Geri Dön

Yönlü katılaşma ile üretilen CM247LC nikel esaslı süper alaşımının yüksek sıcaklık mekanik özelliklerinin incelenmesi

Investigation of high temperature mechanical properties of directionally solidified CM247LC nickel based superalloy

PDF İndir

  1. Tez No: 921868
  2. Yazar: MÜGE AKDEMİR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU, DR. HÜSEYİN AYDIN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Metallurgical Engineering, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 86

Özet

Nikel esaslı süper alaşımlar, yüksek sıcaklıklarda gösterdikleri mukavemet, kimyasal kararlılık ve korozyon dirençleri sebebiyle havacılık ve endüstriyel gaz türbin motorlarının türbin parçaları gibi 1300 °C'ye ulaşan yüksek sıcaklık gören bileşenlerinde kullanılmaktadır. Servis koşullarının gerektirdiği yorulma ömrü, kırılma tokluğu, sürünme direnci ve gerilme-kopma direnci gibi özellikleri karşılarlar. Yüksek itki gücüne ve düşük yakıt tüketimine sahip havacılık ve endüstriyel motor sistemlerinin geliştirilmesi, motor giriş sıcaklıklarının artmasına sebep olmuş ve nikel esaslı süper alaşımların geliştirilmesi ihtiyacı doğmuştur. Yönlü katılaşma tekniğinin nikel esaslı süper alaşımların üretimine entegre edilmesinin ardından, daha iyi sürünme ve yorulma direncine sahip süper alaşımlar elde edilmiştir. Bu katılaşma tekniğinde yüksek açılı tanelerin yapıdan uzaklaştırılması ile sütunlu tane yapısına sahip süper alaşımlar üretilerek mekanik özelliklerde ilerleme sağlanmıştır. 1980'ler itibariyle yönlü katılaşma ile nikel esaslı süper alaşımların gelişimi başlamış ve türbin kanadı, kanatçık ve dişlilerde geleneksel dökümle üretilen süper alaşımların yerini almıştır. Bu yüksek lisans tezi kapsamında, yönlü katılaşma ile üretilmiş ikinci nesil süper alaşımlardan CM247LC alaşımının sürünme davranışı ve mikroyapıdaki değişimleri incelenmiştir. Bu kapsamda, hassas döküm yöntemiyle üretilmiş kalıplara vakum indüksiyon ergitme (VIM) fırınında vakum altında dökülen ergiyik metal, yönünde kontrollü şekilde katılaştırılmış ve döküm çubukları olarak elde edilmiştir. Ardından, çözeltiye alma ve çift yaşlandırma işlemi uygulanmıştır. Optik mikroskop ve taramalı elektron mikroskobunda (SEM) yapılan analizlerde dendritik yapının çözündürüldüğü ve mukavemet artırıcı γ´ fazlarının ince, kübik ve homojen dağılımının sağlandığı gözlenmiştir. Isıl işlem öncesi ve sonrasında numunelere 760 °C, 871 °C ve 982 °C'de çekme testi uygulanmıştır. Artan test sıcaklığında akma ve çekme mukavemeti değerlerinin azaldığı gözlenmiştir. Süper alaşım, sürünme dayanımını incelemek için 760 °C, 871 °C ve 982 °C'de farklı gerilmeler altında sürünme testlerine tabi tutulmuştur. Sürünme ve çekme testleri sonrası kopan numunelerin kopma yüzeyleri dijital mikroskop altında incelenmiştir. Test sıcaklıklarında alaşımın sünek davranış gösterdiği ve sıcaklık arttıkça kopan numunelerdeki çatlakların boyutunun ve miktarının arttığı gözlenmiştir. Sürünme deformasyonu sonrasında kopan süper alaşımlar metalografik olarak hazırlanmış, optik mikroskop ve SEM ile deformasyon bölgeleri incelenmiştir. 760 °C'de 690 ve 750 MPa gerilme değerleri altında sürünme ömrü sırasıyla 981 ve 338 saattir. 871 °C'de ise 248, 318 ve 414 MPa gerilme altında sürünme ömrü 2237, 1059 ve 266 saattir. 982 °C'de 248, 318 ve 414 MPa gerilme değerleri altında sürünme ömrü 48, ~9 ve 1.2 saattir. Uygulanan gerilmedeki artış yüksek sıcaklıktaki sürünme ömrünü şiddetli şekilde düşürmüştür. Kararlı bölge sürünme hızı sıcaklık ve gerilmedeki yükselmeyle birlikte artmıştır. Baskın sürünme mekanizması ise uygulanan tüm test sıcaklıkları için dislokasyon sürünme mekanizmasıdır. Sürünme deformasyonu altında mikroyapıdaki değişimler birbirinden farklılık gösterir. 760 °C'de 690 MPa gerilmede mikroyapıda matris, çökelti fazları ve ötektiklerin morfolojisinde belirgin bir değişiklik gözlenmemiştir. Sürünme boşlukları, matris/karbür ve matris/ötektik arayüzeylerinde oluşmuştur. 871 °C'de 248 MPa gerilmede mikroyapıda yönlü deformasyon fenomeni görülür. 982 °C'de 248 MPa ve 318 MPa gerilmeler altında mikroyapıda γ´ çökeltileri ve γ fazında bozunmalar görülmüştür. Sürünme boşlukları 871 °C ve 982 °C'de matris ile karbür ve ötektik arayüzeyleri arasında oluşmuştur. Gelecekteki çalışmalarda, birincil ve ikincil sürünme bölgelerini ortaya çıkarmak için daha düşük gerilme değerlerinde sürünme testleri gerçekleştirilmesi ve böylece kararlı durum sürünme bölgesinin daha net bir şekilde ortaya çıkarılması amaçlanmaktadır. Düşük sıcaklık sürünme rejiminde, 871 °C ve 982 °C sürünme testleri için uygulanan gerilme değerleri altında daha fazla sürünme testi gerçekleştirilerek sürünme aktivasyon enerjileri hesaplanabilir. Ancak, düşük sıcaklık-düşük gerilme testleri, son derece uzun sürünme ömürleri nedeniyle bağlam dışı bir çalışma olabilir. Bu noktada, nanoindentasyon tekniği kullanılarak düşük sıcaklıklarda sürünme testleri gerçekleştirmek, uzun test sürelerinin üstesinden gelmek için iyi bir çözüm sunabilir ve bu yöntemin sürünme testlerinde kullanılmasının yaygınlaştırılmasına katkıda bulunabilir.

