Havacılık ve uzay uygulamaları için yüksek entropili alaşımların tasarımı, üretimi, karakterizasyonu ve mikro yer çekimli ortamda davranışlarının incelenmesi
Design, production, characterization, and study of behavior in a microgravity environment of high entropy alloys for aerospace and space applications
- Tez No: 934756
- Danışmanlar: PROF. DR. ONURALP YÜCEL, DOÇ. DR. HAVVA KAZDAL ZEYTİN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 210
Özet
Teknolojik gelişmeler sonucunda daha üstün performans gösteren savunma sanayii, uzay ve havacılık alanlarında malzemelere olan ihtiyaç da artmıştır. Malzeme bilimi ve mühendisliği alanında süperalaşımlardan sonra popüler olan ve gelecekte mevcut alaşımların yerini alması beklenilen alaşım grubu olarak yüksek entropili alaşımlar (YEA) görülmektedir. Konvansiyonel alaşımlara kıyasla düşük difüzyon hızı, yüksek entropi etkisi, latis distorsiyonu ve kokteyl efekti gibi özel mekanizmalar sayesinde daha üstün mekanik, korozif ve radyasyon direnci gibi özellikleri olduğu, araştırmalar sonucunda ortaya konulmuştur. Bu sayede savunma sanayi, havacılık endüstrisi, uzay sanayi ve nükleer sanayi gibi çok çeşitli bir alanda kullanım alanı bulabilme potansiyelleri mevcuttur. Bu tez çalışmasında hesaplamalı malzeme mühendisliği (CALPHAD) yöntemlerinden olan ThermoCalc yazılımı kullanılarak çeşitli yüksek entropili alaşımlar tasarlanmıştır. Tasarlanan alaşımların giriş hammadde oranları, kritik dönüşüm sıcaklıkları, üretim sonucu ihtiva edecekleri kararlı faz miktarları, faz kararlılık bölgeleri ve ısıl işlem tasarımları ThermoCalc yazılımı TCHEA7 veritabanı ile MOBHEA3 kinetik veritabanı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmalar beş ana bölümde incelenmiştir. İlk bölümde, tasarlanan kompozisyonların vakum ark ergitme (VAM) ve yönlendirilmiş katılaşma (VIM-IC, DS) yöntemleriyle üretimleri gerçekleştirilmiştir. Mikroyapı doğrulamaları taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile yapılmış ve kimyasal bileşimler, XRF yöntemi kullanılarak yarı kantitatif olarak doğrulanmıştır. Termal analizler için DSC, faz analizleri için ise XRD teknikleri kullanılarak kararlı fazlar ve dönüşüm sıcaklıkları tespit edilmiştir. Ayrıca üretim sonuçları ile simülasyon çalışmaları karşılaştırılarak nihai ürünler üzerinde doğrulukları kıyaslanmıştır. İkinci bölümde mekanik test sonuçları ve ısıl işlemler (post-prosesler) sonrası detaylı incelemeler gerçekleştirilmiştir. Yüksek sıcaklık (1100oC)'ta 2 vuruşluk 10-ton güçte sıcak dövme sonrası 1 saatlik 1100oC'de ısıl işlem gerçekleştirilmiş ve ikincil çökelti fazlarının başarılı bir şekilde elde edilebildiği SEM yöntemi ile tespit edilmiştir. Böylelikle geliştirilen YEA'nın dövme malzemesi olarak da kullanılabilirliği ortaya koyulmuştur. ASTM G99 standartına göre gerçekleştirilen yüksek sıcaklık aşınma testleri ile NiCoCr çok bileşenli alaşımına molar olarak %,0,5'ten %2'ye kadar Re ilavesi ile oda sıcaklığında, 250oC ve 400oC'deki aşınma direncleri incelenmiştir. Oda sıcaklığında artan Re oranı ile doğrusal olarak aşınma oranının arttığı, yüksek sıcaklıklarda ise aşınma direncini arttırarak %1,5 Re ilavesi değerinde en düşük aşınma oranı değeri 0,235(mm3/mm)x10-3 tespit