Corrosion and corrosion protection properties of binary Fe-Al alloys-intermetallics
İkili Fe-Al alaşımlarının-intermetaliklerinin korozyon ve korozyondan koruma özellikleri
- Tez No: 660756
- Danışmanlar: PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 136
Özet
Demirce zengin Fe-Al alaşım grubu (demir alüminitler), ticari ve yaygın kullanımda önemli bir başarıya sahip olmayan ancak en çok araştırılan alaşım gruplarından biridir. Bu alaşımlara olan ilgi, alaşımların yer kabuğunda en çok bulunan iki metalden meydana gelmeleri sayesinde kolay ulaşılabilirlikleri ve maliyetleri; paslanmaz çelik ve nikel esaslı alaşımlara alternatif olmaları; ikili sistemde iki düzenli yapının (D03 and B2) bulunması; ve özellikle kükürt içeren yüksek sıcaklıktaki atmosferlere karşı gösterdikleri yüksek sıcaklık korozyon direncinden kaynaklanmaktadır. Demir alüminitlerle ilgili çalışmalar, 1930'larda Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'nda (ORNL), bu alaşımların mükemmel yüksek sıcaklık oksidasyon dirençlerinin keşfinden sonra ilerletildi. Ancak alaşımların zayıf mekanik özellikleri, 1960'larda bu çalışmaların durdurulmasına neden oldu. 1980'lerde, alaşımlama veya üretim yöntemlerinde modifikasyonlar yoluyla mekanik özellikleri iyileştirme çabalarıyla yeniden başlatılan çalışmlar, 2000 yılında, oda sıcaklığında zayıf süneklik/tokluk, paslanmaz çeliklere kıyasla zayıf sulu ortam korozyon direnci, ve özellikle klorür iyonları içeren ortamlarda hidrojen gevrekliği sorunlarının üstesinden gelinemediği için terk edildi. Bugün, özellikle Avrupa'da bu sorunların aşılması için çabalar (alaşımlama ve tane boyutu küçültme ile) devam etmektedir. Bu geliştirilmiş alaşımlar ticari olarak kitlesel formda, kömür gazlaştırma sistemleri, yüksek güçlü dizel motorları, türbin kanatları ve nükleer reaktörlerde ısı yüklü parçalarda kullanılmaktadırlar. Kitlesel olarak üretilen Fe-Al alaşımları, çeşitli altlıklar üzerine kaplama olarak da üretilmektedirler. Demir alüminitlerin kaplama olarak üretimi doğrudan kaplama veya difüzyon ile mümkündür. Fiziksel buhar biriktirme (PVD), termal sıçratma, ticari doğrudan üretim yöntemlerindendir. Fe-Al alaşımlarının Fe esaslı malzemeler üzerine kaplanmasında en yaygın kullanılan yöntem, alüminyumlama olarak bilinen difüzyon esaslı işlemdir. Paket sementasyonu, sıcak daldırma, kimyasal buhar biriktirme (CVD) ve çamur füzyonu, ticarileştirilmiş çeşitli difüzyon esaslı kaplama yöntemleridir. Yakın zamanda geliştirilen katodik ark plazma destekli difüzyon yöntemi (Katodik Ark Electron/Metal İyon İşlemi-CA-EMIT), araştırma grubumuzda çeliklerin kontrollü alüminyumlanmasında başarılı bir şekilde uygulanmıştır. Bu yöntemde, altlığa uygulanan çevrimsel AC hızlandırma gerilimi sayesinde, kaplama ve ısıtma işlemleri aynı anda uygulanır. Bu sayede, altlığın üzerinde istenilen kalınlık ve sırada, hem demirce hem de alüminyumca zengin fazların geniş bir bileşim aralığında elde edilmesi sağlanır. Kitlesel ve kaplama demir alüminitlerin literatürde var olan yüksek sıcaklık korozyon özelliklerinin yanı sıra, genişleyen kullanım alanları ile beraber yaş (elektrokimyasal) korozyon davranışlarının anlaşılması gerekliliği ortaya çıkmıştır. Kitlesel demir alüminitlerin elektrokimyasal korozyon davranışları üzerine yapıla çalışmlar, içerdiği alüminyum miktarı %40 Al' a (aksi söylenmedikçe atomik oran kabul edilecektir) kadar olan demirce zengin fazlar üzerine yoğunlaşmış ve çoğunlukla sülfürik asit ortamında gerçekleştirilmiştir. Bileşen elementlerin, alaşımın elektrokimyasal davranışı üzerindeki etkisini incelemek amacıyla çeşitli çalışmlar yapılmıştır. Bu kapsamda yapılan çalışmalarda demirin alüminyum