Pack aluminizing of inconel 718 superalloy produced by cold spray additive manufacturing
Soğuk sprey eklemeli imalat yöntemi ile üretilen inconel 718 süperalaşımının kutu alüminyumlama işlemi
- Tez No: 959201
- Danışmanlar: PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- 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: 79
Özet
Inconel 718, nikel esaslı süperalaşımlar sınıfında yer alan ve yüksek sıcaklıklarda üstün mekanik özellikler sergileyen bir malzemedir. Kimyasal bileşimi, nikel, krom, demir, niyobyum, molibden ve titanyum gibi elementleri içermekte olup bu elementlerin oluşturduğu fazlar alaşımın özelliklerini belirlemektedir. Alaşımın temel matris fazı yüzey merkezli kübik (YMK) yapıya sahip γ (gama) fazıdır. Mukavemeti artıran en önemli çökelti fazları ise γ′ (Ni3(Al,Ti)) ve γ′′ (Ni3Nb) fazlarıdır. Ayrıca karbürler (MC, M23C6), delta (δ – Ni3Nb) fazı ve Laves fazı da mikroyapıda bulunabilmektedir. Özellikle δ fazı, tane sınırlarında çökelerek tane boyutunun kontrol edilmesine katkıda bulunur. Laves fazı ise genellikle niyobyum açısından zengin bölgelerde katılaşma sırasında veya uygunsuz ısıl işlemler sonucunda ortaya çıkan kırılgan ve gevrek bir fazdır. Bu faz, alaşımın sünekliğini ve darbe dayanımını olumsuz yönde etkilerken, çökelme sertleşmesi için gerekli olan Nb miktarını azaltarak γ′′ fazının oluşumunu da sınırlar. Bu fazların dağılımı, miktarı ve morfolojisi, İnconel 718 alaşımının yüksek sıcaklık dayanımı, korozyon direnci ve yorulma davranışını doğrudan etkilemektedir. Bu nedenle, üretim parametreleri ve ısıl işlemler, mikroyapı kontrolü açısından kritik öneme sahiptir. Alaşım geleneksel olarak döküm, dövme ve haddeleme yöntemleri ile üretilmektedir. Son yıllarda ve günümüzde bu yöntemlere ek alternatif üretim yöntemleri de geliştirilmiştir. Bu alternatif üretim yöntemlerinden en güncel olanı ise soğuk sprey yöntemidir. Soğuk sprey yöntemi ilk olarak yüzey kaplama teknolojisinde kullanılsa da günümüzde eklemeli imalat teknolojisinde de kullanılmaktadır. Bu eklemeli imalat teknolojisi ile de Inconel 718 alaşım üretimi gerçekleştirmek mümkün hale gelmiştir. Bu işlem süpersonik hızlarda ve düşük sıcaklıklarda herhangi bir ergime olmadan gerçekleştirilmektedir. Uygulama sıcaklığının düşük olması altlık malzemesinin başlangıç mikroyapısının korunması için önemli bir avantaj oluşturmaktadır. Sprey ile püskürtülen katmanların üzerine yöntem uygulanmaya devam ettikçe yeni katmanlar oluşması sağlanmaktadır. Bu şekilde hedef parça üretimi tamamlanana kadar birikim süreci tekrarlanır. Herhangi bir ergitme ve sinterleme aşaması bulunmamaktadır. Eklemeli imalat teknolojilerinde proses sonrasında genel olarak mikroyapıda porozite oranı yüksektir. Bu porozite oranlarının azaltılması için ısıl işlem, sıcak izostatik presleme gibi post prosesler uygulanmaktadır. Uygulanan bu prosesler sayesinde porozite azaltılmakta ve endüstride kullanımı daha uygun malzemeler elde edilmektedir. Soğuk sprey eklemeli imalat prosesi sonrası da genellikle post proses gereksinimi olmaktadır. Ek olarak bu post prosesler toz üretimi esnasında oluşan laves gibi fazları gidermek için de kritik rol oynamaktadır. Proses esnasında herhangi bir ergime, ısı transferi gerçekleşmediği için soğuk sprey eklemeli imalat prosesi sonrasında mikroyapıda proseste kullanılan toz mikroyapısındaki fazların tamamı görülmektedir. Inconel 718 alaşımında hızlı soğuma ile oluşan laves fazları gaz atomizasyon tekniği ile üretilen toz üretimi esnasında oluşmaktadır. Bu laves fazlarının ağsı ve hacimce fazla olarak mikroyapıda bulunması malzemenin mekanik özelliklerini olumsuz etkilemektedir. Yaklaşık 1150-1200 °C sıcaklıklarda uygulanan homojenizasyon ısıl işlemleri sonucunda bu laves fazları çözünmektedir. Homojenizasyon ısıl işlemi sonrasında uygulanan aging prosesleri ile γ′′ fazları çökelmektedir. γ′′ fazının çökelmesi ile malzemenin mekanik özellikleri daha da iyileşmektedir. Inconel 718 malzemesi homojenizasyon ısıl işlemi sonrasında yaklaşık 