Özet (Çeviri)

Nickel based superalloys are used in high temperature engine components such as turbine blades, vanes, and wheels of aviation and industrial gas turbine engines, which reach up to 1300 °C, due to their strength, chemical stability, and corrosion resistance at high temperatures. The materials under consideration meet the required mechanical properties, including but not limited to fatigue life, fracture toughness, creep resistance, and stress-rupture resistance, at service conditions. The advancement of aviation and industrial engine systems, characterized by their elevated thrust and higher fuel consumption, has increased engine inlet temperatures and led to the development of nickel based superalloys. Hence, the integration of the directional solidification technique into the production of nickel-based superalloys has been demonstrated to enhance their creep and fatigue properties. This solidification technique facilitates the casting of superalloys with columnar grain structures characterized by longitudinal grain boundaries along the loading direction, thereby augmenting their mechanical properties. In the 1980s, directionally solidified (DS) nickel based superalloys replaced conventionally cast superalloys in turbine blades, vanes, and discs. CM247LC was developed by Cannon Muskegon Company as a second-generation DS alloy, with its alloy composition deriving from the conventionally cast first-generation MAR-M247 nickel-based superalloy. The extremely high temperature properties of nickel-based superalloys, particularly DS CM247LC, come from their chemical compositions and microstructural properties. To mitigate the propensity for grain boundary crack formation observed in MAR-M 247 within the CM247LC superalloy, a deliberate manipulation of the Zr, S, Si, and Ti elements was employed. Furthermore, a reorganization of the chemical concentration of W and Mo resulted in the formation of stable MC-type carbides. Therefore, the elimination of transverse grains from the structure was identified as a primary factor contributing to the enhancement of the creep properties of DS CM247LC in comparison to MAR-M247. Nickel based superalloys gain their strength by precipitation hardening which leads to the formation of the main strengthening precipitates“gamma prime-γ' (Ni3(Al, Ti))”in the gamma-γ matrix. γ' precipitates are embedded coherently in the γ matrix, and their morphology, volume fraction, and distribution directly affect the mechanical properties. Therefore, solution heat treatment and aging processes are applied to the nickel superalloy for optimum microstructure with cubic morphology, adequate volume fraction, and homogeneously distributed γ' precipitates. The cast microstructures might have interdendritic and dendritic areas, casting pores, eutectics, and different types of precipitates. In service conditions, other secondary precipitates may form, such as carbides and borides besides γ'-phases. However, these so-called TCP phases or precipitates, which require temperature and time to precipitate, can have detrimental effects on the structure as the crack initiation points. In addition, the high temperature mechanical behavior of these alloys varies with service temperature and stress values. Alloying elements balancing with Ni, such as Al, Cr, and Ti, provide oxidation and hot corrosion resistance. At the same time, C, B, Zr, Hf, and Ta promote carbide and boride formation, as well as grain boundary strengthening. On the one hand, Ta, Mo, W, and Re get involved in the solid solution and strengthening matrix stability. On the other hand, these elements can form detrimental phases (µ, σ, M6C, etc.) with time, leading to decreased mechanical properties and service life. The present study investigates the creep behavior and microstructure evolution of CM247LC alloy, which is a 2nd generation directionally solidified nickel-based superalloy. In this context, DS CM247LC alloy was cast into ceramic molds with a directional solidification design. The ceramic molds were prepared in casting clusters in the form of rods or coupon samples. All samples were cast in the VIM furnace with a controlled solidification rate along the direction. Then, a heat treatment procedure was applied, including step-wise solution heat treatment plus double aging processes in the vacuum heat treatment furnace. During the solution heat treatment stage, detrimental precipitates and coarse γ´ precipitates are dissolved within the matrix to get a homogenous structure. Then, followed by an aging process to ensure γ´phases are re-precipitated with designated size and morphology. After the heat treatment, the dendritic structure was dissolved, and the fine, cubic, homogeneous distribution of the strengthening γ' phases was precipitated, as demonstrated in the microstructural investigation using optical and electron microscopy (SEM) techniques. All tensile tests were applied to the rod samples at 760 °C, 871 °C, and 982 °C after the heat treatment. In order to examine the creep strength of the superalloy, it was subjected to tests under different stress values and temperatures. The creep behavior of Ni-based superalloys is evaluated by classifying them into three regimes. In the context of creep mechanism analysis, three temperature-based regimes have been identified due to the significant impact of temperature on creep behavior. These are categorized as follows: low temperature creep below 800 °C, intermediate temperature creep between 800 °C-950 °C and high temperature creep above 950 °C. In this regard, creep at low (760 °C), intermediate (871 °C), and high temperature (982 °C) regimes under different stress values were studied. Following the creep and tensile tests, the fracture surfaces of the creep samples were examined under a digital microscope. It was observed that ductile fracture occurred at the test temperatures. While the fracture surface of the sample tested at 760 °C under 690 MPa failed in an inclined manner, the sample tested at 982 °C exhibited a cup and cone-type ductile fracture. The size and amount of cracks/discontinuities in the fracture samples increased as the temperature increased. Following the creep deformation, the ruptured superalloys were metallographically prepared, and the deformation zones were examined using an optical microscope and SEM. At 760 °C, the creep life under 690 MPa and 750 MPa stresses was 981 and 338 hours, respectively. At 871 °C, the creep life under 248 MPa, 318 MPa, and 414 MPa stresses was 2237, 1059, and 266 hours. At 982 °C, the creep under 248 MPa, 318 MPa, and 414 MPa stresses was 48, ~9 and 1.2 hours. The increase in the applied stress had a significant impact on the creep life at high temperatures. The secondary state creep rate increased with both increasing temperature and stress. For all test temperatures, dislocation creep was the dominant creep mechanism. Structural changes after creep deformation were compared, and it was found that the changes in microstructure under creep deformation differed from each other. The microstructure retained the same with the cuboidal-γ´ precipitate phases and undissolved eutectics in the microstructure under 690 MPa stress at 760 °C. Creep voids were formed at the matrix/carbide and matrix/eutectic interfaces. The shape of the creep voids in the sample ruptured at 760 °C continues like a thin line extending along the interface, but the number of these voids in the structure is relatively small. On the other hand, the rafting phenomenon was observed in the microstructure under 248 MPa stress at 871 °C. It is believed that the increase in the negative lattice misfit causes the deterioration of the coherency between γ´ and γ at high creep temperatures. Therefore, γ´ precipitates rafted as N-type in the microstructure after the creep test at 871 °C. Also, at high temperature creep regimes (at 982 °C), the γ matrix and γ´ precipitates were morphologically distorted under stress values of 248 MPa and 318 MPa. Although the γ´ precipitates became coarse and agglomerated, they exhibited no discernible orientated deformation structure (rafting) at elevated temperatures (982 °C). This process resulted in the dissolution of their cubic structure. Creep voids were formed between the matrix/carbide, matrix/eutectic, and carbide/eutectic interfaces at 871 °C and 982 °C. In future studies, it is aimed to perform creep tests at lower stress values to remove primary and secondary creep zones, which can also reveal the steady state creep region more clearly. In the low-temperature creep regime (760 °C), creep activation energies can be calculated by performing more creep tests under the same stress values applied for the 871 °C and 982 °C creep tests. However, low-temperature and low-stress value tests can be an out-of-context study due to their extremely long creep life. In this point, conducting creep tests at low temperatures using the nanoindentation technique can be a good solution to overcome long test periods, and it can also contribute to the state of knowledge by utilizing this method in creep tests.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    584433

