Investigating the oxidation and high temperature wear behaviour of hot-dip aluminized and diffusion annealed inconel 718 superalloy
Sıcak daldırma alüminyum kaplama ve difüzyon tavlaması uygulanmış ınconel 718 süperalaşımının oksidasyon ve yüksek sıcaklık aşınma davranışının incelenmesi
- Tez No: 683989
- Danışmanlar: PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN
- 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: 121
Özet
Üretim proseslerinin gelişmesi ve stratejik açıdan birçok saf metal veya alaşıma nazaran üstün özelliklere ve çalışma performansına sahip süperalaşımlar, çalışma performansını ve mekanik dayanım potansiyelini yüksek sıcaklık uygulamalarının çeşitli alanlarında sürdürebilen, üstün korozyon ve oksidasyon dirençleri ile öne çıkan alaşım gruplarıdır. Tipik olarak matrisleri östenitik yüzey merkezli kübik (YMK) kristal yapıya sahip elementler olarak nikel (Ni), demir (Fe) ve kobalt (Co) bazlı olarak üç ana gruba ayrılmaktadır. İçeriğinde yüksek oranlarda krom (Cr), nispeten düşük oranlarda alüminyum (Al), titanyum (Ti), molibden (Mo) ve niyobyum (Nb) gibi elementlerin faz dönüşümleri ile hem katı çözelti hem de çökelti sertleştirmesi gibi mekanizmalarıyla dayanımı artırılmış malzemelerdir. Jet ve roket motorlarının parçalarında, nükleer enerji santrallerindeki eşanjörlerde kullanım alanı bulabilen, kullanım ortamında sürünme, aşınma, korozyon veya oksidasyon gibi dış etkenlere maruz kaldığında yüksek sıcaklıklara rağmen çalışma koşullarını optimum düzeyde kararlı olarak sürdürebilen bu malzemelerin kullanım alanı havacılık, uzay ve enerji gibi endüstrilerde yoğunlaşmaktadır. Nikel bazlı süperalaşımların çoğunluğunda bulunan NiCrFe matrisli yapılar, katı çözelti sertleştirme mekanizmasına sahip olmakla birlikte, içeriğinde bulundurduğu topolojik ve geometrik olarak sıkı paket kristal yapıya sahip fazlara ek olarak karbürlerin varlığı ile yüksek dayanım özellikleri göstermektedirler. Nikel bazlı süperalaşımlardan biri olan Inconel 718, bulundurduğu geometrik sıkı paket (GSP) yapıya sahip koherent γ' fazı, içerdiği Ni3 (Al, Ti) çökeltileri ile malzemeye süneklik ve sertlik sağlamaktadır. Genellikle demir içerikli negatif etkileri bulunan topolojik sıkı paket (TSP) fazları mekanik özellikler açısından tercih edilmemektedir. Öte yandan, malzemenin içeriğinde bulunan γ' fazı ile koherent olan, GSP yapıya ve Ni3Nb kompozisyonuna sahip γ'' fazları ile yaşlandırılma yeteneğine sahip olan Inconel 718 süperalaşımları yüksek sıcaklıklarda yüksek dayanım performansı sergileyebilmektedir. Ancak belirli sıcaklıklar üzerinde (650°C) malzemenin içeriğindeki γ'' fazlarının çözünmeleri sonucunda matrisle koherent özellik göstermeyen δ (Ni3Nb) fazına dönüşmesi yüksek sıcaklıklarda mekanik özellikleri negatif olarak etkilemektedir. Ek olarak Inconel 718 içerisindeki kromun, Cr2O3 fazıyla koruyucu oksit tabaka oluşturarak malzemeye oksidasyon ve korozyon direnci sağlamaktayken 1000°C üzeri sıcaklıklarda CrO3 uçucu fazına dönüşerek yüzeyden malzeme kaybına sebep olması nedeniyle nispeten yüksek sıcaklık uygulamaları için kaplamayı zorunlu hale getirmektedir. Difüzyon, overlay (yüzeyüstü) ve termal bariyer gibi korozyon ve oksidasyon direncini artırmaya yönelik yüksek sıcaklık kaplama çeşitleri, süperalaşımların mekanik ve fiziksel