edilmiştir. NiCoMnFe yüksek entropi alaşımına Nb ve V ilavesi ile akma ve çekme dayanımlarında önemli seviyede artış meydana gelmektedir. Sünek kırılmadan gevrek kırılmaya doğru davranış gösterdiğinden optimum alaşım elementinin (Nb ve V) %1,5 mol seviyesinde olması gerektiği tespit edilmiştir. Bu sayede alaşımın akma dayanımı 189,97MPa'dan 225,59MPa'a artırılarak %18,75 performans artışı sağlanmıştır. Çekme dayanımı ise 380,47MPa'dan 472,02MPa değerine %24 artış göstermiştir. VAM ile üretilmiş alaşımlarda döküm halinde 240,24MPa akma mukavemeti, 620,43MPa çekme mukavemeti ve %40,73 uzama değeri elde edilmiştir. VIM-IC, DS üretimde ise 407,21MPa akma mukavemeti değeri, 482,18MPa çekme mukavemeti ve %2,68 uzama elde edilmiştir. Yönlendirilmiş katılaşma ile üretilen YEA'larda başarılı tane yönlenmesi ile akma mukavemetinde %69,50 iyileştirme sağlanmıştır. NiCoMnFe yüksek entropi alaşımına Nb ve V ilavesi ile akma ve çekme dayanımlarında önemli seviyede artış meydana gelmektedir. Sünek kırılmadan gevrek kırılmaya doğru davranış gösterdiğinden optimum alaşım elementinin (Nb ve V) %1,5 mol seviyesinde olması gerektiği tespit edilmiştir. Bu sayede alaşımın akma dayanımı 189,97MPa'dan 225,59MPa'a artırılarak %18,75 performans artışı sağlanmıştır. Çekme dayanımı ise 380,47MPa'dan 472,02MPa değerine %24 artış göstermiştir. VAM ile üretilmiş alaşımlarda döküm halinde 240,24MPa akma mukavemeti, 620,43MPa çekme mukavemeti ve %40,73 uzama değeri elde edilmiştir. VIM-IC, DS ile üretimde ise 407,21MPa akma mukavemeti değeri, 482,18MPa çekme mukavemeti ve %2,68 uzama elde edilmiştir. Yönlendirilmiş katılaşma ile üretilen YEA'larda başarılı tane yönlenmesi ile akma mukavemetinde %69,50 iyileştirme sağlanmıştır. Isıl işlem çalışmaları sonrasında konvansiyonel süperalaşımlara kıyasla 1250oC'de 8 saatlik homojenizasyon ısıl işleminin yeterli olmadığı en az 24 saatin sonunda homojen dağılmış ve küresel morfolojideki çökeltilerin elde edilebileceği tespit edilmiştir. Isıl işlemler sonucunda ise sertlik değerinde az bir miktarda düşüş gözlemlenmiştir. YEA'larda karakteristik bir özellik olan yavaş difüzyon mekanizması sayesinde faz dönüşümlerinin daha yavaş gerçekleştiği ve ısıl işlemler sonrası sertliğin önemli ölçüde azalmadığı tespit edilmiştir. Isıl işlem sonrası VAM ile üretilmiş NiCoCrMoWRe kompozisyonunda akma dayanımı değeri döküm halinde 240,42MPa iken 72 saatlik 1250oC'de gerçekleştirilen proses sonrasında 269,62MPa elde edildiği çekme dayanımı ise 620,43MPa'dan 691,61MPa değerine yükseldiği görülmektedir. Bu deney setinde mukavemet değerlerinin yanı sıra yüzde uzama değeri de %40,73'ten %61,19'a arttırılarak alaşımın hem mukavemet değerleri hem de plastik şekil verme kabiliyeti arttırılabilmiştir. Üçüncü bölümde geliştirilen NiCoCrMoWRe alaşımının gamma ışınlarına karşı absorbsiyon değerleri, ticari SS321 alaşımıyla kıyaslanmıştır. Yapılan analizlerde, geliştirilen YEA'nın absorbsiyon katsayısı (μ) 0,75cm−1 olarak tespit edilirken, ticari SS321 alaşımının katsayısı 0,68cm−1 olarak belirlenmiştir. Bu sonuçlar, geliştirilen alaşımın aynı kalınlık değerinde gamma ışınlarına %10,29 oranında daha dirençli olduğunu ortaya koymaktadır. Ayrıca FCC_L12 fazının varlığı