Investigation of the structural and mechanical properties of the single crystal CMSX-4 SLS superalloy exposed to high temperature for long term
Yüksek sıcaklığa uzun süreli maruz bırakılan tek kristal CMSX-4 SLS süperalaşımın yapısal ve mekanik özelliklerinin incelenmesi
- Tez No: 676383
- Danışmanlar: PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU
- 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: 95
Özet
Nikel bazlı süperalaşımlar, yüksek sıcaklıklarda yüksek derecede kararlı olmalarına ve mekanik özelliklerine bağlı olarak havacılık sanayinde kullanılan gas türbin motorlarında en çok tercih edilen malzemelerdir. Uçak motorlarında 20.000-50.000 saat ve endüstriyel gaz türbinlerinde 100.000 saat yüksek performans gösterirken, günümüzde hareketli veya sabit gaz türbinlerinde kullanılan nikel esaslı süperalaşımlar, 1200°C'ye kadar yüksek oksidasyon direncine sahiptir. Bu alaşımlar, çok fazla sayıda alaşım elementi içermekte olup genellikle Periyodik Tabloda B grubunda yer alan elementlerden oluşmaktadırlar. Nikel esaslı süperalaşımlar, 1940'lı yıllarda yaşanan II. Dünya Savaşı'nda gelişen uçak teknolojisiyle beraber ilk defa kullanılmaya başlanmıştır. Bu dönemde kullanılan ilk süperalaşımlar dövme yöntemiyle üretilmekte ve nispeten yüksek sıcaklıklarda kullanılmaktaydı. Uçak motor teknolojilerinin gün geçtikçe ilerlemesinin ardından motor giriş sıcaklıkları ve gereksinimlerindeki artışla beraber 1980'li yıllardan itibaren tek kristal nikes esaslı süperlaşımların ve üretim yöntemlerinin geliştirilmesine neden olmuştur. Tek Kristal nikel esaslı süperalaşımlar ise, genellikle gaz türbin motorlarındaki türbin bıçaklarının üretiminde kullanılmaktadır. Vakum altında kontrollü katılaşma ve yaşlandırma ısıl işlemlerinden oluşan özel döküm yöntemleri ve teknolojileri kullanılarak üretilmektedir. Tek Kristal üretiminde, Hassas Döküm yöntemi kullanılarak seramik kalıp üretimi gerçekleştirilir. İlk olarak üretilmek istene parçanın şekli mum enjeksiyon ile elde edilir. Yolluk, besleyici gibi yardımcı elemanlarla beraber döküm döküm modeli oluşturularak seramik kabuk üretimine başlanır. Bu döküm modeli, seramik çamurlara daldırılarak seramik kabuki üretimi tamamlanır. Bu seramik çamurlar kullanılacak alaşıma bağlı olarak alümina (Al2O3), zirkonyum silikat (Zr2SiO4) gibi farklı malzemeler olabilir. İçerisindeki mum, otoklav yönetimiyle boşaltılan ve pişirilen bu kalıplar daha sonrasında Vakum İndüksiyon Ergitme (VIM) ocağında döküm işlemine geçilir. Kalıp, vakum altında döküm sıcaklığına kadar ısıtıldıktan sonra eriyik metal kalıbın içeresine dökülür. Döküm gerçekleştikten sonra ergiyik metal, içerisinden soğutma suyu geçen bir bakıp plaka ve asansör sistemi aracılığıyla belirli bir yönde kontrollü olarak katılaştırılmaya başlanır. Bu yönlendirilmiş katılaştırma esnasında tane seçici adı verilen özel bir parça yardımı ile yönünde katılaşmakta olan tanelerden bir tanesi seçilerek tek kristal üretimi tamamlanır. Soğuduktan sonra bu parçalar döküm modelinden ayrılarak yüksek sıcaklık mukavemeti kazandıran yaşlandırma ısıl işlemine tabi tutalarak kullanıma hazır hale getirilir. Uygulanan bu ısıl işlem, çözeltiye alma ve iki aşamalı yaşlandırma işlemlerinden oluşmakta ve bir kaç gün boyunca sürmektedir. Tek kristal süperalaşım çeşitlerinden en yaygın olarak kullanılan ise 1980'li yılların sonuna doğru geliştirilen 2. nesil tek kristal alaşımı CMSX-4 alaşımıdır. CMSX-4 alaşımı, ağırlıkça %6,5 Cr, %9 Co, %0,6 Mo, %6 W, %6,5 Ta, %5,6 Al, %1,0 Ti, %3 Re ve %0,1 Hf elementlerinden oluşmaktadır. Özkütlesi ise 8,7 g/cm3 olan bu alaşımın ergime sıcaklığı ise 1310ºC ile 1380ºC sıcakları arasındadır. İlerleyen zamanalar da ise bu alaşımı geliştiricisi ve üreticisi tarafında, yüksek sıcaklık mekanik özelliklerini ve oksitlenme direnci artırmak amacıyla CMSX-4 SLS alaşımı geliştirmiştir. CMSX-4 alaşımından farklı olarak içerisinde mekanik özellikleri iyileştirilmesi için daha düşük S elementi, oksitlenme direnci sağlayan La ve Y elementlerini içermektedir. Bu yüksek lisans tezi kapsamında asıl amaç, tek kristal nikel esaslı süperalaşımlardan bir tanesi olan CMSX-4 SLS alaşımının yüksek sıcaklıklardaki davranışlarının incelenmesi ve anlaşılmasıdır. Bu amaç doğrultusunda test çubukları, ilk aşamada Hassas Döküm yöntemi kullanılarak yönünde, vakum altında kontrollü bir şekilde katılaştırılarak tek kristal formunda üretilmiştir. Burada Tek Kristal, tane sınırlarının olmadığı bir iç yapı anlamına gelmektedir. Bu formun asıl amacı, yüksek sıcaklıklarda sabit kuvvet altında parçaların maruz kaldığı sürünmeye karşı mukavemetin artırılmasıdır. Tane sınırlarının iç yapıdan uzaklaştırılması ile sürünmenin en etkin mekanizmalarından biri olan tane sınırı kaymasının önüne geçilerek sürünme dayanamını artırılmaktadır. Tek kristal olarak üretilen bu parçalar, daha sonra çözeltiye alma ve yaşlandırma aşamlarını kapsayan yine vakum altında ısıl işleme tabi tutularak γ' parçacıklarının γ ana fazının içerisinde çökeltilmesi sağlanır. Yüksek sıcaklıktaki sürünme dayanımı etikeleyen bir diğer faktörler ise çökelen bu γ' parçacıklarının boyutu, şekli ve ana faz içerisindeki hacimsel oranıdır. Önceden yapılan çalışmalara göre bu fazların şekli kübik ve iç yapı içerisindeki oranı en az %70 olmalıdır. Çökelti γ' fazlarının etkilerinin incelenmesi amacıyla tek kristal yapıya sahip ve ısıl işlemli test çubukları, yüksek sıcaklıktaki mikroyapısal ve mekaniksel özelliklerinin incelenebilmesi için herhangi bir yük kullanılmadan atmosfere açık ortamda iki farklı yüksek sıcaklığa iki farklı süre boyunca maruz bırakılmıştır. Bu sıcaklıklar 980ºC ve 1100ºC, süreler ise 1500 ve 2000 saat şeklinde uygulanmıştır. Uzun süreli yüksek sıcaklılarda tutulduktan sonra çubukların, ilk olarak optik mikroskop ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) altında mikroyapısal özellikleri incelenmiştir. Bu incelemer sonucunda, standard ısıl işlem sonrasında tespit edilen kübik şekle sahip γ' çökeltilerin, 980ºC sıcaklığa 1500 saat boyunca maruz bırakılmasının ardından şekillerinin herhangi bir değişikliğe uğramadan boyutlarının artmaya başladığı gözlemlenmiştir. Aynı sıcaklıkta 2000 saat sonra ise, kübik şekillerinin bozulmaya başlamasının yanı sıra boyutlarındaki artışın devam ettiği tespit edilmiştir. Bu değişikliklere ek olarak hem 1500 saat hem de 2000 saat sonra, γ anafazı içerisindeki γ' parçacıklarının standart ısıl işlemli numuneye göre hacimsel oranının azaldığı görülmüştür. X-ray difraksiyon (XRD) ile gerçekleştirilen faz analizleri sonucunda ise ısıl işlemli numune de tespit edilen baskın γ ve γ' fazlarının, 980ºC sıcaklığa 1500 ve 2000 saat maruz bırakıldıktan sonra da baskın fazlar olduğu doğrulanmıştır. Ayrıca genellikle servis koşullarında yani yüksek sıcaklık ve yük altında oluşan, mekanik özellikleri olumsuz yönde etileyen Topolojik Sıkı Paket (TCP) fazlarının oluşumu gözlemlenmiştir. Her iki süre sonunda 980ºC sıcaklıkta oluşan bu fazların SEM-EDS analizi ile benzer kompozisyonlara sahip olduğu belirlenmiştir. Bu fazlar, hacimsel