olarak dış etkenlere maruz kalması durumunda süperalaşımlar için stratejik öneme sahip olmakla beraber yapıya kazandırdıkları kararlı yüzeyler ile uygun niteliktedir. Kaplama ve altlık arasındaki uyuma bağlı olarak difüzyon kaplamaları nikel bazlı süperalaşımlar için tercih edilebilmektedir. Özellikle nikel bazlı süperalaşımlara uygulanan, difüzyon mekanizmasına dayanan alüminyum kaplamalar, oluşturdukları nikel-alüminat fazlarıyla malzemeye yüksek yüzey kararlığı ve oksidasyon direnci sağlamasıyla öne çıkmaktadır. Nikel bazlı süperalaşımlar üzerine alüminyum kaplama ile içe doğru difüzyon-yüksek aktivite ve dışa doğru difüzyon-yüksek aktivite mekanizmaları ile oluşturulan nikel-alüminat fazları, yüksek sıcaklık ve oksidatif ortamda kaplamanın yüzey kısmında alüminyumun oluşturduğu koruyucu Al2O3 tabakası için rezervuar görevini üstlenmektedir. Kutu sementasyon, kimyasal buhar biriktirme ve sıcak daldırma kaplama (hot-dip coating) gibi difüzyon kaplama yöntemleri maliyet ve uygulanabilirlik bakımından çeşitli faydalara ve eksikliklere sahiptir. Örneğin kimyasal buhar biriktirme düşük biriktirme hızına, kutu sementasyon yüksek biriktirme hızına sahip olmasıyla öne çıkmaktadır. Sıcak daldırma yönteminde dikkat edilmesi gereken unsurlardan biri olan sıcaklık, faz dönüşümlerini etkilemesiyle zaman ve daldırma ortamı gibi diğer parametrelere nazaran bir adım daha öne çıkmaktadır. Diğer bir önemli parametre olan ergiyik banyo kompozisyonu faz dönüşümleri ve interdifüzyon bölge için önem arz etmektedir. Difüzyon tavlaması ile kontrollü olarak oluşturulmak istenen fazlar fırınının sıcaklık, zaman ve atmosferine bağlı olarak değişiklik gösterebilmektedir. Literatürde farklı yöntemlerle kaplanmış Inconel serisi için aşınma çalışmaları güncel olarak yer almaktadır. Özellikle çalışmaların çoğunluğu yüzeyüstü (overlay) ve termal bariyer kaplamalar olarak karşımıza çıksa da Inconel serisi için difüzyon mekanizmalı kaplamaların aşınma davranışları üzerine yapılan bu çalışmalar literatür eksikliğini giderecek birikim sağlamamıştır. Ek olarak, difüzyon mekanizması ile sıcak daldırma yöntemi kullanılarak kaplanan Inconel 718 süperalaşımının yüksek sıcaklık aşınma davranışı daha önce çalışılmamış bir konu olması ile literatüre eklenerek genişletilmesi ve katkı sağlaması önem arz etmektedir. Bu çalışma kapsamında, sıcak daldırma yöntemi ile Alüminyum kaplanan Inconel 718 süperalaşımının, oda sıcaklığında ve yüksek sıcaklıkta aşınma davranışlarına ek olarak izotermal oksidasyon testi ile sıcak daldırma yönteminin devamı niteliğinde olan difüzyon tavlamasının etkileri incelenerek araştırılmıştır. Bu çalışmada, Inconel 718 numuneleri, 700°C'de 2 dakika tutularak sıcak daldırma yöntemi ile alüminyum-silisyum ötektik alaşımı kaplanmıştır. Alüminyum ile kaplanan Inconel 718 numuneleri 700°C'de 10 saat difüzyon tavlanmasına tabii tutulmuştur. Elde edilen numuneler ile Inconel 718 numuneleri 25°C'de, 300°C'de ve 600°C'de olmak üzere aşınma testlerine ve 800°C'de 100 ve 300 saat olmak üzere izotermal oksidasyon testlerine tabii tutulan numunelerin yapısal karakterizasyon işlemleri gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın deney kısmında, Inconel 718 numuneleri silindirik 8 mm kalınlığında kesilerek 120, 240, 320 ve 400 numara disklerle zımparalanarak