Effect of diffusion annealing on the surface properties of hot dip aluminized Inconel 718 superalloy
Sıcak daldırma yöntemiyle alüminyum kaplanmış Inconel 718 süperalaşımının yüzey özelliklerine difüzyon tavlamasının etkisi
- Tez No: 601308
- Danışmanlar: PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 100
Özet
Nikel esaslı süperalaşımlar mekanik dayanım ve oksidasyon direncinin gerektiği çeşitli yüksek sıcaklık uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Inconel 718 alaşımı niyobyum-modifiye edilmiş nikel esaslı bir süperalaşımdır ve havacılık ve buhar türbinlerinde yüksek sıcaklık parçalarında kullanılmaktadır. Inconel 718 süperalaşımı 649°C'ye kadar üstün mekanik özelliklere sahiptir. Bu yüksek sıcaklık dayanımı, alaşımın yapısında bulunan γ″-Ni3Nb fazı sayesinde elde edilmektedir. Bu 649°C sıcaklığının üzerinde alaşımın dayanımı, γ″ fazının δ fazına dönüşmesinden dolayı hızlı bir şekilde azalmaktadır. Buna ek olarak, malzeme yüzeyinde oluşan Cr2O3 fazının, yüksek sıcaklıklarda uçucu CrO3 fazına dönüşmesi nedeniyle yüzeyden malzeme kaybı yaşanabilmektedir. Bu nedenle, belirli sıcaklığın üzerindeki uygulamalarda Inconel 718 kaplama yapılarak kullanılabilmektedir. Nikel aluminat kaplamaları, sağladıkları yüksek oksidasyon direnci ve kararlı yapıları sebebiyle nikel esaslı süperalaşımlar için en çok tercih edilen kaplamalardan biri olmuştur. Bu kaplamalar, yüksek sıcaklıklardaki operasyon sırasında kaplama yüzeyinde Al2O3 oksit filminin oluşmasına yol açar ve kaplama bu tabakaya alüminyum sağlanması için rezervuar görevi görür. Nikel aluminat kaplamaları parçanın çalışma koşullarına ve uygulamaya göre farklı amaçlar ile kullanılmaktadır. Tek başlarına üst katman (bond coat) şeklinde kullanılmakla birlikte, termal bariyer kaplamalar (TBC) için bağ katmanı (bond coat) olarak da kullanılmaktadır. Difüzyon aluminat kaplamaları içe doğru difüzyon-yüksek aktivite ve dışa doğru difüzyon (yüksek aktivite) prosesleri sonucunda oluşan yapılara göre sınıflandırılmıştır. Alüminyum aktivitesinin nikel aktivitesinden daha yüksek olduğu durumlarda alüminyumun içe doğru difüzyonu gerçekleşir. Bu durumda alüminyumun içe doğru difüzyon hızı, altlık malzemede bulunan nikelin dışa doğru kaplamaya olan difüzyon hızından daha fazladır. Alüminyumun sahip olduğu yüksek aktivite nedeniyle bu prosesin sonunda en dış yüzeyde kırılgan yapıda olan δ-Ni2Al3 oluşur. Nikelin kısmi olarak dışa difüzyonu nedeniyle altlık malzemenin üzerinde β-NiAl oluşabilir. Yapının genelini β-NiAl fazına dönüştürmek için ek bir ısıl işlem uygulanabilir. Belirli sıcaklıklarda uygulanabilecek difüzyon tavlaması ısıl işlemi ile kaplama yapısı değiştirilebilir. Dışa doğru difüzyon, nikel aktivitesinin alüminyum aktivitesinden daha yüksek olduğu durumlarda gerçekleşir. Bu proses genellikle 900-1100°C sıcaklık aralığında olmaktadır ve β-NiAl fazı ek bir ısıl işleme gerek olmadan elde edilebilir. Difüzyon aluminat kaplamaları çeşitli kaplama yöntemleri ile uygulanabilmektedir. Bunlar kutu sementasyonu, paket üstü proses, kimyasal buhar biriktirme ve sıcak daldırma gibi yöntemlerdir. Her proses, uygulanabilirlik, maliyet gibi açılardan çeşitli avantaj ve dezavantajlara sahiptir. Örnek olarak, kimyasal buhar biriktirme yöntemi sayesinde kaplama kalınlığının düzgün kontrolü ve ekstra ısıl işleme ihtiyaç olmaması gibi avantajlar elde edilmektedir fakat bu proses için kaplama hızı diğer proseslere göre yavaştır ve yatırım maliyeti çok daha fazladır. Sıcak daldırma alüminyum kaplama yöntemi diğer proseslere kıyasla kolay uygulanabilirliği, düşük maliyeti ve yüksek kaplama hızları gibi avantajlara sahiptir. Delikli yapılara sahip, küçük kompleks yapıların kaplanması için çok uygun değildir fakat büyük yapıların kaplanmasında daha avantajlıdır. Sıcak daldırma alüminyum kaplama prosesi, kaplanacak altlık malzemenin kendisinden daha düşük ergime sıcaklığına sahip kaplama malzemesinin ergimiş metal banyosuna daldırılarak