ile alaşımlanması, sülfürik asit ortamında, alaşımın pasifleşme özelliğini iyileştirmektedir. Pasifleşme davranışındaki bu iyileşme, artan alüminyum içeriği ile daha da gelişmektedir. Yüzeyde koruyucu pasif film tabakasının oluşumunu desteklemek için Al içeriğinin %10' u, uygun korozyon direncini kazandırmak için %19' u aşması gerekmektedir. Ancak %19 sınırına ulaşıldıktan sonra artan Al içeriği korozyon davranışında %19 Al içeriğine kıyasla belirgin bir gelişme sağlamamaktadır. Demir alümintlerin aktif korozyon bölgesinde sergiledikleri elektrokimyasal davranışları üzerine yapılan çalışmlara göre, aktif korozyon hızı demirin yüzeyden çözeltiye çözünmesi tarafından yönetilir. Pasif bölgede sergilenen davranış için önerilen mekanizmalar farklı olsa da ortak kanı, tam pasifleşmenin hem demir oksit/hidroksitlerin hem de alüminyum oksit/hidroksitlerin birlikte var olması ile gerçekleştiği yönündedir. Alaşım elementlerinin demir alümintlerin elektrokimyasal davranışı üzerine etkisine ilişkin çalışmalara göre, alaşıma C eklenmesi sonucu oluşacak karbür fazlarının etrafının seçici çözünmesi alaşımın korozyon direncinde gerilemeye neden olur. Demirce zengin demir alüminitlerin klorür içeren ortamlardaki elektrokimyasal davranışları üzerine yapılan sınırlı sayıdaki çalışmalarda, alaşıma Mo ve Cr eklenmesi sonucu oluşan, koruyucu Al2O3 filmini destekler nitelikte olan Cr2O3/MoO3 filmleri, daha pozitif kırılma potansiyeline dolayısıyla daha iyi korozyon direncine imkan verirler. Demirce zengin demir alüminidlerin aksine alüminize çeliğin ana bileşenleri olan alüminyumca zengin intermetaliklerin yaş korozyon davranışına ilişkin çalışmalar sınırlıdır. Çeliği elektrokimyasal bozulmadan korumak için uygulanan yüzey kaplamalarının bir sonucu olan alüminize çeliğin sıcak damgalama, pişirme kazanları gibi uygulamalarda mükemmel yüksek sıcaklık oksidasyon direnci sergilemesi, alüminize çeliklerin yaş korozyona karşı performanslarını ele almayı da gerektirir. Bu kapsamda yapılan çalışmlarda, alüminize çeliğin korozyon davranışı; altlığa sağlanan bariyer koruması ve altlık-kaplama arayüzeyine elektrolitin nüfuz etmesine sebep olan bir hasarın varlığında sağlanan katotik koruma olmak üzere iki bakımdan incelenmiştir. Yapılan çalışmalar, atmosferik ortamı temsil etmek için genellikle Cl- içeren ortamlarda gerçekleştirilmiştir. Şimdiye kadar yapılan çalışmalarda, alüminize çeliklerin elektrokimyasal korozyon davranışlarını, dış yüzeyde oluşan saf Al tabakası ve altındaki alüminyumca zengin fazların davranışı belirler. Yüzeydeki saf Al tabakası sağlam olduğu sürece korozyon davranışı bu tabaka tarafından belirlenir. Ancak bu katmanın hasara uğraması durumunda, yüzeydeki saf alüminyum tabakasının altındaki tabakaların niteliği ve bunların aralarındaki etkileşim önem kazanır. Genel olarak alüminize çeliğin korozyon ve korozyondan koruma özellikleri, altlığın üzerinde oluşan fazlara, bu fazların sırasına, korozif ortama, ve yüzeyde meydana gelen hasarın boyutuna bağlıdır. Ancak demirce zengin ve yüzeyinde saf Al katmanı bulundurmayan alüminyumca zengin fazların korozyondan korunma davranışları hakkında doğrudan tahminde bulunmak mümkün değildir. Bu çalışmada, alüminize tabakayı oluşturan, hem demirce hem de alüminyumca zengin fazların korozyon ve eş zamanlı korozyondan koruma özelliklerinin incelenmesi amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda, CA-EMIT yöntemi ile üretilen demirce ve alüminyumca zengin Fe-Al fazları, elektrokimyasal korozyon davranışlarının incelenebilmesi için hem asidik (0.5M H2SO4) hem de asit yağmurunu temsil etmek için klorür içeren ortamlarda (200ppm Cl-) elektrokimyasal deneye tabi