sıcak daldırma prosesi için hazırlanmıştır. Alüminyum-silisyum ötektik alaşımı (%12 ağ.) banyosuna daldırılmak üzere, numuneler 2 mm kalınlığında paslanmaz çelik tel ile eğimli yüzeylerden sarılarak hazırlanmıştır. Farklı kaplama çeşitleri için de büyük önem arz eden kaplanacak olan malzemenin yüzey temizliği, seyreltilmiş HCl çözeltisi içerisinde ultrasonik dalgalarla temizlendikten sonra etanol ile yüzey silindi ve su ile durulanarak daldırma işlemine hazır hale getirilerek sağlanmıştır. Al-Si ötektik alaşım ingotlar potaya uygun ölçülerde kesilmiş olup, fırın istenilen sıcaklığa geldikten sonra yaklaşık 1 cm3 KCl ve NaCl karışımı olan flaks eklenerek ergiyik üzerindeki cüruf elimine edilmiştir. Temizlenen numuneler 700°C'de 2 dakika olacak şekilde grafit potanın orta kısmına doğru daldırıldı. Asılarak oda sıcaklığında soğumaya bırakılan numuneler için kaplama işlemleri gerçekleştirilmiştir. Sıcak daldırma işlemine ek olarak örnekler 700°C'de 10 saat difüzyon tavlamasına tabii tutulmuş ve fırında soğutma işlemleri gerçekleştirilmiştir. Sıcak daldırma ile kaplanmış numuneler ve difüzyon tavlaması uygulanmış numunelerin mikroyapı incelemeleri Philips XL30 SFEG marka taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile nokta, çizgi, haritalama EDS analizleri gerçekleştirilmiştir. Aşınma izlerinin görüntüleri Hitachi TM1000 model (SEM) ile alınmış olup, sertlik değerleri Wilson Tukon 1102 Microhardness cihazı ile ölçülmüştür. Aşınma deneyleri CSM-High temperature unidirectional ball-on disc tribometer ile gerçekleştirilmiştir. İzotermal oksidasyon testi kapalı döngü düzenek ile PRC 110M/GWP model teçhizat ile uygulanmış olup karakterizasyon analizleri Philips XL30 SFEG marka taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile nokta ve haritalama EDS analizleri gerçekleştirilmiş olup XRD analizleri GBC MMA 027 model 10°-100° 1°/dk ile gerçekleştirilmiştir. Kaplanmış ve difüzyon tavlanmış numunelerin aşınma davranışlarının incelenmesi için üç farklı sıcaklıkta tribometre kullanılarak alümina bilyeye karşı aşınması testleri gerçekleştirilmiştir. 2N yük altında aşınma testine tabii tutulan numunlerin tek yönlü çalışan disk üzerinde sürtünen bilya (ball-on-disc) ile aşınma davranışları incelenmiştir. 2-D temaslı yüzey profilometre ile aşınma yüzeyinde oluşan izler analiz edilmiş olup, aşınmanın yüzeyde hangi mekanizmalarla gerçekleştiğine dair analizler taramalı elektron mikroskobu ile gerçekleştirilmiştir. Ayriyeten, aşınma testleri esnasında kullanılan alümina bilyelerin yüzeyi optik mikroskop ile incelemeye alınmıştır. Elde edilen aşınma testi sonuçlarının verilerine göre, 25°C sıcaklıkta difüzyon tavlanmış numunelerin aşınma oranı sadece sıcak daldırma ile kaplanmış numunelere göre üç kat, işlem görmemiş Inconel 718 numunelerine göre 4 kat daha az olduğu saptanmıştır. 300°C'de ve 600°C'de gerçekleştirilen testlerde, kaplanmış numuneler için difüzyon tavlamasının göreceli olarak gerekliliği ön plana çıkmıştır. Aşınma yüzeyleri taramalı elektron mikroskobu ile incelendiğinde difüzyon tavlamasının oksidatif aşınma mekanizmasını engeller nitelikte olduğu görülmektedir. 800°C'de gerçekleştirilen izotermal oksidasyon testleri sonucunda difüzyon tavlamasının yapısal olarak gerekliliği aşınma testlerinde olduğu gibi öne çıkmıştır.