900 °C sıcaklıkta uzun süreli bekletilir ise mikroyapıda iğnemsi morfolojide delta fazı oluşumu meydana gelmektedir. Delta fazları homojenizasyon ısıl işlemi öncesinde niyobyum ve molibdence zengin laves bölgelerinde çökelmektedir. Yüksek sıcaklık ortamlarında çalışan süperalaşımların yüzey özelliklerini iyileştirmek amacıyla çeşitli yüzey kaplama yöntemleri kullanılmaktadır. Bu yöntemler arasında öne çıkan tekniklerden biri de kutu alüminyumlama yöntemidir. Termokimyasal bir difüzyon prosesi olan bu yöntem, katı hal difüzyonu prensibine dayanarak yüzeye alüminyum difüze edilmesiyle çalışır. İşlem sırasında, alüminyum içeren toz karışımı, aktivatör ve inert taşıyıcı tozlarla birlikte iş parçası kapalı bir ortamda ısıtılır. Yüksek sıcaklıkta aktivatörün yardımıyla alüminyum, iş parçasının yüzeyine taşınır ve burada difüzyon yoluyla matrisle reaksiyona girerek Al açısından zengin intermetalik fazlar oluşturur. Bu yöntem, nikel esaslı süperalaşımlardan biri olan Inconel 718 üzerinde de yaygın olarak uygulanmakta ve alaşımın oksidasyon ile sıcak korozyon direncini belirgin şekilde artırmaktadır. İnconel 718 alaşımının yüksek sıcaklıkta maruz kaldığı zorlu çalışma koşullarında, kutu alüminyumlama yöntemi ile elde edilen difüzyon kaplaması malzemenin yüzeyinde koruyucu bir bariyer oluşturarak oksijen ve agresif ortam bileşenlerinin iç yapıya ulaşmasını engeller. Uygulama kolaylığı, düşük maliyeti ve karmaşık geometrilere sahip parçaların da kaplanabilmesi sayesinde kutu alüminyumlama yöntemi, İnconel 718 ve benzeri süperalaşımlarda tercih edilen bir yüzey iyileştirme tekniği olarak öne çıkmaktadır. Kutu alüminyumlama yöntemi sonrasında yüzeyde, alüminyumun alaşımın matris yapısına difüzyonuyla oluşan çok tabakalı bir difüzyon kaplaması meydana gelir. Bu kaplama genellikle iki ana bölgeden oluşur: dışta Al açısından zengin, sert ve yoğun bir β-NiAl intermetalik tabakası ile içte daha düşük Al konsantrasyonuna sahip, Ni ve Al'ın birlikte bulunduğu bir difüzyon bölgesi. β-NiAl tabakası, yüksek sıcaklıkta oksidasyona ve sıcak korozyona karşı mükemmel koruma sağlayan, kompakt ve sürekli bir yapıya sahiptir. Difüzyon bölgesi ise β-NiAl tabakasının altında yer alır ve alaşımın ana matris fazı (γ) ile β-NiAl fazı arasında bir geçiş oluşturur. Ayrıca işlem sırasında belirli miktarda karbürlerin ve intermetalik bileşiklerin de oluşabildiği görülmektedir. İnconel 718 alaşımında elde edilen bu kaplama, yüzeyde sürekli ve aderansı yüksek bir bariyer oluşturarak oksijen ve korozif ortam bileşenlerinin malzeme içine ilerlemesini büyük ölçüde engeller ve böylece malzemenin servis ömrünü uzatır. Bu çalışmada soğuk sprey eklemeli imalat prosesi ile üretilmiş Inconel 718 süperalaşımına 1200 °C sıcaklıkta 2 saat ısıl işlem prosesi uygulanmıştır. Isıl işlem öncesi ve sonrası numunelerde porozite ölçümleri ve sertlik testleri yapılmıştır. Isıl işlem uygulanmış numunelere 600 °C'de 5 saat kutu alüminyumlama işlemi yapılmıştır. Kutu alüminyumlama prosesinde 5% AlCl3, 25% Al ve 70% Al2O3 içeriğinde toz karışımı kullanılmıştır. Kutu alüminyumlama sonrası kaplama ve altlık tabakası optik mikroskop ile incelenmiştir. Yaklaşık 14 μm kaplama kalınlığı elde edilmiştir. Kaplama öncesi ve sonrası numunelere 24, 48, 72 ve 96 saat oksidasyonprosesi uygulanmıştır. Oksidasyon öncesi ve sonrası numunelerin ağırlık kayıpları hesaplanmıştır. Tüm testler sonrasında fazların belirlenmesi için XRD analizleri gerçekleştirilmiştir. Ek olarak kaplama bölgesinin morfolojisini incelemek için SEM – EDS analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada, yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılan İnconel 718 süperalaşımının mikroyapısal özellikleri ve oksidasyon direnci, ısıl işlem ve kutu alüminyumlama yöntemi sonrası incelenmiştir. Isıl işlem öncesinde yapılan taramalı elektron mikroskobu (SEM) analizleri, numunenin oldukça yüksek gözeneklilik ve boşluklu yapıya sahip olduğunu göstermiştir. Katmanlar katman oluşum sonrasında yüksek porozite oranı tespit edilmiştir ve bu durum malzemenin mekanik ve kimyasal dayanımını olumsuz etkilemiştir. 