tutulmuştur. Alüminyumlama işlemi, sıcaklığını ayarlamak için AC hızlandırma voltajı uygulanan IF-çeliği üzerine, Ar ortamında gerçekleştirilmiştir. İşlem süresince katot akımı sabit (90A) tutulmuştur. İşlem gören numuneler, açık devre potansiyelleri ölçüldükten sonra elektrokimyasal potansiyodinamik polarizasyon deneyine tabi tutulmuştur. Deney öncesinde ve sonrasında nihai yüzeylerin mikroyapıları, taramalı elektron mikroskopu (SEM) ile incelenmiş, X-ışını difraksiyonu (XRD), enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDS) analizleri yapılmış ve optik profilometrede üç boyutlu görüntüleri alınmıştır. Altlığa ulaşan olası bir hasar varlığında sergilenecek olan elektrokimyasal korozyon ve korozyondan koruma davranışını incelemek amacıyla klorür içeren ortamdaki korozyon potansiyellerine göre bir galvanik seride sıralanan numunlerin yüzeylerinde altlığa ulaşacak çatlaklar oluşturulmuş ve elektrokimyasal deneyler tekrarlanmıştır. Buna göre, işlem sıcaklığının 1100 ve 1150oC' de 90 dakika boyunca tutulduğu numunelerin yüzeyinde alüminyumca zengin fazlar (sırasıyla Fe2Al5-Fe4Al13 ve Fe2Al5) oluşurken, 1200oC' de 30 dakilada alüminyumca zengin fazların kararlı olduğu sıcaklığın üzerine çıkıldığı için demirce zengin fazlar (Fe3Al-FeAl) oluşmuştur. Sıcaklığın 1100 oC'de tutulduğu işlemde, yüzeyden altlığa doğru sırasıyla Fe2Al5-Fe4Al13, Fe2Al5+FeAl2, FeAl2+FeAl, Fe3Al+FeAl, Fe3Al+α-Fe(Al), α-Fe(Al) fazları oluşmuştur. Sıcaklığın 1150oC'de tutulduğu işlemde bu sıralama: Fe2Al5, Fe2Al5+FeAl2, Fe3Al+FeAl, Fe3Al+α-Fe(Al), α-Fe(Al) olmuştur. Sıcaklığın 1200 oC'de tutulduğu işlemde ise sıralama şöyledir: Fe3Al+FeAl, FeAl α-Fe(Al), α-Fe(Al). CA-EMIT yöntemiyle üretilen demirce zengin faz, 0.5M H2SO4' te, demirce zengin kitlesel demir alüminitlere benzer korozyon direnci sergilemiştir. Alaşımda Al bulunması, alaşımın sülfürik asit çözeltisindeki pasivasyon davranışını iyileştirmitir. Alüminyumca zengin intermetalikler, daha yüksek Al içerikleri sayesinde sergiledikleri daha düşük pasif akım yopunlukları bakımından daha iyi pasifleşme davranışı sergilemişlerdir. Artan Al miktarı ile pasif akım yoğunluğu azalma eğilimi göstermektedir. Aktif korozyon bölgesinde (anodik çözünme) alaşımların korozyon potansiyeli artan Al miktarı ile daha aktif bölgeye doğru kaymış olup demir ve alüminyumun potansiyel değerleri arasında kalmıştır. Fe-Al fazlarının bu bölgedeki korozyon hızları ise IF-çeliğininkinden daha fazla olup artan alüminyum miktarı ile artmaktadır. Bununla birlikte, korozyon deneyi sırasında bir miktar çatlama meydana gelmiştir. Bu durum, fazların çevresel olarak desteklenen çatlamalara karşı hassasiyetlerinin bir göstergesi olabilir. Temsili asit yağmuru ortamında (200ppm Cl- pH4 H2SO4 ile ayarlanmış), numunelerin korozyon potansiyellerinin sıralanmasıyla üretilen galvanik seride asalet sırası: Fe3Al FeAl> IF-steel> Fe2Al5-Fe4Al13> Fe2Al5 olarak bulunmuştur. Alüminyum ve alüminyumca zengin fazlar pasifleşme davranışına atfedilen oyuklanma potansiyeli değerine sahipken, IF-çeliği ve demirce zengin fazlar için bu değer bulunamamıştır. Alüminyumca zengin intermetalik tabakalar, IF-çelik alt tabakaya, oyuklanma potansiyeline kadar gösterdikleri pasif davranış sayesinde hem bariyer korozyon koruması hem de yüzeyden alt katmana ulaşan kusurlar olması durumunda kendilerini feda ederek katodik koruma sağlamışlardır. Öte yandan, pasifleşme davranışı sergilemeyen demirce zengin intermetalik tabaka, koruyucu bir bariyer görevi göstermediği gibi alt tabaka ile arasında elektrolitik bağlantıya izin veren yolların varlığında, galvanik etki ile çeliğin korozyonunu hızlandırması bakımından bir problem yaratabilir.
