Production and characterisation of bond coat on nickel based superalloy
Nikel esaslı süperalaşım üzerinde bağ kaplamasının oluşturulması ve karakterizasyonu
- Tez No: 389215
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MURAT BAYDOĞAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Kaplama, Süper alaşımlar, Yapısal özellikler, Yüksek sıcaklık malzemeleri, Coating, Superalloys, Structural properties, High temperature materials
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Gaz türbinleri, teknolojinin birçok alanında, enerji üretiminde kullanılmak üzere tasarlanmış ve enerji ihtiyacıyla doğru orantılı olarak gelişimleri devam etmiştir. Türbin içerisindeki çalışma ortam sıcaklığının günden güne artırılması ve aşındırıcı atmosfer, bu ortamda çalışabilecek, dayanıklı bıçak ve kaplamalara olan gereksinimini de artırmaktadır. Bu sebeple gaz türbinlerinde kaydedilecek yeni teknolojik gelişmeler, bu türbinlerin önemli parçaları olan bıçak, kanatçık (vane) gibi elemanlarında yapılacak olan gelişmelere birebir bağlıdır. Türbin motoru içerisine beslenen gaz, türbin disklerinin daha hızlı dönmesini dolayısıyla uçak üzerinde itme gücü (thrust) oluşmasını sağlar. Beslenen gaz sebebiyle türbin parçalarının yüksek sıcaklık (1090°C'yi aşan sıcaklıklar) ve basınca maruz kalır ve bu elemanlar üzerinde erozyon, oksidasyon, korozyon ve termal yorulma çatlakları gibi hasarlara yol açıp parçaların servis sürelerinin kısalmasına neden olur. Bu aşındırıcı etkilerden parçaları korumak için çevreye-dirençli kaplamalar (environment-resistant coating) ve termal bariyer kaplamalar kullanılır. Yüzey kaplamalarında üzerinde yapılan çalışmalar sonucu, yüksek oksidasyon direnci, nikel esaslı süper alaşımlara uygulandığında kararlı bir yapı sergilemesi ve diğer mekanik ve fiziksel özellikleri sebebiyle difüzyon alüminat (aluminides) kaplamalar en çok tercih edilen kaplama tipi olmuştur. Aluminat difüzyon kaplamaları, türbinin sıcak bölümlerinde kullanılan nikel esaslı olan bıçakların yüzeylerinde kullanılıp yüksek sıcaklıkta meydana gelen oksidasyon ve korozyona karşı bıçakları korurlar. Bu kaplamalar, yüksek sıcaklıklarda (900°C'nin üstünde) koruyucu ve yavaş yavaş büyüyen oksit (Al2O3) filmleri oluşturma özelliklerine sahiptirler. Bu sebeple Al2O3için bir bakıma rezervuar görevi üstlenirler. Süperalaşımlar üzerine uygulanan difüzyon aluminat kaplamaları, içe doğru (inward) ve dışa doğru (outward) difüzyon süreçleri sonucu oluşan mikroyapılara göre sınıflandırılmıştır. İçe doğru difüzyon, alüminyum aktivitesinin nikel aktivitesinden daha yüksek olduğu durumlarda meydana gelip alüminyum uygulandığı yüzeyden süperalaşımın içine doğru olan difüzyon hızı, nikelin süperalaşımdan kaplamaya doğru olan hızından daha yüksektir. Alüminyumun yüksek aktivitesi sonucu, en dış yüzeyde kırılgan yapıda δNi2Al3 oluşur. Aluminuymun yüksek difüzyonu sırasında bir kısım nikelde difüzyona uğrayarak δNi2Al3 hemen altında β-NiAl arametalik (intermetallic) fazı oluşur. Bu tür bir kaplama, hem kırılgan hem de düşük erime sıcaklığına sahip olup, kırılgan δNi2Al3 fazını daha az kırılgan yapıda olan ve alüminyum miktarınca zengin βNiAl (Al >50 at. %) fazına dönüştürmek için ek bir ısıl işleme ihtiyaç vardır. Dışa doğru difüzyon, alüminyum aktivitesinin nikel aktivitesinden düşük olduğu yüksek sıcaklık işlemlerinde (980-1090°C) gerçekleşir. İçe doğru difüzyonla oluşan kaplama ile karşılaştırıldığında, altlık bünyesinde bulunan refrakter elementler daha yavaş bir şekilde altlıktan kaplamaya doğru difüzyona uğrar ve burada oluşan NiAl fazı içerisinde alüminyum miktarı düşüktür (hypostoichiometry -Al <50 at. %). Bu sebeple daha sünek yapıda bir kaplama elde edilir. Bu kaplamanın tipik yapısı, dış kısımda NiAl fazı içeren bir kuşak (zone), altta ise refrakter metallerin (W, Mo, Ta gibi), nikelin oranının azalması nedeniyle oluşturduğu, karbürler ile σ-(Cr,Fe) fazı gibi kırılgan yapılar yer alır. Difüzyon alüminat kaplamaları geniş bir uygulama alanı yakalamasına rağmen, farklı türdeki türbin bıçağı çalışma koşullarına uyarlanamamaları, her türden bıçağın kompozisyonuna uygun olarak hazırlanabilecek yeni tip kaplamanın zorunluluğunu beraberinde getirmiştir. Elektron-ışın, elektrik-ark plazma metotlarının geliştirilmesi, farklı türdeki bıçaklar üzerine uygulanabilen ve örtü (overlay) tabakaların geliştirilmesini hızlandırmıştır. Difüzyon alüminat kaplamanın aksine örtü kaplama, kompozisyonunu, kalınlığını ve fiziksel-kimyasal- mekanik özelliklerini kontrol edebilen ve motor türlerine göre opsiyonları mevcuttur. Örtü kaplama, difüzyon kaplamanın modifiye edilmiş bir versiyonu olup, kaplama içerisinde bulunan yüksek alüminyum oranının kırılganlığı artırması sebebiyle, kaplama içerisinde ki alüminyum miktarının düşürülüp daha sünek bir yapıda kaplama oluşturulur. Örtü kaplama, önceden alaşımlandırıldığı için, altlıktan kendisine olacak difüzyona ihtiyaç duymayıp, içindeki alaşımlarla, hem mikroyapısı kontrol edilir hem de altlığa doğru olan difüzyonlarla, altlığa yapışmasını sağlanır. Termal bariyer kaplamanın (TBC) örtü kaplamaya daha iyi yapışması sağlayıp altlığı oksidasyon ve termal etkilere karşı daha iyi korumak maksadıyla örtü kaplama ve TBC arasına ince bir flaş kaplama (flash coat) uygulaması da yapılabilir. Örtü kaplamalar yüzeye termal kaplama yöntemleriyle; vakum plasma spray (VPS),düşük basınçlı plazma sprey (LPPS) ya da yüksek hızlı oksy-fuel (HVOF) yöntemleriyle uygulana gelmiştir. VPS ve LPPS yöntemiyle yüzeyde biriktirilen kaplamada bazı erimemiş tanecikler kalabilmektedir. Özellikle HVOF yöntemiyle yapılan kaplamada, önemli miktarda mikro boyutta porozite ve oksitlerin varlığı birbirine bağlı yollar oluşturmaktadır. Dolayısıyla, yüksek sıcaklık ve oksidasyon uygulamalarında yüksek oksitlenme hızı ve altlığın korozyona uğraması kaçınılmaz hale gelmektedir. Fakat soğuk püskürtme yöntemiyle (cold spray coating), gözenek ve oksit barındırmayan üstün oksidasyon direnci özelliğine sahip kaplamalar geliştirilmektedir. Soğuk püskürtme yöntemiyle, ince tanecikli yapıdaki tozlar 500-1000m/s, süpersonik inert gaz jetleriyle kaplama yapılacak yüzeye çarparak beslenir. Çarpma sırasında oluşan plastik deformasyon ile atlık ve kapla arasında yoğun ve güçlü bir bağ oluşturulur. Yukarıdaki bilgiler ışığında çalışma konusunun temel amacı, nikel esaslı süperalaşım malzemesi üzerinde soğuk püskürtme yöntemiyle aluminat kaplama oluşturmaktır. Hernekadar, güncel kaplamalar içinde bağ kaplama yönelimi örtü tipi kaplama olmasına rağmen, çalışma esnasında aluminat difüzyon kaplama incelenmiştir. Çalışma temel olarak, püskürtülen toz tipine göre, iki tip kaplamayı esas almıştır. İlk tip kaplamada sadece aluminyum altlık üzerine püskürtülmüş ve hazırlanan numuneler 500°C, 600°C, 700°C, 850°C ve 900°C'lerde 24 saat, 950°C, 1000°C ve 1050°C ise 1 saat olmak üzere atmosfer kontrolü olmayan fırında, havada, tavlanmıştır. Tavlanan numuneler, gerekli metalografik işlemlere tabi tutulduktan sonra X-ışını difraktometresi ile x-ışını desenleri elde edilmiştir. İkinci kaplamada ise altlık öncelikle Alüminyumla kaplanıp ardından üzerine Nikel püskürtülmüştür. Bu numuneler ise 850°C ve 900°C'lerde 24 saat, 950°C, 1000°C ve 1050°C ise 1 saat olmak üzere havada tavlanmıştır. Tavlana numunelere benzer şekilde uygun metalografik işlemlerden geçirilip X-ışını difraktometresi ile x-ışını desenleri elde edilmiştir. İlgili numune grupları, Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ve Enerji dağınımlı x-ışınları çözümleyicisi (EDS) incelemelerine tabi tutularak elde edilen x-ışını desenleri yorumlanmıştır. Buna göre 500°C ve 600°C'de 24 saat tavlanan numunelere beklendiği üzere, kaplama ile tabaka arasında dıştan içe doğru, Al3Ni, Al3Ni2 tabakaları oluşmuştur. 