Investigation of the oxidation and hot corrosion properties of the MCrAlY overlay coatings
MCrAlY bağ kaplamaların oksidasyon ve sıcak korozyon davranışlarının araştırılması
- Tez No: 1020053
- Danışmanlar: PROF. DR. CEVAT SARIOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Marmara Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Gaz türbinlerinde daha yüksek verimlilik ve artan çalışma sıcaklıkları talebi, aşırı çevresel bozunmaya karşı dayanıklı gelişmiş bağlayıcı katman (bond coat) malzemelerinin geliştirilmesini zorunlu kılmıştır. Ni bazlı MCrAlY (M = Ni, Co) kaplamalar bu amaçla yaygın olarak kullanılmaktadır; ancak oksidasyon ve sıcak korozyon direnci arasında optimum dengeyi sağlamak, literatürde“MCrAlY performans paradoksu”olarak adlandırılan önemli bir metalürjik zorluk olmaya devam etmektedir. Bu tez, NiCrAlY sistemlerinin yüksek sıcaklık performansında Krom (Cr), Kobalt (Co) ve İtriyum (Y) elementlerinin sinerjik etkilerini araştırmaktadır. Temel amaç, döngüsel oksidasyon direncini en üst düzeye çıkarırken, agresif sıcak korozyon ortamlarında yapısal ve kimyasal bütünlüğün korunmasını sağlayan optimize edilmiş bir bileşimi belirlemektir. Deneysel çalışmada vakum ark ergitme yöntemiyle altı farklı alaşım sistemi tasarlanıp üretilmiştir. Çalışma ilk olarak İtriyumun“aşırı doping”etkisini ele almıştır. Yüksek Y oranına (~5 vol% Ni-Y) sahip sistemlerde aşırı peg (uzantı) oluşumunun derin Y-O-S intrüzyonlarına yol açtığı gözlemlenmiştir. Bu yapılar oksijen ve kükürt için hızlı difüzyon kanalları oluşturarak iç bozunmayı hızlandırmıştır. Y miktarı daha düşük seviyelere (~1 vol%) optimize edildiğinde ise yeterli ölçek yapışkanlığı sağlanırken alt ölçek bütünlüğü korunmuştur. Cr miktarının etkisine yönelik kritik inceleme, geleneksel olarak sıcak korozyon direncini artırmak amacıyla %30'a çıkarılan Cr içeriğinin paradoksal olarak alaşımın performansını kötüleştirdiğini ortaya koymuştur. Alloy 3'te α-Cr fazının oluşumu temel arıza mekanizması olarak belirlenmiştir. Bu faz, geçici oksidasyon sırasında sürekli Al2O3 oksitinin oluşmasını engelleyerek koruyucu olmayan oksit ve spinel büyümesini teşvik etmiştir. Sonuç olarak büyük Al rezervuarının faydalı etkisi nötralize olmuş, hızlı oksit dökülmesi ve katastrofik sıcak korozyon ilerlemesi meydana gelmiştir. Bu araştırmanın en önemli katkısı, Co'nun bu eksiklikleri gidermedeki çok yönlü rolünün aydınlatılmasıdır. %25'e kadar Co ilavesinin zararlı α-Cr fazını baskıladığı ve erken alumina oluşumunu teşvik ettiği bulunmuştur. Mekanistik olarak, Co miktarının %25'e kadar artırılması, Termal Oksit Tabakasının (TGO) gerilim gevşeme davranışında katastrofik dökülmeden kontrollü, sürünme destekli buruşma ve kendi kendini onarma mekanizmasına geçiş sağlamıştır. Bu gerilim uyum modundaki değişim, literatürde rapor edilen Yığınlama Hatası Enerjisi'ndeki (SFE) azalma ve Co-zengin γ matrisinde yüksek sıcaklık sürünme sünekliğinin artmasıyla açıklanmaktadır. Bu sayede büyüme ve termal uyumsuzluk gerilmeleri kontrollü deformasyon yoluyla etkili bir şekilde dağılabilmektedir. 1150°C'de yapılan kapsamlı döngüsel oksidasyon testleri ile 900°C'de gerçekleştirilen Tip-I sıcak korozyon testleri (3024 saate kadar), Alloy 6'nın optimize kompozisyon olduğunu ortaya koymuştur. Alloy 6, en düşük β-faz tükenme derinliğine sahip olmuş ve test süresi boyunca stabil, koruyucu Al2O3 ölçeğini muhafaza etmiştir. Kinetik ağırlık değişimi analizleri, Alloy 6'nın 3000 saatin üzerinde sıcak korozyonun başlangıç aşamasında (initiation stage) kaldığını doğrulamıştır. Bu üstün performans, bazik akılanmayı (basic fluxing) engelleyen eriyik kimyasını koruyan optimize Cr, Co ve Al seviyelerine bağlanmaktadır. Son olarak, bu çalışma sıcak korozyonun başlangıç ve ilerleme aşamalarını ayırt etme kriterlerini yeniden değerlendirmektedir. Yerel atakların mutlaka ilerleme aşamasının başlangıcı anlamına gelmediği, geçişin oksit tabakasının sürekli çözünmesi ve NaAlO2 oluşumu ile tanımlanması gerektiği savunulmaktadır. Bulgular, yüksek sıcaklık direncinin yalnızca elemental konsantrasyona değil, faz kararlılığına ve matris sünekliğine bağlı olduğunu göstermektedir. Hacimsel alaşımlardan elde edilen bu sonuçlar, bir sonraki nesil endüstriyel bağ kaplamalar için güçlü bir tasarım rehberi sunmakta ve havacılık ile enerji üretim bileşenlerinin dayanıklılığını artırmak için ölçeklenebilir bir strateji sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
