Mühendislikte genellikle hafiflik aranır; ancak bazı durumlarda “ağırlık” ve “yoğunluk” en büyük avantajdır. Bir füze başlığının dengelenmesi, bir tank zırhının delinmesi veya bir nükleer tıbbi cihazın radyasyon sızdırmazlığı söz konusu olduğunda, akla gelen ilk element Tungsten’dir.
Ancak saf Tungsten gevrektir ve şekillendirilmesi zordur. İşte bu noktada malzeme bilimi devreye girer ve Tungsten’i sünek metallerle (Nikel, Demir, Bakır) birleştirerek Tungsten Esaslı Metal Matris Kompozitlerini (W-MMCs) yaratır. Bu yazıda, sanayinin “Ağır Abileri” olarak bilinen bu kompozitlerin teknik dünyasına iniyoruz.
Tungsten Esaslı MMC Nedir? (Mikroyapısal Bakış)
Tungsten esaslı kompozitler, genellikle %90 ile %97 oranında Tungsten (W) içerir. Geriye kalan kısım ise bağlayıcı faz olarak görev yapan Nikel (Ni), Demir (Fe) veya Bakır (Cu) karışımıdır.
Bu malzemeyi mikroskop altında incelediğinizde ilginç bir yapı görürsünüz:
-
Agrega (Sert Faz): Yuvarlaklaşmış saf Tungsten tanecikleri.
-
Matris (Bağlayıcı Faz): Tungsten taneciklerinin yüzdüğü, onları bir arada tutan sünek Nikel alaşımı denizi.
Bu “iki fazlı yapı”, Tungsten’in yüksek yoğunluğunu ve sertliğini korurken, matris metalinin sünekliği sayesinde parçanın çatlamadan işlenebilmesini sağlar.
İki Ana Oyuncu: W-Ni-Fe ve W-Ni-Cu
Endüstride en çok kullanılan iki ana alaşım grubu vardır ve seçiminiz uygulamanın manyetik gereksinimlerine göre değişir.
1. W-Ni-Fe (Tungsten-Nikel-Demir)
-
Özellik: En yaygın kullanılan sınıftır. Mükemmel mukavemet ve süneklik kombinasyonu sunar.
-
Manyetizm: Ferromanyetiktir (Mıknatıslanır).
-
Kullanım Alanı: Savunma sanayii (zırh delici mühimmat), denge ağırlıkları, otomotiv krank milleri.
2. W-Ni-Cu (Tungsten-Nikel-Bakır)
-
Özellik: Demir içermediği için elektriksel iletkenliği biraz daha iyidir ancak mukavemeti W-Ni-Fe’ye göre daha düşüktür.
-
Manyetizm: Manyetik Değildir (Non-Magnetic). Bu en kritik ayırt edici özelliktir.
-
Kullanım Alanı: Pusula gibi manyetik alandan etkilenmemesi gereken havacılık cihazları, MRI cihazı parçaları ve elektronik sensör korumaları.
Üretim Tekniği: Sıvı Faz Sinterlemesi (Liquid Phase Sintering)
Tungsten kompozitleri dökümle üretilmez. Tungstenin erime noktası ($3422^{\circ}C$) ile bağlayıcı metallerin erime noktası ($1455^{\circ}C$ civarı) arasındaki devasa fark, Toz Metalurjisini zorunlu kılar.
-
Karıştırma: W, Ni ve Fe tozları mikron düzeyinde homojen karıştırılır.
-
Presleme: Karışım “Yeşil Gövde” olarak preslenir.
-
Sinterleme: Parça, bağlayıcı fazın (Ni-Fe) eridiği ancak Tungstenin erimediği bir sıcaklıkta ($1460^{\circ}C – 1500^{\circ}C$) sinterlenir.
-
Sihirli An: Eriyen matris, katı Tungsten taneciklerini ıslatır. Kılcal kuvvetler sayesinde parçacıklar birbirine çekilir ve parça %100’e yakın yoğunluğa ulaşır. Bu sırada Tungsten tanecikleri “Ostwald Olgunlaşması” ile büyür ve küreselleşir.
-
Stratejik Uygulama Alanları
A. Savunma Sanayii (Kinetik Enerji Delicileri)
Zırh delici tank mühimmatlarında (APFSDS), merminin (penetrator) yoğunluğu ne kadar yüksekse, zırha aktardığı kinetik enerji o kadar büyük olur. W-Ni-Fe alaşımları, tükenmiş uranyuma (DU) çevre dostu bir alternatif olarak kullanılır. Çarptığı anda “Self-Sharpening” (Kendi kendini bileme) özelliği gösterecek şekilde tasarlanırlar.
B. Radyasyon Zırhlama (Nükleer ve Medikal)
Tungsten, Kurşun’dan (Pb) %60 daha yoğundur. Bu, aynı radyasyon korumasını sağlamak için çok daha ince bir malzemenin yeterli olması demektir.
-
Avantaj: Kurşun toksiktir ve yumuşaktır. Tungsten kompozitleri ise toksik değildir, çevre dostudur ve yapısal parça olarak kullanılacak kadar sağlamdır (Kolimatörler, izotop kapları).
C. Havacılık ve Titreşim Sönümleme
Uçak kanatlarındaki flapların, helikopter pallerinin dengelenmesinde kompakt ağırlıklar gerekir. Ayrıca CNC tezgahlarında kullanılan “Boring Bar” (Delik işleme barası) takımlarında titreşimi emmek (chatter reduction) için Tungsten şaftlar kullanılır.
Teknik Özellikler Tablosu
| Özellik | Saf Tungsten | W-Ni-Fe Kompozit | Çelik (4340) |
| Yoğunluk ($g/cm^3$) | 19.3 | 17.0 – 18.5 | 7.85 |
| Çekme Dayanımı (MPa) | 550 (Gevrek) | 600 – 1000 | 800 – 1500 |
| Uzama (%) | ~0 | 10 – 30 | 10 – 20 |
| İşlenebilirlik | Çok Zor | İyi (Tornalanabilir) | İyi |
Sonuç
Tungsten Esaslı Metal Matris Kompozitleri, malzemenin sınırlarını zorlayan bir mühendislik çözümüdür. Eğer projenizde küçük hacimde büyük kütle, yüksek radyasyon emilimi veya ekstrem darbe dayanımı gerekiyorsa, çözüm çelik veya kurşun değil, Tungsten Ağır Alaşımlarıdır.