gerçekleştirilir. Bu proses galvanizleme prosesine benzer bir mekanizmaya sahiptir. Daldırma sırasında, katı metal ve sıvı alüminyum arasında reaksiyonlar meydana gelerek kaplama elde edilir. Bu reaksiyonlar aracalığıyla M(n)Al(m) intermetalik bileşikleri, alüminyum kaplama işleminde ise Ni(n)Al(m) bileşikleri elde edilmektedir. Elde edilecek intermetalik katmanın kalınlığı büyük ölçüde daldırma sıcaklık ve süresine bağlıdır. Kaplanacak malzeme ve alüminyum arasında gerçekleşen reaksiyonlar çok hızlı olduğu için daldırma süresi ve ergimiş alüminyumun sıcaklığı sürekli kontrol edilmelidir. Ergimiş alüminyumun sıcaklığı değiştiğinde, kaplama sıcaklığı da değişeceği için alaşımda bulunan elementlerin ve kaplanacak olan alüminyumun difüzyon katsayılarının değişmesine bağlı olarak kaplama yapısı da önemli ölçüde değişmektedir. Diğer kaplama yöntemlerinde de olduğu gibi, kaplanacak numunelerin yüzey temizliği büyük önem taşımaktadır. Kaplanacak numuneler, kaplama yapısının bozulmaması için kir ve yağdan temizlenmelidir. Bunlara ek olarak, kaplanacak malzemenin yüzey pürüzlülüğü de önemlidir. Kaplanacak yüzeyler zımparalanarak kaplamanın daha iyi tutunması sağlanabilir. Kaplama yapısını değiştirmek için çeşitli elementler kaplama banyosuna ilave edilebilir. Örnek olarak silisyum eklenerek, daha homojen ve daha ince kaplamalar elde edilebilmektedir. Bu çalışmada, Inconel 718 malzemesinden hazırlanmış silindirik numuneler 700°C'de ergimiş Al-10Si (% ağ.) banyosuna 2 dakika süre daldırılmıştır ve kaplamadan sonra oda sıcaklığında soğumaya bırakılmıştır. Sıcak daldırma işleminden sonra numunelere 600°C'de ve 700°C'de 1, 3, 5 ve 10 saat difüzyon tavlaması ısıl işlemi uygulanmıştır. Daha sonra 600°C ve 700°C'de 3 ve 5 saat difüzyon tavlaması uygulanan numunelere oksidasyon testi yapılmıştır. Alüminyum kaplanmış ve alüminyum kaplama sonrası difüzyon tavlamsı uygulanmış numunelerin detaylı mikroyapısal incelemeleri optik mikroskop ve SEM (taramalı elektron mikroskobu) ile yapılmıştır. Taramalı elektron mikroskobu ile nokta ve çizgi EDS (Enerji Dağılım Spektroskopisi) analizleri yapılmıştır. Buna ek olarak elementel haritalama yapılarak difüzyon tavlaması ısıl işleminin kaplama yapısına etkisi ve elementel difüzyon davranışı incelenmiştir. Optik mikroskop fotoğrafları incelendiğinde, kaplama yapılan numuneler ile kaplama sonrası 600°C'de difüzyon tavlaması uygulanan numunelerde kaplama tabakasının üç farklı bölgeden oluştuğu gözlenmiştir. Difüzyon tavlaması sıcaklığı 700°C'ye çıkarıldığında ise ara bölge dağılmış ve kaplamanın iki belirgin bölgeye sahip olduğu görülmüştür. Kaplama kalınlığı ve oluşan interdifüzyon bölgesinin kalınlığı artan difüzyon tavlaması sıcaklığı ve tutma süresi ile artmıştır. SEM fotoğrafları ve EDS analizleri incelendiğinde, kaplamanın, alüminyumun içe doğru difüzyonu ile gerçekleşen yüksek aktiviteli mekanizma ile oluştuğu görülmüştür. Gerçekleştirilen ısıl işlem ile altlık malzemede bulunan nikel, interdifüzyon bölgesine ve kaplamanın üst bölgelerine difüze olmuştur. Benzer mikroyapı incelemeleri, oksidasyon testine maruz bırakılmış numuneler için de gerçekleştirilmiştir. Kaplama öncesinde, kaplama sonrasında ve kaplama ve difüzyon tavlaması sonrasında numunelerin kalitatif faz analizi XRD (X-ışını difrakisyonu) ile yapılmıştır. Oksidasyon testleri tek sıcaklık ve tek tutma süresi seçilerek gerçekleştirilmiştir. Kaplama yapılmamış, kaplama yapılmış ve kaplama-difüzyon tavlaması yapılmış numuneler atmosferik fırında 1000°C'de 100 saat tutularak kaplamanın ve difüzyon tavlamasının okidasyon direnci üzerindeki etkisi incelenmiştir. Numunelerin ağırlıkları oksidasyon testi öncesi ve sonrasında ölçülerek, ağırlık değişimleri belirlenmiştir. EDS çalışmaları ile uyumlu olacak şekilde, kaplanmış ve difüzyon tavlaması gerçekleştirilmiş numunelerde NiAl3 ve Ni2Al3 fazları tespit edilirken, bu fazlara ek olarak oksidasyon gerçekleştirilen numunelerde NiAl ve