500°C'de tavlanan numunede alüminyumun tamamen tüketilmediği göze çarpmıştır, 600°C'de ise alüminyumun büyük bir kısmının, oluşan fazlar tarafından tüketildiği fark edilmiştir. Oluşan fazlar ve çalışılan sıcaklık, alüminyumun altlık içine doğru olan difüzyonuna kanıt niteliğindedir. 700°C, 850°C ve 900°C'de 24 saat tavlana numunelerde AlNi fazı kendini, kaplama içerisindeki yoğunluğunu artırarak göstermiştir. Bu sıcaklıklarda oluşturulan kaplamanın en temel özelliği ayırt edilir şekilde üç tabakadan oluşmasıdır. Kaplamanın dış yüzeyinden içe doğru, ilk kuşak Cr, Fe gibi refrakter elementlerinin çökeltilerini (α-Cr,Fe precipitates) içermekte olup matris AlNi yada Al3Ni2 fazlarından oluşmaktadır ve bu kuşak alüminyumun içe doğru difüzyonun (inward diffusion) en önemli kanıtıdır. Orta kuşakta ise yekpare AlNi fazı göze çarpmakta olup diğer refrakter elementler katı çözelti içerisinde çözünmüş durumdadır. Bu kuşağın oluşumunda hem alüminyumun içe doğru (inward) hem de Nikelin dışa doğru (outward) difüzyonu söz konusu olduğu için yekpare AlNi fazı elde edilmiştir. En alt kuşak ise Nikelin dışa doğru dizfuzyonu nedeniyle oluştuğu için nikelce fakirdir bu sebeple Nikel içerisinde daha fazla çözünemeyen refrakter elementler (Ti, Nb) karbür (MC, M23C6), diğer elementler ise σ-(Cr, Mo) fazını yaparak mekanik olarak zayıf bir katman oluştururlar. Bu üç kuşak, enerji dağınımlı x-ışınları çözümleyicisine (EDS) göre incelendiğinde şunlar elde edilmiştir. Alüminyumun aktivitesinin çok yüksek olması sebebiyle alüminyumun difuzyon hızı (DAl) Nikelin hızından (DNi) daha yüksektir. Bu sebeple atlık içine difüze olurken Cr, Fe gibi bazı elementlerin alfa fazı oluşturarak bu kısımda çökelmesine neden olur. Bunun sebebi ayrıca, Buradaki AlNi fazının alüminyum açısından doygunluk seviyesinde olması ve bu sebeple bu elementleri içinde çözememesidir. Ara kuşağın oluşumunda hem alüminyumun hem de nikelin difüzyonu bunu sağlamaktadır, bu sebeple iç kuşak (alt kuşak) nikelce fakir krom ve diğer elementlerce zengindir. Bu iç kuşakta da nikelin difüzyonu, kromun daha fazla nikel içinde çözünmemesine neden olur ve krom çökelir. Ayrıca bu kısımda, nikelin azalması sebebiyle biriken Titanyum, Niyobyum, Molibden gibi elementler karbür yaparak başka fazlara dönüşür. Bu karbürler ve sigma fazı alt kuşağı, çökelen refrakter elementeler ise üst kuşağı, mekanik olarak zayıf kırılgan yapıya büründürür. Bu tür kuşaklar ise kaplama içerisinde tercih edilmemektedirler. 950°C, 1000°C ve 1050°C ise 1 saat tavlanan numunelerde de kaplama kalınlığının değişmesi dışında, 900°C tavlanan numune ile benzer mikro yapı elde edilmiştir. Bu sıcaklıkların denenmesinin sebebi hem AlNi'yi daha kısa süre oluşturmak hem de mikro yapıda olması muhtemel değişimleri daha kısa sıcaklık aralıklarında gözlemleyip doğru çıkarımlar elde etmektir. Alüminyumla kaplanıp ardından üzerine Nikel püskürtülen ver 850°C, 900°C'lerde 24 saat, 950°C, 1000°C ve 1050°C ise 1 saat tavlanan numunelerde, alüminyumla altlık arasında, yukarıdaki numunelerde oluşan benzer üç kuşaklı yapı elde edilmiştir. Nikel ile alüminyum arasında aluminat fazlar oluşmasına rağmen bu iki oluşum arasında (Al-altlık ve Al-Ni) boşluklu ve mekanik olarak zayıf bir bölge meydana gelmiştir. Bunun sebebi, aktivitesi hayli yüksek olan alüminyumun altlık ve nikele doğru hızla giderek arada gerekli bağı oluşturamadan tükenmesi ve belirgin şekilde iki ayrı bölgenin oluşmasıdır. Bu sebeple alüminyum üzerine uygulanan nikel, mekanik özellik açısından uygun bir kaplama türü değildir. Çalışmanın son uygulaması olarak, kaplama içerisinde oluşan üç kuşaklı yapının sertliklerini belirmek amacıyla sertlik testi uygulanmıştır. Buna göre, üst ve alt kuşakların sertlikleri, içlerinde bulunan refrakter çökeltileri ve karbürler sebebiyle yüksek çıkmıştır.