Özet (Çeviri)
Superalloys are quite superior materials that are used in wide range of application fields which have critical importance such as aviation, aerospace, nuclear energy industries. Nickel based superalloys, as a type of superalloy, has advantages of both mechanical strength and oxidation resistance at high temperature. Inconel 718 is nickel-based superalloys that is employable for in hot section of aircraft and steam turbines parts. One of the main characteristics of Inconel 718 is precipitation strengthened superalloy with γ''-Ni3Nb phases and utilizable up to 650°C. Additionally, oxidation and corrosion resistance are provided by Chromium that has capability to form protective oxide layer for Inconel 718. On the other hand, above 650°C γ'' phases starts to dissolve and transform detrimental δ phases. Another inevitable limitation of Inconel 718 is protective Cr2O3 layer has tendency to transform volatile CrO3 compound above 1000°C. These kinds of limitation increased coating demand to fulfill requirements such as wear and oxidation resistance. One of the high temperature coating called diffusion coating is attentively applicable for nickel-based superalloy. Hot-dip aluminizing process has numerous advantages such as low cost, easy to apply as well as promoting formation of nickel-aluminides. Nickel-aluminides provides reservoir for aluminum against oxidation and mechanical strength in form of γ'- (Ni3Al) that is coherent with matrix. In the open literature, wear behavior studies of different high temperature coatings for Inconel series were commonly located. In particular, the majority of studies focuses on the overlay and thermal barrier coatings, nevertheless, these studies on the wear behaviors of coated Inconel series have not satisfactorily fill lack of literature. Therefore high temperature tribological and oxidation behavior of hot-dip aluminized Inconel 718 were detailly investigated to contribute literature. In this study, Inconel 718 samples are aluminized at 700°C for 2 minutes by hot-dipping then, some of aluminized sample were subjected to diffusion annealing at 700°C for 10 hours. Wear tests for bare, hot-dip aluminized, hot-dip aluminized and diffusion annealed Inconel 718 samples were performed at 25°C,300°C and 600°C in order to investigate high temperature tribological behavior. Additionally, to determine oxidation behavior of bare, hot-dip aluminized, hot-dip aluminized and diffusion annealed Inconel 718 specimens were subjected to isothermal oxidation tests at 800°C for 100 and 300 hours. Structural analyses were done by using scanning electron microscope, energy dispersive spectroscopy and X-ray diffractometer. Results has revealed that the wear rate of the hot-dip aluminized and diffusion annealed samples were found to be three times less than only hot-dip aluminized samples for wear test at room temperature. Diffusion annealing became more necessary after hot-dip aluminizing process according to wear test at 300°C and 600°C. When the worn surfaces are examined with scanning electron microscopy, it is clearly determined that the diffusion annealing prevents the oxidative wear mechanism. Additionally, microstructure of diffusion annealed samples that are subjected to isothermal oxidation tests were relatively found to have proper structure with less defects compared to bare Inconel 718 and only hot-dip aluminized sample.
Benzer Tezler
- H13 sıcak iş takım çeliklerinin aşınma dayanımına düşük sıcaklıklarda nitrasyon işleminin etkisi
Effect of low temperature nitriding on H13 hot work tool steel's wear resistance
ZAFER CAN TEOMAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU
- Akımsız Ni-P, Ni-B ve Ni-W-B kaplamaların yüksek sıcaklık oksidasyon ve camla etkileşim davranışlarının incelenmesi
Investigation of high temperature oxidation and glass interaction bahaviors of electroless Ni-P, Ni-B ve Ni-W-B coatings
SİNEM ERASLAN
Doktora
Türkçe
2015
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN
- Sıcak iş takım çeliklerinin yüksek sıcaklık darbeli kayma aşınma davranışının incelenmesi
Investigation of high temperature impact-sliding wear behaviour of hot work tool steels
BİRSEN BAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU
- Sıcak daldırma yöntemiyle aluminyum kaplanmış inconel 718 süperalaşımının oksidasyon direncinin incelenmesi
Investigation of oxidation resistance of hot dip aluminized inconel 718 superalloy
TOLGAY KALAYCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN
- Sıcak daldırma yöntemiyle aluminyum kaplanmış toz metalurjisi ile üretilen takım çeliklerinin aşınma davranışlarının incelenmesi
Investigation of wear behaviour of hot dip aluminized tool steels produced by powder metallurgy
BURAK BİLİM
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN