Havacılık sektörü için yüksek oksidasyon dirençli Y-tial alaşımlarının geliştirilmesi
Development of high oxidation resistant Y-tial alloys for the aerospace industry
- Tez No: 994495
- Danışmanlar: PROF. CEVAT BORA DERİN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- 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: Belirtilmemiş.
Özet
Havacılık sektörü, yüksek sıcaklık ve oksidatif ortamlarda çalışan motor bileşenlerinde üstün performans gerektirdiğinden, malzeme özellikleri büyük önem taşımaktadır. Bu kapsamda düşük yoğunluk, yüksek sıcaklık dayanımı ve iyi oksidasyon direnci ile öne çıkan γ-TiAl alaşımları önemli bir potansiyel sunsa da, 700°C üzerindeki sınırlı oksidasyon dayanımları kullanım alanlarını daraltmaktadır. Alaşımların yüzeyinde oluşan Al₂O₃ tabakası koruyucu bir bariyer oluştursa da TiO₂ oluşumu oksidasyonu hızlandırmakta ve malzemenin yüksek sıcaklık direncini azaltmaktadır. Bu nedenle alaşımların oksidasyon direncinin artırılması, özellikle uçak motorlarında bileşen ömrü ve verimlilik açısından kritik bir gerekliliktir. Literatürde alaşımlara Cr, Nb, Si ve Mo gibi elementlerin ilavesi ile yüzey kaplamaları, mikro-ark oksidasyon ve aktif difüzyon bariyerleri gibi yöntemlerin oksit tabakası stabilitesini geliştirdiği gösterilmiştir. Nitekim Ti-48Al-2Nb-2Cr alaşımının GEnx motorlarında düşük basınç türbini kanatçığı olarak kullanılması, γ-TiAl alaşımlarının sektöre sağladığı verimlilik ve emisyon avantajlarını ortaya koymaktadır. Tez çalışmasında, γ-TiAl alaşımlarının oksidasyon direncinin artırılmasına yönelik olarak alaşıma Cr, Nb ve Mo elementlerinin ark ergitme yöntemiyle eklenmesiyle elde edilen alaşımların oksidasyon ve termal davranışları hem hesaplamalı modeller hem de deneysel çalışmalarla incelenmiştir. Literatürde Nb–Cr ve Nb–Mo ikili sistemleri detaylı şekilde araştırılmış olmasına karşın, Nb–Mo–Cr üçlü sistemine ilişkin çalışmalar sınırlıdır. Bu nedenle çalışma, söz konusu üçlü sistemin oksidasyon performansına katkılarını ortaya koyarak literatüre yeni bir bakış açısı sunmayı ve gelecekte yapılacak araştırmalara yol göstermeyi amaçlamaktadır. γ-TiAl esaslı sekiz farklı alaşım, yüksek saflıktaki Ti, Al, Nb, Mo ve Cr tozlarının homojen karıştırılması, preslenmesi ve vakum ark ergitme yöntemiyle üretilmiştir. Tozlar tartılmış, Turbula Shaker ile karıştırılmış, mekanik presle sıkıştırılmış ve ardından vakum altında üç kez ark ergitme işlemine tabi tutulmuştur. Ergitme sırasında kütle kayıpları gözlemlenmiş, ancak sonraki ergitmelerde değerler kararlı hâle gelmiştir. Üretilen numunelerde 800 °C'de 100 saat süren statik oksidasyon testi gerçekleştirilmiş, test sırasında düzenli olarak oksijen yenilemesi yapılmıştır. Oksidasyon sonrasında numuneler yavaş soğutularak oksit tabakasının zarar görmesi engellenmiştir. Kimyasal bileşim analizleri XRF ile belirlenmiş, numunelerin yoğunlukları Arşimet prensibiyle ölçülmüş