Özet (Çeviri)
The gas turbine produced energy is directly related the operating temperature therefore higher operating temperatures is required for energy production. The requirements need higher temperature capability materials and associated technologies such as improved oxidation and environmental coatings. Therefore, for elevated temperature application, Nickel-base superalloys are the best choice and they have become the standard for industrial gas turbines hot gas path components such as buckets, nozzles, and shrouds. Even though the base material provide great features for this kind of application the component has surface damage caused by oxidation and hot corrosions shortened the service life. Therefore, the blade protection is essential, and the solutions lead the protective coating layer of the turbine blades. For protection of the hot gas path component and better working condition of turbine, the coating must meet the engine operating condition requirements. It must withstand hot corrosion, oxidation, and erosion and static and alternate stresses applied to the blade surface; to this end the coating must have the requisite combination of strength and ductility. Besides, it must show good stability and not degrade the blade material mechanical properties. In the light of previous information, the thesis focus on the production of aluminide coating on the nickel based superalloys, Inconel 718 (IN718) by cold gas dynamic spray coating method. The method is promising technique because its working temperature relatively low when compares with the thermal barrier coatings methods. The main action of the study is examining the diffusion behavior of cold sprayed aluminum, nickel and other constituent elements of superalloy and understanding the formation of diffusion zones. Accordingly, some part of the specimens is coated only with unalloyed aluminum and remaining parts are coated with unalloyed aluminum and nickel separate steps (First Al is coated on substrate than Ni is coted on Al surface). In both sample groups, Al activity is higher than Ni (Al diffusion rate higher than Ni-DAl>DNi), because of being in elemental state. Especially, only Al coated and annealed at higher temperature (700°C, 850°C, 900°C for 24h- 950°C, and 1000°C, 1050°C for 1 h) samples clearly show three layered coatings and roughly name of these layers are, from surface to substrate, refractory element precipitates, NiAl, and Carbide layers. The multilayered coating is also called as“inward diffusion coatings”because of the high diffusion rate of Al than Ni (DAl>DNi). The samples that are coated only Al and annealed at 500°C, 600°C for 24h, represent the basic formation of Al3Ni and Al3Ni2 intermetallic that are the production of first interaction of Al and Ni below the 640°C (Melting temperature of Al). Moreover,thisis a result of predominant inward diffusion of aluminum from the aluminum layer, which causes the coating layer to grow into the substrate starting from its surface. The standard three layered (multilayered) structure is formed at specimens that are annealed at 700°C, 850°C, 900°C, 950°C, 1000°C,1050°C. The first zone of the multilayer is outer zone that includes refractory elements precipitates (α-Cr, Fe) in the AlNi matrix and that is formed by dominant diffusion of Al (inward diffusion) throughout to the substrate. In addition, AlNi phase is hyper stoichiometric (NiAl containing greater than 50 Al %at.). Second zone (middle zone) is formed by both inward and outward diffusion of Al and Ni that creates uniform AlNi phases (hypo stoichiometric AlNi- Al <50 % at. ). Finally, third zone, created by only outward diffusion of Ni and the reduction of Ni in this region causes the precipitation of the various elements originally present in solid solution in the superalloy in the form of several complex precipitates. These are some carbides (MC, M23C6) and refractor elements' phases (σ-Cr, Fe). Consequently, higher activity of Al leads to the complex structure of multilayered coating and at each layer, different diffusion. Aluminum has very high activity and content in the first zone. It causes the lack of sufficient solubility of certain substrate elements like Cr, Ti, Mo in the zone. In the scope of the thesis, outwardly diffused microstructre can not be produced due to the high activity of aluminum. On the other hand, the second and third zone could be given as an example for that kind of structure. The different annealing time and temperature (700°C, 850°C, 900°C, 950°C, 1000°C,1050°C) do not make any change in the microstructure except distinct thickness for the zones The first and third zones are mechanically weak and brittle due to the formation of refractory precipitates and carbides; they should be eliminated from the coating by additional processes or changing the composition of coating powders. The both aluminum and nickel coated samples are annealed at 850°C, 900°C for 24h, 950°C, 1000°C, and 1050°C for 1h. The similar three-layered structure is observed between aluminum-substrate, and aluminum–nickel. However, in the middle zone, porous and cracked type area is produced. The structure is formed due to high activity of aluminum, because aluminum is completely consumed before creating a diffusional bond between substrate-aluminum and aluminum-nickel. Therefore,nickel coating on the aluminum does not meet the requirement of diffusional coating. The diffusion activities of elements and created phases are supported by characterization test results of X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM), and energy dispersive spectroscopy (EDS) The Al coated samples are subjected to hardness test to measure the hardness of each zone. According to results, the first and third zone value is highest because of refractory precipitates and carbides.
Benzer Tezler
- Farklı kompozisyonlara sahip termal bariyer kaplama (TBC) sistemlerinde oluşan sıcak korozyon ve cao-mgo-al2o3-sio2 (Cmas) etkisinin incelenmesi
Investigation of hot corrosion and cao-mgo-al2o3-sio2 (Cmas) effect on thermal barrier coating (TBC) systems with different compositions
YASİN ÖZGÜRLÜK
Doktora
Türkçe
2020
Metalurji MühendisliğiKarabük ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAYRETTİN AHLATCI
- FeNiCoCu yüksek entropili alaşımlarının ultrasonik sprey piroliz tekniği ile üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of FeNiCoCu high entropy alloys via ultrasonic spray pyrolysis method
BURAK KÜÇÜKELYAS
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEBAHATTİN GÜRMEN
- Kobalt esaslı alaşımların bağlayıcı matris olarak kullanıldığı doğal taş kesiminde kullanılan elmas kesici uçların karakterizasyonu
Characterization of diamond cutting tools using cobalt base alloys as the binding matrices
FERİT TOPALOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EYÜP SABRİ KAYALI
- Taç eterli bir salisilaldimin schiff bazı sentezi ve Co II, Cu II, Ni II ve UO2 VI ile komplekslerinin incelenmesi
Synthesis and characterization of crown-ether substituted salicylaldimine schiff's base ligand and its complexes with cobalt (II), Copper (II), nickel (II), and uranyl (VI)
ŞEVKET CAN
- Sıcak yapay gazdan katalitik amonyak giderimi
Catalytic ammonia removal from hot syngas
YELİZ ÇETİN
Doktora
Türkçe
2017
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN CAN OKUTAN
DOÇ. DR. ALPER SARIOĞLAN