    Nial-34cr-x(fe, nb, ti) alaşımının elektrik akım destekli sinterleme (ecas) yöntemiyle üretimi ve karakterizasyonu

    Production and characterization of nial-34cr-x (fe, nb, ti) alloy electric current activated sintering (ecas) method

    CİHAN ÇEPER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Metalurji MühendisliğiSakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ÖZKAN ÖZDEMİR

  2. Tez No

    967209

    Advancing creep performance and oxidation resistance of inconel 939 alloy fabricated by selective laser melting

    Seçici lazer ergitme yöntemi ile üretilen ınconel 939 alaşımının sürünme performansı ve oksidasyon direncinin geliştirilmesi

    FATİH GÜLER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖZGÜL KELEŞ

    DR. HÜSEYİN AYDIN

  3. Tez No

    125791

    Alüminyum alaşımlarının yönlü katılaşması ve süreç parametrelerinin irdelenmesi

    Directional solidification of aluminum alloys and studying the process parameters

    KAMİL KUNT TÜZÜNALP

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2002

    Metalurji MühendisliğiGazi Üniversitesi

    Metal Eğitimi Ana Bilim Dalı

    DOÇ.DR. A. TAMER ÖZDEMİR

    DOÇ.DR. ALİ KALKANLI

  4. Tez No

    496507

    Multi-scale self-healing nanocomposite shielding material for aerospace

    Havacılık ve uzay için kendini çok boyutta onarabilen nanokompozit zırh malzemesi

    TAYFUN BEL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CÜNEYT ARSLAN

    PROF. DR. NİLGÜN BAYDOĞAN

  5. Tez No

    398115

    Ergitmeli yığma yöntemiyle üretim yapan 3D yazıcılarda çift filament süren ekstruder tasarımı

    Double filament extruder design for 3D fused deposition modelling printer

    KEMAL OKTAY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. VEDAT TEMİZ

Geri Dön