arttıkça gamma absorbsiyon özelliğinin de arttığı tespit edilmiştir. Böylelikle, nükleer endüstri için kullanılabilecek yapısal YEA malzemelerin, içerdiği fazların türü ve oranlarına bağlı olarak gamma ışını geçirgenlikleri detaylı bir şekilde değerlendirilmiş ve bu malzemelerin radyasyon koruması açısından uygunluğu ortaya konulmuştur. Deneysel çalışmaların dördüncü bölümünde, mikro yerçekimi koşullarında yapılan deneyler gerçekleştirilmiştir. Bu bağlamda, YEA'ların mikro yerçekimi ortamındaki davranışlarını anlamak amacıyla UUİ'deki ELF sistemi kullanılarak JAXA altyapısı ile deneyler gerçekleştirilmiştir. Bu deneylerde, tasarlanan alaşımların ergitme ve katılaşma süreçleri mikro yerçekimi koşullarında izlenmiş ve dekompozisyona uğramadıkları tespit edilmiştir. Mikro yerçekimi ortamında üretim sürecinin, malzeme homojenliği, mikroyapı kontrolü, termofiziksel özelliklerin en doğru şekilde ölçülebilmesi açısından avantajlar sunduğu gözlemlenmiştir. Beşinci bölümde ise kaplama ve izotermal oksidasyon çalışmalarına yer verilmiştir. NiCoCrMoRe YEA kompozisyonuna 1075oC'de 5 saat süreyle kimyasal buhar biriktirme (CVD) reaktöründe yüzey alüminyumlama (CVA) işlemi gerçekleştirilmiştir. Alaşım yüzeyinde NiAl tabakası başarılı bir şekilde elde edilebilmiştir. Alaşımın NiAl kaplamalı ve kaplamasız numuneleri 13mm çap 5mm kalınlıkta hazırlanarak izotermal oksidasyon testine tabi tutulmuştur. Kaplamalı numunelerde α-Al2O3 koruyucu fazı elde edilmiştir. Kaplamasız numunede ise yüzeyde spinel oksitler (CoCr2O4 ve NiCr2O4) ile Cr2O3 fazı tespit edilmiştir. Bulunan fazlar XRD yöntemi ile analiz edilmiş ve uluslararası kırınım verileri merkezi (ICDD) kartları ile doğrulanmıştır. Ayrıca taramalı elektron mikroskobu (SEM), enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDS) ve Raman analizleri ile de oksit yapılarının karakterizasyonları pekiştirilmiştir. Deneysel sonuçlar, NiAl kaplamalı numunelerde parabolik bir ağırlık değişimi olduğunu ortaya koymuştur. Bu numuneler için hesaplanan oksidasyon hız sabiti (kp) değeri 0,017±0,004mg2cm−4h−1 olarak bulunmuştur. Öte yandan, kaplamasız numunelerde izotermal oksidasyonun ilk 96 saati boyunca parabolik bir ağırlık azalması gözlenmiş, ancak 96 saat ile 200 saat arasında bu değişim doğrusal bir azalmaya dönüşmüştür. Kaplamasız numuneler için kp değeri 4,991±0,73 mg2cm−4h−1 olarak tespit edilmiştir. NiAl kaplamalı numunelerde gözlenen düşük kp değeri, kaplamada oluşan α-Al2O3'ün koruyucu ve yavaş büyüme özelliği ile ilişkilendirilmiştir. Bu durum, kaplamasız numunelere kıyasla NiAl kaplamanın daha etkin bir oksidasyon direnci sağladığını göstermektedir. Sonuç olarak, bu çalışmada tasarlanan ve üretilen yüksek entropili alaşımlar gerek mekanik özellikler gerekse yüksek sıcaklık dayanımı açısından konvansiyonel süperalaşımlara kıyasla önemli avantajlar sunmaktadır. Elde edilen bulgular, bu tür alaşımların havacılık ve uzay uygulamaları gibi ileri mühendislik alanlarında kullanılma potansiyelini doğrulamaktadır. Özellikle mikro yerçekimi ortamında yapılan deneyler, gelecekteki uzayda ve mikro yer çekimi koşullarında üretim süreçleri için önemli bir temel oluşturmakta ve yeni nesil malzeme tasarımı için yol gösterici olmaktadır.