ve dilatometre analizleriyle sıcaklığa bağlı yoğunluk değişimleri hesaplanmıştır. Numuneler kesilerek zımparalama ve parlatma işlemlerinden geçirilmiş, Kroll's reaktifiyle dağlanarak metalografik incelemeye hazırlanmıştır. Mikroyapılar optik mikroskopla incelenmiş, sertlik ölçümleri Vickers HV1 yöntemiyle yapılmış ve yüzey morfolojisi ile oksit tabakaları SEM–EDS ile detaylı biçimde analiz edilmiştir. Termodinamik açıdan, sıcaklığa bağlı yoğunluk değerleri ThermoCalc yazılımı kullanılarak CALPHAD tabanlı modellerle hesaplanmış; molar hacim ve termal genleşme parametreleri değerlendirilmiştir. Oksidasyon davranışını incelemek için FactSage yazılımında oksijen kısmi basıncına bağlı faz dengeleri hesaplanmış; γ-TiAl alaşımlarında oksit fazlarının (Al₂O₃, TiO₂ vb.) ve intermetalik fazların kararlılıkları belirlenmiştir. Sıcaklığa bağlı yoğunluk sonuçları 400–800 °C aralığında incelenmiş ve termodinamik modelin deneysel verileri yüksek doğrulukla tahmin ettiği görülmüştür. Bazı alaşımlarda küçük sapmalar bulunsa da ortalama hata oranı %2 civarında olup modelin yüksek sıcaklık uygulamaları için güvenilir olduğu belirlenmiştir. 800 °C'de 100 saat süren oksidasyon testlerinde alaşımsız Ti-48Al en düşük performansı sergilerken, Nb, Mo ve Cr katkılı alaşımlar belirgin şekilde daha yüksek oksidasyon direnci göstermiştir. Özellikle Ti-48Al-4Mo ve Ti-48Al-2Nb-2Mo-2Cr alaşımlarında kompakt ve kararlı Al₂O₃ ağırlıklı oksit tabakası oluşmuş, bu durum hem deneysel bulgular hem de FactSage modellemesiyle uyumlu bulunmuştur. Buna karşılık Ti-48Al ve Ti-48Al-4Cr alaşımlarında kalın ve gözenekli oksit tabakaları, düşük oksidasyon direncini doğrulamıştır. Mikrosertlik sonuçları, alaşım elementlerinin mekanik özellikleri güçlendirdiğini ortaya koymuş; katkı içermeyen Ti-48Al en düşük sertlik değerine sahipken, Nb-Mo-Cr katkılı alaşımlar belirgin sertlik artışı göstermiştir. Mikroyapı incelemeleri tüm alaşımların lamelli (α₂ + γ) yapı oluşturduğunu, lamel morfolojisindeki değişimlerin soğuma koşullarına bağlı olarak sertlik ve mekanik davranışları etkilediğini göstermiştir. Bunun yanında porozite ve çekinti boşlukları yer yer gözlemlenmiş olup, vakum ark ergitme sürecinin tipik mikroyapısal karakteristiğini doğrulamaktadır. Genel olarak hem deneysel hem de termodinamik sonuçlar, alaşım elementlerinin γ-TiAl sistemlerinde oksidasyon direncini artırmada kritik rol oynadığını göstermektedir. Al₂O₃ tabakasının sürekliliği ve TiO₂'nin sınırlandırılması, Nb, Mo ve Cr katkılarıyla belirgin biçimde iyileşmiştir. Model ve deneysel veriler arasındaki yüksek uyum, gelecekte yeni nesil TiAl bileşimlerinin tasarımı için hesaplamalı mühendislik yaklaşımlarının güçlü bir araç olduğunu doğrulamaktadır. Bu kapsamda, havacılık sektöründe kullanılabilecek yüksek sıcaklık dayanımlı TiAl alaşımlarının geliştirilmesi için kapsamlı modelleme-deney entegrasyonunun sürdürülmesi önerilmektedir.
