LEE- Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Lisansüstü Programı

Bu topluluk için Kalıcı Uri

http://hdl.handle.net/11527/19483

Gözat

Yazar "Baydoğan, Murat" ile LEE- Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Lisansüstü Programı'a göz atma
  • Öge
    Pack aluminizing of a cobalt-based superalloy
    (ITU Graduate School, 2025-05-29) Kara, İlknur ; Baydoğan, Murat ; 506211217 ; Production Metallurgy and Technologies Engineering
    Kobalt esaslı süperalaşımlar endüstride özellikle yüksek sıcaklık, orta-düşük yük koşulları altında ve korozif ortamlarda kullanılacak parçaların üretiminde kullanılmaktadır. Kobalt esaslı süperalaşımlar gösterdikleri yüksek termal stabilite, sıcak korozyon direnci, sürünme ve termal yorulma direnci gibi özellikleri sayesinde ön plana çıkmaktadır. Bu alaşımlar nikel esaslı süperalaşımlar ile birlikte özellikle gaz türbinli motorların türbin ve yanma bölümlerinde sırasıyla hareketli ve yapısal parçaların üretiminde kullanılır. Gaz türbinli motorlarda kompresör tarafından sıkıştırılan hava yanma odasında yakılarak ortam sıcaklıkları 2000 K'i bulan türbin kısmına iletilir, burada statorlar yanmış gazları doğru açıyla rotorlara iletir ve rotorların dönmesi sağlanır. Stator parçaları hareket etmemesine rağmen çok yüksek termal yüklere maruz kalır. Kobalt esaslı süperalaşımlar stator uygulamalarında 1940'lı yıllardan beri en yaygın kullanılan alaşımlardır. Nikel esaslı süperalaşımlar kobalt esaslı süperalaşımlara göre daha yüksek mukavemet göstermektedir. Bunun nedeni nikel alaşımlarda katı çözelti sertleşmesi ve karbür çökeltilerinin oluşumunun yanında intermetalik çökeltilerin de oluşması ve mukavemete katkı sağlamasıdır. Bu nedenle hareketli rotor parçalarında nikel esaslı süperalaşımlar kullanılır. Kobalt esaslı süperalaşımlarda ise asıl mukavemetlendirme mekanizması karbür çökeltileridir ayrıca katı çözelti sertleşmesi de mukavemete katkı sağlamaktadır. Günümüzde kobalt esaslı süperalaşımlar genelde döküm kondisyonunda kullanılırken, çözeltiye alma ve yaşlandırma uygulanan örnekler de bulunmaktadır. Kobalt esaslı süperalaşımlar bünyelerinde farklı fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip birçok alaşım elementi barındırır, bu nedenle döküm kondisyonundaki kobalt alaşımları, dökümünün ardından neredeyse kaçınılmaz olarak segregasyon oluşumuyla karşılaşır. Segregasyon, mikroyapıda elementlerin ve fazların homojen dağılmaması olarak tanımlanabilir ve sonucunda zararlı fazlar oluşarak mekanik özellikler olumsuz etkilenir. Segregasyonun giderilmesi için homojenizasyon ışıl işlemi uygulanabilir. Homojenizasyon işleminde malzeme, mikroyapısında yer alan çökeltilerin tamamen çözünerek aşırı doymuş bir matris yapısı oluşturacağı yüksek bir sıcaklığa ısıtılır. Burada dikkat edilmesi gereken en önemli husus alaşımın maruz kalacağı sıcaklığın solidüs sıcaklığının altında olmasıdır. Homojenizasyon işlemi sırasında mikroyapıda lokal ergimelerin gerçekleşmesi daha çok segregasyon ve hatta gözenek oluşumuna neden olabilmektedir. Homojenizasyona tabi tutulacak malzeme bu sıcaklığa ulaştıktan sonra belli bir süre bu sıcaklıkta tutulmalı ardından tekrar çökelmeye mahal vermeyecek bir hızda soğutulmalıdır. Soğutma; havada, suda veya yağda gerçekleştirilebilmektedir. Kobalt esaslı süperalaşımların kullanıldığı sıcaklıklarda oksidasyon ve sıcak korozyona karşı önlem almak amacıyla farklı kaplamalar kullanılmaktadır, kobaltın oluşturduğu CoO tabakası koruyucu değildir ve belli sıcaklıkların üzerinde yüksek hızla malzemenin merkezine doğru ilerler. Bu kaplamalardan uzun süredir en yaygın olarak kullanılanı alüminat kaplamalardır. Alüminat kaplamalar günümüzde kutu alüminyumlama ve kimyasal buhar biriktirme yöntemleriyle uygulanmaktadır. Alüminat kaplamalar, malzeme yüzeyinde oluşturdukları koruyucu Al2O3 katmanı sayesinde oksidasyona ve sıcak korozyona karşı direnci arttırmaktadır. Bu çalışmada uzun yıllardır gaz türbin motorları endüstrisinde türbin stator malzemesi olarak kullanılan kobalt esaslı bir süperalaşıma farklı koşullarda homojenizasyon ve kutu alüminyumlama işlemleri uygulanmıştır. Homojenizasyon koşulları ThermoCalc yazılımı yardımıyla belirlenmiş, 1200 C'de 1 saat, 1250 C'de 1 ve 10 saat olmak üzere üç farklı koşulda gerçekleştirilmiştir. Homojenizasyon sonrası numuneler suda soğutulmuştur. Homojenizasyon işlemi sonrasında gerçekleşen mikroyapı değişimleri, optik mikroskop ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile incelenmiştir. Her bir fazın kimyasal bileşim değişiminin analizi için Enerji Dağılım Spektrometresi (EDS) kullanılmış ve sertlik değişimleri incelenmiştir. Döküm yapısı ve ana mukavemetlendirme mekanizması olan karbürlerin morfolojik değişimleri incelenmiş, Image J programı yardımıyla karbür hacim oranındaki değişim belirlenmiştir. Kutu alüminyumlama koşulları belirlenirken literatürden yardım alınmış ve proses 1040 C'de 4 saat gerçekleştirilmiştir. Proseste %70 Al2O3, %25 Al ve %5 Al3Cl kimyasal bileşimine sahip paketler kullanılmış, kaplama numunelerin bu paketlere gömülmesinin ardından gerçeklştirilmiştir. Proses öncesi yüzey hazırlıkları parlatılmış, kaba kesme sonrası ve farklı zımparalama koşulları olmak üzere farklı koşullarda gerçekleştirilmiş ve kaplama yapısı ile kaplama kalınlık dağılımına olan etkisi gözlemlenmiştir. Kaplama mikroyapısı, kalınlığı ve homojenliği optik mikroskop ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile incelenmiş, oluşan fazların kimyasal bileşim değişiminin analizi için Enerji Dağılım Spektrometresi (EDS) kullanılmıştır. Ayrıca nanoindentasyon yöntemiyle her bir kaplama tabakasının sertliği ölçülmüştür. Homojenizasyon süreleri ve sıcaklıkları arttıkça karbür morfolojilerinin başlangıçtaki sürekli ve çin yazısı morfolojisinin; süreksiz, ince ve küresel morfolojiye döndüğü, karbür oranının ve dolayısıyla malzemenin sertliğinin azaldığı, ancak karbür fazlarının kimyasal bileşiminde önemli bir değişim olmadığı gözlemlenmiştir. Homojenizasyon öncesi malzeme sertlği 36 HRC olarak belirlenmiştir. 1200 C'de 1 saat ısıl işlemin ardından karbür miktarında ve sertlikte önemli bir değişim gözlenmemiştir (35 HRC). 1250 C'de 1 saat ısıl işlem sonrasında döküm kondisyonun % 6 olan karbür miktarının % 3'e, sertliğin ise 30 HRC'ye düştüğü saptanmıştır. 1250 C'de 10 saat ısıl işlem yapılan numunelerde ise karbür miktarı % 2, sertlik ise 27 HRC olarak belirlenmiştir. Bu ısıl işlem sonrasında (Cr,W)23C6 karbürleri tamamen çözünürken NbC karbürleri Çin yazısı morfolojisinden küresel, ince ve homojen dağılmış morfolojiye dönüşmüştür. ThermoCalc hesaplamalarından da beklendiği üzere NbC karbürler tamamen çözünmemiştir. Döküm sonrası var olan dentritik yapının ise özellikle 1250 C'de 10 saat yapılan homojenizasyonun ardından giderildiği belirlenmiştir. Karbür miktarı ve malzeme sertliğinin doğru orantılı olarak azaldığı gözlemlenmiştir. Kutu alüminyumlama işlemi homojenizasyon ve döküm koşullarındaki numunelere uygulanmıştır, kaplama öncesi numuneler 400 grit zımpara kağıdı ile zımparalanmıştır. Her iki koşulda da aynı kaplama yapısı oluşmuştur. Kaplama kalınlığı literatürde aynı alaşım ve proses için görülen 60 μm kalınlığının aksine tersine 290 μm kalınlıkta elde edilmiştir. Ancak kalınlığın değişken olduğu, özellikle numune köşelerinde kaplama katmanlarının oluşmadığı gözlemlenmiştir. Kaplama sonrası altlık malzemede herhangi bir faz dönüşümü gerçekleşmemiştir. Kaplama sonrasında dört katmana sahip alüminat kaplama yapısı elde edilmiştir. Altlık malzemenin hemen üstünde yaklaşık 2 μm kalınlığında ince bir geçiş tabakası oluşmuştur. Bu ince tabaka testere dişi morfolojisine sahiptir ve altlık malzemeye iyi bir şekilde tutunmuştur. Bu tabakanın üzerinde yaklaşık 21 μm kalınlığında interdifüzyon tabakası ve 20 μm kalınlığında orta katman gözlemlenmiştir. Bu üç katmanda ince (Cr,W)23C6 karbürleri homojen bir şekilde dağılmıştır. Dış katman 240 μm kalınlığındadır ve kaplama kalınlığının yaklaşık % 85'ini oluşturmaktadır. Bu katmanda (Cr,W)23C6 karbürlerinin bulunmadığı ancak altlık malzemede bulunan NbC karbürlerin devam ettiği görülmüştür. Ayrıca Al2O3 yapılarına ve yer yer krater halini almış yatay çatlaklara da rastlanmıştır. Kaplamanın en dışında kolonsal yapı gözlemlenmiştir. Kaplama kalınlığını tüm kesit boyunca homojen hale getirmek için parlatılmış, 120 grit zımpara ve kaba kesme sonrası yüzeylere kaplama denemesi yapılmıştır. En iyi sonuçlar sırasıyla parlatılmış, kaba kesme sonrası, 120 grit zımpara ve 400 grit zımpara sonrasında alınmıştır. XRD analizi oluşan kaplama bileşiğinin Al13Co4 olduğunu göstermiştir. Kaplama katmanlarının sertliği nanoindentasyon metodu ile ölçülmüş, altlık malzeme sertliğine oranla tüm kaplama katmanlarının yüksek sertlik gösterdiği görülmüştür. İnterdifüzyon tabakasının sertliği 11,5 GPa'ken orta, dış ve en dış kolonsal bölgenin sertliği sırasıyla 12,4, 9,5 ve 9,4 GPa olarak ölçülmüştür.