1200 °C sıcaklıkta 2 saat süre ile uygulanan homojenizasyon ısıl işlemi sonucu porozite oranı azalmıştır ve Laves fazları gibi niyobyum (Nb) ve molibden (Mo) açısından zengin intermetalik fazların çözünmesi sağlanmıştır. Mikroyapıda eş eksenli bir tane yapısı ve tav ikizleri oluşmuştur. Bu gelişmeler, oksidasyon direncinde artmasını ve malzemenin mekanik özelliklerininin iyileşmesini sağlamıştır. Isıl işlem sonrasında yüzeyde krom, nikel ve oksijenden oluşan kompleks bir oksit tabakası oluşmuştur. Bunun sebebinin açık atmosferde gerçekleşen ısıl işlem prosesi olduğu düşünülmektedir. Oksit tabakanın hemen altında niyobyum ve molibdence zenginleşmiş bölgeler oluşmuştur. Bu bölgelerde yapılan SEM analizlerinde laves fazlarının oluşturduğu bölgeler gibi nikel elementi tespit edilmemiştir. Nikel elementi altlık malzemeden dışarı difüze olarak oksit tabaka oluşturmuş ve Nb-Mo olan bölgede nikelce fakir bir bölgeye sebep olmuştur. Burada mikro vickers sertlik deneyleri de gerçekleştirilmiştir. Yüzeyde oluşan bu tabaka kaplama prosesinde negatif bir etki yaratmamıştır. Kutu alüminyumlama işlemi 600 °C'de 5 saat süreyle uygulanmıştır. Yaklaşık 14 µm kalınlığında sahip sürekli, kompakt bir kaplama tabakası oluşturulmuştur. Optik mikroskop ve SEM analizleri kaplamanın substrat ile tam bağlanma sağladığını ve kaplama yüzeyinde boşluk ya da ayrılma olmadığını doğrulanmıştır. Oksidasyon testleri sonrasında yapılan incelemelerde kaplanmamış numunelerde yüzeyde Cr₂O₃ oksit tabakası oluşmuş ancak 900 °C ve üzerindeki sıcaklıklarda Cr₂O₃'ün oksijenle reaksiyona girerek CrO₃'e dönüşmesi nedeniyle bu tabakanın bir kısmının buharlaştığı tespit edilmiştir. Bu durum, oksidasyon sonrası yapılan ağırlık ölçümlerinde zamanla azalan ağırlık kazanımı ile ilişkilendirilmiştir. Ayrıca, kaplanmamış numunelerin oksidasyon direncinin düşük olması nedeniyle 96 saatlik oksidasyon testi sonrasında yüzeyde ve substratta mikro çatlaklar ve gözenekler oluşmuştur. Kaplanmış numunelerde ise XRD ve SEM-EDS analizleri, kaplama yüzeyine en yakın bölgede yaklaşık %54,2 Al ve %43,3 O içeriği ile Al₂O₃ koruyucu oksit tabakasının oluştuğunu ortaya koymuştur. Bu tabaka kaplama yüzeyinin bütünlüğünü sağlamış ve oksidasyon sırasında malzemenin korunmasını desteklemiştir. Kaplama katmanlarında yapılan detaylı SEM incelemeleri, üç ayrı alt tabaka olduğunu göstermiştir: dışta NiAl intermetalik tabakası, ortada NiAl içeren ara tabaka ve en içte difüzyon bölgesi. Yüksek sıcaklık oksidasyon testleri, bu üç tabakanın oluşumunu tetiklemiş ve Ni, Fe ile Cr elementlerinin difüzyonuna bağlı olarak alt bölgelerde Kirkendall gözeneklerinin meydana geldiği gözlemlenmiştir. Ayrıca zamanla dıştaki NiAl tabakasının kalınlığında azalma kaydedilmiştir. 900 °C'de gerçekleştirilen oksidasyon testleri sonrası, hem kaplanmış hem de kaplanmamış numunelerin substratlarında iğnemsi morfolojide delta (δ) fazlarının oluştuğu, difüzyon bölgesinde ise difüzyona bağlı olarak globüler morfolojide delta fazlarının bulunduğu tespit edilmiştir. Bu bulgular, kutu alüminyumlama yöntemiyle elde edilen kaplamanın İnconel 718 süperalaşımının yüksek sıcaklık oksidasyon direncini önemli ölçüde artırdığını ve mikroyapısal stabilitenin korunmasını sağladığını göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Inconel 718 is a nickel-based superalloy known for its excellent mechanical properties at elevated temperatures. The alloy's chemical composition includes nickel, chromium, iron, niobium, molybdenum, and titanium, which collectively determine its phase constitution and performance. The primary matrix phase is the face-centered cubic (FCC) γ (gamma) phase. The principal strengthening precipitates are γ′ (Ni₃(Al,Ti)) and γ″ (Ni₃Nb) phases. Additionally, carbides (MC, M₂₃C₆), delta (δ – Ni₃Nb) phase, and Laves phases may be present in the microstructure. The δ phase precipitates mainly at grain