Özet (Çeviri)
With advancements in technology, the demand for materials with superior performance in defense, aerospace, and aviation industries has increased. In the field of materials science and engineering, high-entropy alloys (HEAs) have emerged as a promising alloy group that has gained popularity after superalloys and is expected to replace conventional alloys in the future. Studies have demonstrated that HEAs possess superior mechanical properties, corrosion resistance, and radiation resistance due to unique mechanisms such as low diffusion rates, high entropy effects, lattice distortion, and cocktail effects when compared to conventional alloys. Consequently, they hold potential for widespread applications in the defense industry, aerospace, space exploration, and nuclear sectors. In this thesis, various high-entropy alloys were designed using Thermo-Calc software, which is based on computational materials engineering (CALPHAD) methods. The input raw material ratios, critical transformation temperatures, stable phase quantities in the final products, phase stability regions, and heat treatment designs for the designed alloys were determined using the TCHEA7 database and the MOBHEA3 kinetic database integrated into Thermo-Calc software. The experimental studies were divided into five main sections. In the first section, the designed compositions were produced using vacuum arc melting (VAM) and directional solidification (VIM-IC, DS) methods. Microstructural validations were performed using scanning electron microscopy (SEM), and chemical compositions were semi-quantitatively confirmed using the XRF method. Differential scanning calorimetry (DSC) was employed for thermal analyses, and X-ray diffraction (XRD) techniques were used for phase analyses to determine stable phases and transformation temperatures. Furthermore, the experimental results were compared with simulation studies, and their accuracy on the final products was evaluated. In the second section, detailed mechanical characterizations and post-process heat treatments were conducted. Following hot forging at 1100°C with two strokes under a 10-ton force, a one-hour heat treatment at 1100°C was applied, during which secondary precipitate phases were extensively identified using SEM. This demonstrated the feasibility of using the developed HEA as a forged material. Hightemperature wear tests were performed according to ASTM G99 standards, examining the wear resistance of a NiCoCr multi-component alloy with the addition of Re in molar ratios ranging from 0.5% to 2% at room temperature, 250°C, and 400°C. The results showed that at room temperature, the wear rate increased linearly with higher Re content, whereas at high temperatures, wear resistance improved. The lowest wear rate, 0.235 (mm³/mm)·10⁻³, was observed at a Re addition of 1.5%. The addition of Nb and V to the NiCoMnFe high-entropy alloy significantly enhances its yield and tensile strengths. Due to the transition from ductile to brittle fracture behavior, it was determined that the optimal molar percentage of the alloying elements (Nb and V) should be 1.5%. This adjustment increased the alloy's yield strength from 189.97 MPa to 225.59 MPa, achieving an 18.75% performance improvement. Similarly, the tensile strength rose from 380.47 MPa to 472.02 MPa, reflecting a 24% enhancement. For alloys produced via vacuum arc melting (VAM), a yield strength of 240.24 MPa, a tensile strength of 620.43 MPa, and an elongation of 40.73% were obtained in the as-cast condition. In the case of production via vacuum induction melting and directional solidification (VIM-IC, DS), the yield strength reached 407.21 MPa, the tensile strength was 482.18 MPa, and elongation was recorded at 2.68%. High-entropy alloys produced through directional solidification exhibited a 69.50% improvement in yield strength due to successful grain alignment. The addition of Nb and V to the NiCoMnFe high-entropy alloy resulted in significant improvements in both yield and tensile strengths. Due to the observed transition from ductile to brittle fracture behavior, it was determined that the optimal molar percentage of the alloying elements (Nb and V) should be 1.5%. With this