The demand for increased efficiency and higher operating temperatures in gas turbines has necessitated the development of advanced bond coat materials capable of withstanding extreme environmental degradation. Ni-based MCrAlY (M = Ni, Co) coatings are widely utilized for this purpose; however, achieving a balance between oxidation and hot corrosion resistance remains a significant metallurgical challenge, often referred to as the“MCrAlY performance paradox.”This dissertation investigates the synergistic effects of Chromium (Cr), Cobalt (Co), and Yttrium (Y) on the high-temperature performance of NiCrAlY systems, with the primary objective of identifying an optimized composition that maximizes cyclic oxidation resistance, while subsequently ensuring that structural and chemical integrity are maintained under aggressive hot corrosion environments. The experimental phase involved the design and production of six distinct alloy systems via vacuum arc melting. The study first addressed the“over-doping”effect of Y. In systems with high Yttrium fractions (~5 vol% Ni-Y), it was observed that excessive“pegging”led to deep Y-O-S intrusions. These features acted as fast-diffusion pathways for oxygen and sulfur, accelerating internal degradation. By optimizing the Y content to lower fractions (~1 vol%), sufficient scale adherence was achieved without compromising the sub-scale integrity. A critical investigation into the influence of Cr revealed that increasing Cr content to 30 wt%—traditionally aimed at improving hot corrosion resistance—paradoxically deteriorated the alloy's performance. In Alloy 3, the formation of the α-Cr phase was identified as the primary failure mechanism. This phase prevented the establishment of a continuous Al2O3 scale during transient oxidation, promoting the growth of non-protective oxides and spinels. Consequently, the beneficial effects of a large Al reservoir were neutralized, leading to rapid scale spallation and catastrophic hot corrosion propagation. The most significant contribution of this research is the elucidation of the multi-faceted role of Co in mitigating these deficiencies. The addition of Co (up to 25 wt%) was found to suppress the formation of the detrimental α-Cr phase while promoting early alumina formation. Mechanistically, increasing the Co content up to 25 wt.% induced a fundamental shift in the stress relaxation behavior of the Thermally Grown Oxide (TGO) from catastrophic spallation to controlled, creep-assisted rumpling and re-healing. This transition in the stress accommodation mode is attributed to the literature-reported reduction in Stacking Fault Energy (SFE) and the consequent enhancement of high-temperature creep ductility in Co-rich γ matrices, which allows for the effective dissipation of growth and thermal mismatch stresses through controlled deformation. Comprehensive cyclic oxidation tests at 1150°C and Type-I hot corrosion tests at 900°C for up to 3024 hours identified Alloy 6 as the optimized composition. Alloy 6 exhibited the lowest β-phase depletion depth and maintained a stable, protective Al2O3 scale throughout the test duration. Kinetic weight change analyses confirmed that Alloy 6 remained in the initiation stage of hot corrosion for over 3000 hours, characterized by a smooth weight loss profile and minimal sulfur ingress. This superior performance is attributed to the optimized Cr, Co and Al levels, which maintains the melt chemistry in a regime that inhibits basic fluxing. Finally, this study re-evaluates the criteria for distinguishing between the initiation and propagation stages of hot corrosion. It is argued that localized attacks do not necessarily signify the onset of propagation; instead, the transition is defined by the sustained dissolution of the oxide scale and the formation of NaAlO2. The findings demonstrate that high-temperature resistance is a function of phase stability and matrix ductility rather than elemental concentration alone. While derived from bulk alloys, these results provide a robust design roadmap for next-generation industrial overlay coatings, offering a scalable strategy to enhance the durability of aerospace and power generation components.
Benzer Tezler
- Ferritik ve ostenitik paslanmaz çeliklerin karbonlu çelik ile nokta kaynağında kaynak parametrelerinin bağlantının çekme-makaslama dayanımına ve tanelerarası korozyona etkisi
The Effect of welding parameters on the tensile-shear strength and the formation of intercrystalline corrosion in the spot welding of ferritic and austenitic stainless steels with carbon steel
VURAL CEYHUN
- Bazı kobalt esaslı alaşımlarda mikroyapı ve faz analizi
Microstructure and phase analysis in some cobalt-base alloys
ALEV OSMA
- Ergimiş boraks banyosunda çeliklere vanadyum karbür kaplama
Vc coating of steels in molten borax bath
SEYED MOHAMMED MOUSAVİ KHOEE
- Çelik bantların sıcak daldırma yöntemi ile alüminyum kaplanması
Hot-Dip aluminizing of steel strip
ERTUĞRUL ARABACI
- Termal bariyer kaplamanın turbo doldurmalı bir dizel motorunun performansına etkileri
Başlık çevirisi yok
HALİT YAŞAR
Doktora
Türkçe
1997
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VELİ ÇELİK
- Ark PVD yöntemiyle tin kaplanmış kesici takımların karakterizasyonu ve performanslarının incelenmesi
Başlık çevirisi yok
M.CENK TÜRKÜZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. E. SABRİ KAYALI