boundaries, contributing to grain size control. Laves phases, typically rich in niobium, form during solidification or due to improper heat treatment and are brittle phases detrimental to the alloy's ductility and impact toughness. These phases also reduce the Nb content available for γ″ precipitation hardening, thereby limiting mechanical strengthening. The distribution, quantity, and morphology of these phases directly influence the high-temperature strength, corrosion resistance, and fatigue behavior of Inconel 718. Consequently, processing parameters and heat treatment are critical for microstructural control. Traditionally, Inconel 718 is produced by casting, forging, and rolling. Recently, alternative manufacturing methods, including cold spray additive manufacturing, have emerged. Cold spray technology, originally developed for surface coating, is now applied to additive manufacturing of Inconel 718, enabling the deposition of layers at supersonic velocities and relatively low temperatures without melting. This low processing temperature preserves the initial microstructure of the substrate. Layers are sequentially deposited until the desired geometry is achieved, without melting or sintering. Additive manufacturing processes typically result in high porosity, which necessitates post-processing such as heat treatment and hot isostatic pressing to reduce porosity and improve material properties. Heat treatment also plays a crucial role in dissolving undesirable phases such as Laves phases formed during gas atomization powder production. Due to the absence of melting during cold spray, all phases present in the feedstock powder, including Laves phases, remain in the deposited microstructure. Homogenization heat treatments conducted at approximately 1150–1200 °C for several hours effectively dissolve Laves phases. Subsequent aging treatments precipitate γ″ phases, further enhancing mechanical properties. Prolonged exposure at ~900 °C promotes the formation of needle-like delta (δ) phases in the microstructure. These δ phases initially precipitate in Nb- and Mo-rich Laves regions prior to heat treatment. Surface coatings are commonly employed to enhance the high-temperature performance of superalloys like Inconel 718. Among various techniques, pack aluminizing is a widely used thermochemical diffusion process based on solid-state diffusion of aluminum into the substrate surface. During this process, aluminum-containing powder mixtures, activators, and inert carriers are placed in a sealed environment and heated at elevated temperatures. Aluminum diffuses into the substrate surface, forming Al-rich intermetallic phases. Pack aluminizing significantly improves the oxidation and hot corrosion resistance of Inconel 718 by forming a protective diffusion coating that acts as a barrier against aggressive environmental species. The diffusion coating formed after pack aluminizing consists mainly of a multilayer structure: an outer, dense, and hard β-NiAl intermetallic layer rich in aluminum, and an inner diffusion zone with lower aluminum concentration containing both Ni and Al. The β-NiAl layer provides excellent oxidation resistance at high temperatures due to its compact and continuous nature, while the diffusion zone forms a compositional gradient between the substrate γ phase and the β-NiAl layer. Minor amounts of carbides and other intermetallics may also form during the process. This coating exhibits strong adhesion to the substrate, significantly enhancing surface protection and extending service life. In this study, Inconel 718 superalloy specimens fabricated via cold spray additive manufacturing underwent homogenization heat treatment at 1200 °C for 2 hours. Porosity and hardness measurements were performed before and after heat treatment. Pack aluminizing was then applied at 600 °C for 5 hours using a powder mixture consisting of 5% AlCl₃, 25% Al, and 70% Al₂O₃. The resulting coating thickness was approximately 14 μm, confirmed by optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM). Oxidation tests were conducted on coated and uncoated samples for durations of 24, 48, 72, and 96 hours, with weight change measurements recorded. Phase identification was performed using X-ray diffraction (XRD), and coating morphology was characterized by SEM coupled with energy-dispersive spectroscopy (EDS). SEM analyses before heat treatment revealed a highly porous and hollow microstructure with intergranular segregation between layers, which adversely affected mechanical and chemical resistance. The homogenization heat treatment significantly reduced porosity and dissolved Nb- and Mo-rich Laves phases, resulting in equiaxed grains and annealing twins. These microstructural improvements enhanced oxidation resistance and mechanical properties. Post heat treatment, a complex oxide layer composed of chromium, nickel, and oxygen formed on the surface, attributed to the exposure to open atmosphere during the heat treatment process. Beneath the oxide layer, regions enriched in niobium and molybdenum but depleted in nickel were observed. Micro-Vickers hardness tests confirmed that the oxide layer did not negatively affect the subsequent coating process. Pack aluminizing produced a continuous, compact coating with strong adherence and no detectable voids or delamination at the substrate-coating interface. Oxidation tests on uncoated samples showed formation of a Cr₂O₃ oxide layer that partially transformed into volatile CrO₃ at temperatures above 900 °C, causing weight loss and degradation. These uncoated samples exhibited poor oxidation resistance, with microcracks and porosity appearing after 96 hours of oxidation. In contrast, coated samples developed a protective Al₂O₃ oxide layer near the surface with approximately 54.2% aluminum and 43.3% oxygen content, maintaining coating integrity during oxidation. Detailed SEM analyses identified three distinct sublayers in the coating: an outer NiAl intermetallic layer, a middle NiAl-containing intermediate layer, and an inner diffusion zone. The oxidation process promoted the formation of these layers and induced Kirkendall porosity near the lower regions due to Ni, Fe, and Cr diffusion. Over time, the thickness of the outer NiAl layer decreased. After oxidation at 900 °C, needle-shaped delta phases formed within the substrate, while globular delta phases appeared in the diffusion zone, indicating diffusion-driven phase transformations. These findings demonstrate that pack aluminizing significantly enhances the oxidation resistance and microstructural stability of Inconel 718 superalloy under high-temperature conditions.
Benzer Tezler
- Soğuk sprey eklemeli imalat yöntemiyle üretilen ınconel 718 süperalaşımının yüzey özelliklerine kutu alüminyumlama işleminin etkisi
Effect of pack aluminizing process on surface properties of inconel 718 superalloy produced by cold spray additive manufacturing
OSMAN KAHRAMAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN
- 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
- Pack alumınızıng of a cobalt-based superalloy
Kobalt esaslı bir süperalaşımın kutu alüminyumlama işlemi
İLKNUR KARA
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN
- Yüksek silisyum ve molibden içeren dökme demirlerin kutu alüminizasyonu ve yüksek sıcaklık oksidasyon davranışının incelenmesi
Pack aluminizing of high Si-Mo cast iron and investigation of high temperature oxidation behavior
FATİH KURT
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. NURİ SOLAK
- CoFeNiCr0.5Mo0.1 alaşımının yüzey modifikasyonu ve termokimyasal kaplama sonrası özelliklerinin incelenmesi
Investigation of surface modification and post-thermochemical coating properties of CoFeNiCr₀.₅Mo₀.₁ alloy
TURGUT TURAN YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Metalurji MühendisliğiOndokuz Mayıs ÜniversitesiMetalurji ve Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. KADİR MERT DÖLEKER
DOÇ. AZMİ ERDOĞAN