Al2O3 fazlarının oluştuğu belirlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Nickel based superalloys have been used in numerous high temperature applications where both mechanical strength and oxidation resistance are required. Inconel 718 is a niobium-modified nickel based superalloy, which is widely used in high temperature parts of aircraft and steam turbines. Inconel 718 superalloy has excellent mechanical properties up to 649°C. This high temperature strength is provided by γ″-Ni3Nb phase present in the microstructure, and above this specific temperature of 649°C, strength of the alloy rapidly decreases due to transformation of γ″ phase into δ phase. Additionally, a protective oxide scale of Cr2O3 formed on Inconel 718 surface transforms into a volatile compound of Cr2O3 at temperatures higher than 1000C, resulting in a material loss from the surface. Therefore, Inconel 718 is generally used with a coating at higher temperatures to meet the requirements for specific applications. Due to these problems, coating with nickel aluminide compounds on the surface of the alloy can remarkably improve surface properties, which provides the availability the superalloy for use at higher temperatures. Additionally, heat treatment can be applied to coatings for obtaining better properties. In this study, Inconel 718 samples were aluminized in a molten Al-10Si (wt.%) bath by hot dip aluminizing process at 700°C for 2 minutes. After hot dip aluminizing, coated samples were diffusion annealed at 600°C and 700C for 1, 3, 5 and 10 h to allow possible modification of the coating structure. Microstructural examinations of both aluminized and diffusion annealed samples were performed with optical microscope and SEM (scanning electron microscope). Point-line EDS analyzes and elemental mapping were also performed in order to understand the mechanism of the coating and how diffusion annealing changes the elemental diffusion in both substrate and coating material. XRD analysis was performed to identify the phases before and after the coating and diffusion annealing processes. One temperature and one holding time was selected to compare the oxidation resistance of the samples. In atmospheric furnace, oxidation test at 1000°C for 100 hours was performed on uncoated bare alloy, coated and coated-diffusion annealed samples in order to understand the effect of coating and diffusion annealing on oxidation resistance. Weights of the samples were measured before and after the oxidation test when they were cooled down to room temperature.
Benzer Tezler
- DC01 çeliğinin galvaniz kaplanması ve kaplama yapısının modifiye edilerek yüzey özelliklerine etkisinin incelenmesi
Galvanized coating of DC01 steel and investigation of the effect of modification of the coating structure on surface properties
İREM ARI
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Metalurji MühendisliğiBursa Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YAKUP YÜREKTÜRK
- Yüksek karbonlu bir çeliğin mikroyapı ve mekanik özelliklerine izotermal tavlamanın etkisi
Effect of isothermal annealing on microstructure and mechanical properties of a high carbon steel
MUSTAFA SERDAR KUZYAKA
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. MURAT BAYDOĞAN
- Çelik bantların sıcak daldırma yöntemi ile alüminyum kaplanması
Hot-Dip aluminizing of steel strip
ERTUĞRUL ARABACI
- Bakır içeren çeliklerin özelliklerine bileşim ve üretim parametrelerinin etkisi
Composition and production parameter effect on properties of copper bearing steels
SELÇUK YEŞİLTEPE
Doktora
Türkçe
2021
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KELAMİ ŞEŞEN
- Yüksek Si içeriğine sahip Fe-Si alaşımlarının üretiminde alternatif bir yöntem: Ergimiş tuz elektrolizi
An alternatif method in production of high Si content Fe-Si alloys: Molten salt electrolysis
OĞUZ KAĞAN COŞKUN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERVET İBRAHİM TİMUR