olarak az miktarlarda oldukları için XRD analizinde bu fazlara ait herhangi bir sonuç elde edilememiştir. Sıcaklığın 1100ºC'ye artırılmasıyla beraber hem 1500 hem de 2000 saat sonunda, γ' fazlarının kübik yapıları tamamen bozulma meydana gelmiştir. Boyutlarında ise ısıl işlemli ve 980ºC tutulan numunelere göre ciddi miktarda artış olduğu gözlemlenmiştir. Diğer yandan γ' çökeltilerinin iç yapı içerisindeki oranları ise 980ºC sonrası gerçekleşen azalmaya göre daha yüksek oranda azalmıştır. Bu durum γ' parçacıklarının, γ ana fazı içerisinde 980ºC sıcaklığa göre daha fazla çözündüğünü göstermektedir. 1100ºC sıcaklığa maruz bırakılan numunelerin iç yapısında 980ºC olduğu gibi TCP fazları olduğu görülmüştür. Fakat oluşan bu fazların, 980ºC oluşan TCP fazlarına göre SEM-EDS analizi ile farklı elementler içerdiği tespit edilmiştir. Analiz sonucu doğrutulsunda, iki farklı sıcaklıklarda oluşan TCP fazlarının farklı fazlar olduğu düşünülmektedir. XRD analizi sonucunda ise 980ºC tutulan parçalarda olduğu gibi hacimsel olarak az oranda oldukları için bu fazlara ait herhangi bir işaret gözlemlenmemiştir. Yüksek sıcaklıktaki mekanik özelliklerin belirlenebilmesi için hem standard ısıl işlemli hem de uzun süreli 980ºC ve 1100ºC sıcaklıklara maruz bırakılan test çubukları ASTM-E8 standardına göre hazırlanarak ASTM-E21 standardına uygun olarak 982ºC sıcaklıkta çekme testi yapılmıştır. Yüksek sıcaklıkta gerçekleştirilen çekme testi sonuçlarına göre standart ısıl işlemli numunenin, uzun süreli sıcaklığa maruz bırakılan parçalara göre en yüksek mukavemete, 830 MPa, ve uzama oranına, %34, sahip olduğu görülmüştür. Standard ısıl işlemli numune 1500 ve 2000 saat boyunca 980ºC sıcaklıkta tutuldukta sonra mukavemetin 780 MPa değerine, uzamanın ise %20 oranına düşmüştür. 1100ºC sıcaklıkta 1500 ve 2000 saat bırakılan numunelerin mukavemetlerinde ise 710 MPa'a kadar düştüğü fakat uzamanın %20 civarında değişmediği gözlemlenmiştir. Çekme mukavemeti ve uzama oranlarındaki bu azalmaların nedeninin, standart ısıl işlemli numunenin iç yapısında bulunan kübik γ' çökeltilerinin sıcaklık ve sürenin etkisiyle kübik şekillerini kaybetmesi ve boyutlarının artması olarak düşünülmektedir. Çekme mukavemetinde ve uzama oranındaki bu değişikliklerin yanı sıra, standart ısıl işlemli ve uzun süreli sıcaklığa maruz bırakılan parçaların elastic modüllerinde ve kesit daralmalarında herhangi bir artış veya azalış gerçekleşmemiştir. Ayrıca, sıcaklığın etkisiyle numunelerin iç yapısında bulunan zararlı TCP fazlarının mekanik özelliklere etkisi olup olmadığı bu fazlarının oranının çok düşük olması sebebiyle tespit edilememiştir. Çekme testi sonrası kırılma yüzeyleri, dijital mikroskop makro ölçekte ve Taramalı Elektron Mikroskobu ise mikro ölçekte incelenmiştir. Bu incelemeler sonucunda makro ölçekte, kırılma yüzeyinin altında çeşitli boylarda çatlaklar oluştuğu gözlemlenmiştir. Kırılma yüzeyi incelendiğinde ise, kırılma yüzeylerinin mat ve pürüzlü bir yüzeye sahip olduğu görülmüştür. Kırılma davranışının net olaak anlaşabilmesi için Taramalı Elektron Mikroskobu ile analiz ediliğinde ise kırılma yüzeyinde kırılma gamzeleri olduğu tespit edilmiştir. Numuneler tane sınırına sahip olmayan tek kristal bir yapıya sahip olduğu için bu gamzeler, tane sınırları yerine γ' çökeltileri ve γ anafazı ara yüzeyinde oluştuğu tespit edilmiştir. Numunelerin kırılma yüzeylerinin, hem mat ve pürüzlü olması hem de kırılma gamze yapılarını içermesi nedeniyle tipik sünek kırılma davranışı sergiledikleri sonucuna varılmıştır.