adjustment, the yield strength of the alloy increased from 189.97 MPa to 225.59 MPa, reflecting an 18.75% improvement. Similarly, the tensile strength increased from 380.47 MPa to 472.02 MPa, representing a 24% enhancement. For alloys produced via vacuum arc melting (VAM), the as-cast condition yielded a strength of 240.24 MPa, a tensile strength of 620.43 MPa, and an elongation of 40.73%. Meanwhile, alloys produced through vacuum induction melting and directional solidification (VIM-IC, DS) exhibited a yield strength of 407.21 MPa, a tensile strength of 482.18 MPa, and an elongation of 2.68%. The yield strength of highentropy alloys produced via directional solidification was improved by 69.50% due to successful grain orientation. Following heat treatment studies, it was determined that an 8-hour homogenization process at 1250°C was insufficient compared to conventional superalloys. Instead, at least 24 hours of processing was required to achieve uniformly distributed and spherically shaped precipitates. Minor reductions in hardness were observed after heat treatments. The characteristic slow diffusion mechanism of HEAs was found to contribute to slower phase transformations, preventing significant decreases in hardness post-treatment. After heat treatment, the yield strength of the NiCoCrMoWRe composition produced via VAM increased from 240.42 MPa in the as-cast condition to 269.62 MPa following a 72-hour process at 1250°C. The tensile strength also increased from 620.43 MPa to 691.61 MPa. Furthermore, the elongation percentage improved from 40.73% to 61.19%, demonstrating enhanced strength as well as improved plastic deformability of the alloy. In the third section, the gamma-ray absorption values of the developed NiCoCrMoWRe alloy were compared with those of the commercial SS321 alloy. Analyses showed that the absorption coefficient (μ) of the developed HEA was determined to be 0.75 cm⁻¹, while that of the commercial SS321 alloy was found to be 0.68 cm⁻¹. These results indicate that the developed alloy is 10.29% more resistant to gamma rays at the same thickness. Moreover, it was observed that the gamma absorption capability increases with the presence of the FCC_L1₂ phase. Thus, the gamma-ray transmittance of structural HEA materials suitable for use in the nuclear industry was thoroughly evaluated based on the types and proportions of the phases they contain, demonstrating the suitability of these materials for radiation shielding purposes. The fourth section of the experimental studies focused on experiments conducted under microgravity conditions. In this context, experiments were carried out using the ELF system aboard the ISS with the support of JAXA infrastructure to investigate the behavior of HEAs in a microgravity environment. During these experiments, the melting and solidification processes of the designed alloys were monitored under microgravity conditions, and it was confirmed that no decomposition occurred. It was observed that the production process in a microgravity environment offers significant advantages in terms of material homogeneity, microstructure control, and the precise measurement of thermophysical properties. The fifth section focused on coating and isothermal oxidation studies. A chemical vapor aluminizing (CVA) process was performed on the NiCoCrMoRe HEA composition at 1075°C for 5 hours in a chemical vapor deposition (CVD) reactor. A NiAl layer was successfully formed on the alloy surface. Both NiAl-coated and uncoated samples of the alloy were prepared in dimensions of 13 mm diameter and 5 mm thickness and subjected to isothermal oxidation testing. In the coated samples, the protective α-Al₂O₃ phase was obtained, while in the uncoated samples, surface spinel oxides (CoCr₂O₄ and NiCr₂O₄) and the Cr₂O₃ phase were identified. The phases were analyzed using XRD and verified with ICDD cards. Additionally, the oxide structures were further characterized through SEM, EDS, and Raman analyses. Experimental results demonstrated a parabolic weight change in NiAl-coated samples, with a calculated parabolic rate constant (kp) of 0.017±0.004 mg2xcm−4xh−1 value indicates the strong oxidation resistance provided by the NiAl coating, which