza dönüşür ve martensitin yeniden oryantasyonu ve ikizlenmenin bozulması yoluyla uzama gerçekleştirir. Yükün ortadan kaldırılması ile martensit yüksek sıcaklık fazına geri döner ve yüksek sıcaklık fazındaki şeklini geri hatırlar. Şekil hafıza etkisi ise alaşımın Af (östenit bitiş) sıcaklığının üzerine ısıtılması ve Mf (martenzit bitiş) sıcaklığının altına soğutulması ile vuku bulur. Nikel-Titanyum bazlı şekil hafıza alaşımları mükemmel şekil hafıza özellikleri sebebiyle en popüler ŞHA'lardır, ancak dönüşüm sıcaklıkları 100-120 ˚C ile sınırlıdır. Nikel içeriği atomik olarak %50'nin üzerine çıktıkça dönüşüm sıcaklıkları düşüş gösterir, bu sebeple daha yüksek sıcaklıklardaki birçok uygulama için bu alaşımların dönüşüm sıcaklıklarının arttırılması gerekmektedir. Hf elementinin eklenmesi, alaşımı etkili bir şekilde güçlendirdiği gibi bahsi geçen dönüşüm sıcaklıklarını da arttırır. Ancak yüksek sıcaklıklarda malzemenin gösterdiği yumuşama sebebiyle ŞHA'ların döngüsel kararlılığı azalır bu sebeple yüksek sıcaklıklarda şekil hafıza davranışı hakkında bilgi sahibi olmak önem arz etmektedir. Tezin ilk bölümünde, ısıtma/soğutma hızının şekil hafıza özellikleri üzerindeki etkisini araştırmak için Ni50Ti30Hf20 (at. %) şekil hafızalı alaşım kullanılmıştır. Sophisticated Alloys Inc. şirketinden temin edilen malzeme, yüksek saflıkta Ni, Ti ve Hf elementleri kullanılarak vakum indüksiyon ergitme yoluyla üretilmiştir. Ergitme işlemi yüksek saflıkta Argon atmosferi altında gerçekleştirilmiştir. Malzeme, yumuşak çelik ile kaplandıktan sonra 4:1 oranında alan küçültecek şekilde ekstrüzyon işlemine tabii tutulmuştur. Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) deneyleri eş atomlu Ni50Ti30Hf20 şekil hafızalı alaşım üzerinde ısıtma/soğutma hızının etkisini ortaya çıkarmak için ekstrüde edilmiş numuneler kullanılarak Perkin Elmer Diferansiyel Taramalı Kalorimetre 800 ile gerçekleştirilmiştir. DSC deneylerine ek olarak izobarik ısıtma/soğutma deneyleri, DSC deneylerinde kullanılan hız ile aynı olacak şekilde farklı ısıtma/soğutma hızları kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu şekilde farklı ısıtma/soğutma hızlarının şekil hafıza etkisi (ŞHE) üzerindeki etkileri incelenmiştir. DSC deneyleri ile termal kararlılık incelenirken izobarik deneyler ile mekanik kararlılık incelenmiştir. Gerilmesiz DSC deneyleri, tarama hızı arttıkça dönüşüm entalpisi artarken dönüşüm sıcaklıklarının farklı ısıtma/soğutma hızlarından etkilenmediğini göstermiştir. 200 MPa altında yapılan izobarik deneyler ise farklı ısıtma/soğutma hızlarında dönüşüm hacmi ve dönüşüm sıcaklıkları gibi şekil hafıza özellikleri açısından çeşitlilik göstermemiştir. Tezin ikinci bölümünde, eş atomlu Ni50Ti25Hf25 at. % şekil hafızalı alaşımı kullanmış ve alaşım üzerinde çevrimsel kararlılık ve şekil hafıza özellikleri incelenmiştir. Malzeme yukarıdaki ile aynı prosedür ile üretilmiş ve temin edilmiştir. Ekstrüzyon işlemine ek olarak malzeme 1050 °C'de 2 saat homojenleştirme ısıl işlemine tabi tutulmuştur. NiTiHf alaşımları, yüksek Hf içeriği ile çok yüksek sıcaklıklardaki (600 °C'ye kadar) uygulamalar için harika bir aday olarak kabul edilmiştir. Alaşımın yüksüz dönüşüm davranışını karakterize etmek için DSC çalışmaları yapılmıştır. Dönüşüm özellikleri belirlendikten sonra, Ni50Ti25Hf25 at. % alaşımının şekil hafıza davranışını araştırmak için homojenize edilmiş numune üzerinde önceden belirlenmiş yük altında fonksiyonel yorulma deneyleri yapılmıştır. Plastik deformasyon yöntemlerinin ŞHA'ların şekil hafıza özelliklerini iyileştirmede etkili bir yol olduğu bilinmektedir. Homojenize edilmiş numuneye %5 kalınlık azaltılacak şekilde soğuk haddeleme uygulanmıştır, ardından soğuk haddelenmiş numune, ŞHE davranışını iyileştirmek için 500 °C'de 30 dakika tavlama ısıl işlemine tabi tutulmuştur. Sıcak haddeleme çalışması da soğuk haddeleme işleminde olduğu gibi %5 kalınlık azalmasıyla 500 °C'de gerçekleştirilmiştir. Deneylerden geri kazanılabilir gerinim, dönüşüm sıcaklıkları, histerezis, geri döndürülemez gerinim değerleri elde edilmiştir. Ni50Ti25Hf25 at. % şekil hafızalı alaşımının çevrimsel kararlılığı araştırılmıştır. Çalışma sıcaklıkları çok yüksek olmasına rağmen hem soğuk hem de sıcak haddeleme işlemleri ile çevrimsel kararlılık arttırılmıştır.