Özet (Çeviri)
Nickel based superalloys are most popular and preffered materials used in gas turbine engines in aviation industry due to its high stability and mechanical properties at high temperatures. Single crystal (SX) nickel based supealloys are generally used in production of turbine blades in turbine chamber. And they are produced with special casting processes and technologies which consist of controlled solidification and aging heat treatment under vacuum. The most common used SX alloy is called as CMSX-4 alloy. In this master thesis, the main purpose was investigation and understanding of high temperature behaviour of the SX superalloy. In accordance with this purpose, test bars were first casted and solidified in direction as single crytal form meaning that no grain boundaries exist in the structure by using investment casting technique. Then, SX test bars were solutionized and aged as standard heat treament process to obtain required structructure and high temperature mechanical properties. SX and heat treated parts were subjected to heat at two different high temperatures, 980ºC and 1100ºC, for two different long time, 1500 and 2000 hours, without applying any force under open atmosphere. After structural examination, cubic γ' precipitates in AS-HT condition was observed to start to increase in size after holding for 1500 hours at 980ºC without any change in morphology but volume fraction of the particles began to dissolve in matrix phase. After 2000 hours, shape of the precipitates started lose their AS-HT morpohology and increase in size and decrease in volume fraction moved on. Following exposed to 1100ºC, dimensions of γ' phase were examined much higher than that of both AS-HT and 980ºC conditions. Also, morphology of the particles was completely change and broken for 1500 and 2000 hours. Precipitate amount was extremenly decreased according to AS-HT and holding at 980ºC. In addition these structural changes, mechanical behaviour was examined via tensile testing at 982ºC after standard heat treatmen process and long term thermally exposure. It was resulted in higher elongation and tensile strength for AS-HT samples than samples held at high temperature for long time. When fracture surfaces of both samples were examined, it was determined that both samples had typical ductile fracture behaviour due to dull and rough surface, and dimples in the structure.
Benzer Tezler
- AT 33 magnezyum alaşımına Ti ve Nd elementleri ilavesinin özelliklere etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of addition of Ti and Nd elements to AT 33 magnesium alloy on properties
SİNEM SEVEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Metalurji MühendisliğiSakarya Üniversitesiİmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SÜLEYMAN CAN KURNAZ
- Characterization of biaxially oriented polypropylene films
Başlık çevirisi yok
ZEYNEP SARAÇ
Yüksek Lisans
İngilizce
1994
KimyaBoğaziçi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. IVET BAHAR
- Manyetik sıçratma yöntemiyle üretilmiş CRN-BN ince film kaplamaların yapısal ve mekanik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of structural and mechanical properties of CRN/BN multilayer thin film coatings produced by magnetron sputtering method
KAAN DEMİRALAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUHAMMET KÜRŞAT KAZMANLI
- Nanotribological properties of graphene grown by chemical vapor deposition and transferred onto silicon oxide substrates
Kimyasal buhar biriktirme yöntemiyle büyütülen ve silisyum oksit alttaş üzerine transfer edilen grafenin nanotribolojik özellikleri
TUNA DEMİRBAŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Makine Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MEHMET ZEYYAD BAYKARA
- Investigation of collagen type II mechanical and structural properties with the atomic force microscope
Tip II kollojenin yapısal ve nanomekaniksel özelliklerinin atomik kuvvet mikroskobu ile incelenmesi
SWABİR SİLAYİ