is primarily attributed to the protective and slow-growing characteristics of the α-Al₂O₃ layer formed during the oxidation process. The α-Al₂O₃ layer acts as a robust barrier against oxygen diffusion, significantly reducing the rate of oxidation and enhancing the material's durability under high-temperature conditions. On the other hand, uncoated samples exhibited distinct oxidation behaviour, with a parabolic weight reduction observed during the initial 96 hours of isothermal oxidation. Beyond 96 hours, this parabolic behaviour transitioned into a linear weight loss trend, reflecting the gradual breakdown of the protective oxides on the uncoated surface. The kp value for uncoated samples was determined to be 4.991±0.73 mg2xcm−4xh−1, significantly higher than that of the coated samples. This higher rate constant is indicative of a less effective protective mechanism, as the uncoated samples primarily formed spinel oxides (CoCr₂O₄, NiCr₂O₄) and Cr₂O₃, which are less stable and more susceptible to breakdown under prolonged high-temperature exposure. The stark contrast in kp values highlights the superior performance of the NiAl coating in resisting oxidation. The presence of the α-Al₂O₃ layer not only slows down the oxidation process but also ensures long-term stability of the material in harsh environments, making it a promising candidate for high-temperature applications. In comparison, the uncoated samples, with their relatively higher oxidation rates, would require additional surface treatments or modifications to achieve similar levels of performance. In summary, the high-entropy alloys designed in this study demonstrate significant advantages over conventional superalloys, particularly in terms of mechanical properties, high-temperature oxidation resistance, and structural stability. These findings underscore the potential of these alloys for advanced engineering applications, such as aerospace, aviation, and space exploration. Furthermore, the experiments conducted under microgravity conditions provide valuable insights into the behaviour of these materials in unique environments, laying a critical foundation for future space-based manufacturing processes. The results serve as a guide for designing next-generation materials with enhanced performance, reliability, and adaptability, emphasizing their relevance in high-demand engineering sectors.
Benzer Tezler
- Synthesis and development of refractory high entropy alloys
Refrakter yüksek entropili alaşımların sentezi ve geliştirilmesi
AYBERK AYRENK
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Metalurji MühendisliğiÇankaya ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ İLKAY KALAY
- Mekanik alaşımlama ve basınçsız sinterleme yöntemleri ile WNbMoVAlxCry (x, y = 0 – 1,0) refrakter yüksek entropi alaşımlarının sentezlenmesi ve ilişkin karakterizasyon çalışmaları
Synthesis and related characterization investigations of WNbMoVAlxCry (x, y = 0 – 1,0) refractory high entropy alloys by mechanical alloying and pressureless sintering methods
CEM ÇİÇEK
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA LUTFİ ÖVEÇOĞLU
- CrCoNiFeMo katkılı B4C matrisli kompozitlerin SPS ile üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of B4C matrix with addition of CrCoNiFeMo composites by SPS
BURAK ÇAĞRI OCAK
Doktora
Türkçe
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLTEKİN GÖLLER
- Fabrication of high entropy boride ceramics using high-purity Hf, Ti, Zr, Mo, W, Mn, Cr boride powders produced from cost-effective oxides via mechanochemical synthesis method
Mekanokimyasal sentez yöntemiyle uygun maliyetli oksitlerden üretilen yüksek saflıkta Hf, Ti, Zr, Mo, W, Mn, Cr borür tozları kullanılarak yüksek entropili borür seramiklerinin üretimi
AMIR AKBARI
Doktora
İngilizce
2025
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DUYGU AĞAOĞULLARI
- Ising nanotüp sisteminde dinamik manyetokalorik etkinin incelenmesi
Investigation of dynamic magnetocaloric effect on the ising nanotube system
NAZİFE ERDİNÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Fizik ve Fizik MühendisliğiNevşehir Hacı Bektaş Veli ÜniversitesiNanobilim ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BAYRAM DEVİREN