Özet (Çeviri)
It is well known that corrosion and corrosion protection properties of Fe-rich iron aluminides and Al-rich intermetallics which are the major constituents of aluminized steel, depend on the phases formed on the substrate, the sequences of the phases, the nature of the hostile environment and the extent of damage on the surface. This study aims to investigate the corrosion resistance and simultaneous corrosion protection properties of binary Fe-Al compounds that constitute the aluminized layer. For this purpose, both Fe-rich and Al-rich Fe-Al phases, produced by the CA-EMIT process, were used to determine their electrochemical corrosion behaviors in both acidic (0.5M H2SO4) and chloride (200ppm Cl- with pH4 adjusted by H2SO4) containing media. Electrochemical experiments were performed, as Open Circuit Potential (OCP) and Potentiodynamic Polarization measurements. Considered the electrochemical corrosion potential of each phase, a galvanic series was created in chloride-containing media. To be examined the reliability of the galvanic series in terms of corrosion protection provided, galvanic pairs were created by forming cracks on the surface of samples. These samples treated such that the relevant phase was exposed to the media while the IF-steel remained the substrate exposed through cracks. Aluminizing was realized on IF-steel substrates with selected temperatures by varying the AC substrate voltages in a cathodic arc physical deposition unit. Treated surfaces were tested using electrochemical potentiodynamic polarization experiments in both sulfuric acid and chloride containing media. The samples surfaces were examined by X-Ray Diffractometer (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), Electron Dispersive Spectroscopy (EDS) and Optical profilometer. Accordingly, Al-rich phases (Fe2Al5-Fe4Al13, Fe2Al5) and Fe-rich phases (Fe3Al-FeAl) were formed on the substrates at the processing temperature of 1100, 1150, and 1200oC, respectively. In 0.5M H2SO4, Fe-rich phases produced by the CA EMIT method exhibited corrosion resistance similar to Fe-rich bulk iron aluminides in terms of improved passivation behavior in the presence of Al in the alloy. The increasing Al contents of the layers improved passivation behavior. Some cracks that occurred during electrochemical experiments in 0.5M H2SO4 were interpreted as an indication of their susceptibility to environmentally induced cracking. In the simulated acid rain environment (200ppm Cl- adjusted pH 4 by H2SO4), a galvanic series was created in the nobility order: Fe3Al FeAl>IF-steel>Fe2Al5-Fe4Al13>Fe2Al5. The Al-rich intermetallic layers provided, to IF-steel substrate, both barrier corrosion protection by exhibiting passive behavior up to breakdown potential and cathodic protection by sacrificing themselves in the event of cracks. On the other hand, the Fe rich intermetallic layer with the lack of passivation failed to act as a protective barrier, and in the presence of paths that allows electrolytic conduct between the substrate, it may create a problem of accelerating the corrosion of steel with galvanic action.
Benzer Tezler
- Development of high-strength and corrosion resistant aluminum alloys
Yüksek mukavemetli ve korozyona dirençli alüminyum alaşımlarının geliştirilmesi
FURKAN ÖZDEMİR
Doktora
İngilizce
2022
Metalurji MühendisliğiAnkara Yıldırım Beyazıt ÜniversitesiMalzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN OKUYUCU
- Mekanik alaşımlama süreçleri ile Al-20Si esaslı toz ve sinter kompozitlerin geliştirilmesi ve karakterizasyon çalışmaları
Studies of development and characterization of Al-20Si based powder and sintered composites by mechanical alloying processes
HASAN GÖKÇE
Doktora
Türkçe
2013
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA LUTFİ ÖVEÇOĞLU
- A1-%3 Li-%0.15 Zr alaşımının mekanik davranışına yaşlanmanın etkisi
The Effect of ageing on the mechanical behavior of A1-3% Li-0.15% Zr alloy
JAFAR GHAEMİ GUİVİ
- Kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık sentezi yöntemi ile MoAlB ve Mo-MoAlB intermetalik matrisli kompozit üretimi
Production of MoAlB and Mo-MoAlB via self propagating high-temperature synthesis
YELİZ KIZILYEL
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CEVAT BORA DERİN
- Combustion synthesis and characterization of molybdenum and boron containing multicomponent composite materials
Molibden ve bor içeren çok bileşenli kompozit malzemelerin yanma sentezi ile üretimi ve karakterizasyonu
SEVINCH RAHIMI MOGHADDAM
Doktora
İngilizce
2019
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. CEVAT BORA DERİN