Özet (Çeviri)
The aviation industry places stringent demands on the performance of engine components that operate under high-temperature and oxidative environments, making the selection and optimization of suitable materials critically important. In this context, γ-TiAl alloys, which stand out due to their low density, high-temperature strength, and favorable oxidation resistance, offer significant potential as advanced structural materials. However, their limited oxidation resistance above 700 °C considerably restricts their range of application, particularly in next-generation aero-engine systems. Although the formation of a protective Al₂O₃ layer on the alloy surface contributes to establishing a stable barrier against further oxidation, the simultaneous formation of TiO₂ accelerates the oxidation process and consequently diminishes the alloy's high-temperature durability. Therefore, enhancing the oxidation resistance of γ-TiAl alloys has become a critical requirement, especially for extending component lifetime and improving overall engine efficiency in aircraft propulsion systems. Current literature demonstrates that various strategies—such as alloying with elements including Cr, Nb, Si, and Mo; applying surface coatings; employing micro-arc oxidation processes; and developing active diffusion barriers—can significantly improve the stability of the oxide layer and mitigate detrimental oxidation mechanisms. A notable example illustrating the technological maturity and industrial relevance of such improvements is the use of the Ti-48Al-2Nb-2Cr alloy in the low-pressure turbine blades of GEnx engines. This application underscores the efficiency, weight reduction, and emission-lowering advantages that γ-TiAl alloys can provide to the aviation sector when their high-temperature oxidation behavior is properly engineered. In this thesis study, the oxidation resistance of γ-TiAl alloys was investigated by examining the oxidation and thermal behaviors of alloys produced through the addition of Cr, Nb, and Mo elements via the arc melting technique. The research integrates both computational modeling approaches and comprehensive experimental analyses to obtain a holistic understanding of the alloy system. Although the binary Nb–Cr and Nb–Mo systems have been extensively explored in the literature, studies focusing on the ternary Nb–Mo–Cr system remain relatively scarce. This gap highlights a need for deeper insight into the synergistic effects that may arise when all three elements are incorporated simultaneously into γ-TiAl matrices. Therefore, the present study aims to provide a novel perspective to the existing body of knowledge by elucidating the contributions of this ternary system to oxidation performance. Furthermore, the findings are intended to serve as a foundation for future research efforts, offering guidance for the design and optimization of next-generation high-temperature materials with enhanced durability and stability. A total of eight γ-TiAl–based alloys were synthesized through the homogeneous mixing, compaction, and vacuum arc melting of high-purity Ti, Al, Nb, Mo, and Cr elemental powders. The powders were first weighed with high precision, thoroughly blended using a Turbula Shaker to ensure chemical uniformity, and subsequently compacted by mechanical pressing to obtain pre-consolidated pellets suitable for melting. These pellets were then subjected to vacuum arc melting, during which each alloy was remelted three consecutive times under controlled atmospheric conditions to promote chemical homogenization and minimize segregation. Although minor mass losses were observed during the initial melting cycles, the mass values stabilized in subsequent melts, indicating that a consistent alloy composition had been achieved. Following production, the samples underwent a static oxidation test conducted at 800 °C for a total duration of 100 hours, during which the oxygen supply in the furnace chamber was periodically refreshed to maintain a stable oxidizing environment. After oxidation, the specimens were slowly cooled to prevent mechanical damage or spallation of the oxide scale. Chemical compositions of the alloys were determined using XRF analysis, while their densities were measured in accordance with the Archimedes principle. Dilatometry measurements were performed to evaluate the temperature-dependent changes in density, thereby enabling a detailed assessment of the thermal behavior of each alloy. For microstructural characterization, the samples were sectioned, subjected to standardized grinding and polishing procedures, and subsequently etched with Kroll's reagent to reveal phase boundaries and microstructural features. Optical microscopy was utilized to examine the overall microstructure, whereas Vickers hardness tests (HV1) were conducted to quantify the mechanical response of the alloys. In addition, SEM coupled with EDS provided high-resolution analyses of surface morphology, oxidation products, and oxide scale composition. From a thermodynamic perspective, temperature-dependent density values were calculated using CALPHAD-based predictive models implemented in ThermoCalc software, enabling the evaluation of molar volume and thermal expansion parameters. To further investigate oxidation mechanisms, phase equilibria as a function of oxygen partial pressure were computed using the FactSage thermodynamic software package. These calculations allowed the determination of stability ranges for key oxide phases (such as Al₂O₃ and TiO₂) as well as intermetallic phases within γ-TiAl alloys, offering a comprehensive understanding of high-temperature oxidation behavior. The temperature-dependent density results were evaluated within the range of 400–800 °C, and it was observed that the thermodynamic model predicted the experimental data with a high degree of accuracy. Although minor deviations were detected for some of the alloy compositions, the average error remained around 2%, indicating that the model provides a reliable representation of the alloys' thermophysical behavior at elevated temperatures. This level of agreement confirms the suitability of the CALPHAD-based modeling approach for high-temperature material design and performance prediction. In the oxidation tests conducted at 800 °C for 100 hours, the unalloyed Ti-48Al composition exhibited the lowest oxidation resistance among all examined samples. In contrast, alloys containing Nb, Mo, and Cr demonstrated significantly improved oxidation performance, confirming the beneficial influence of these elements on stabilizing protective oxide layers. Notably, the Ti-48Al-4Mo and Ti-48Al-2Nb-2Mo-2Cr alloys formed compact and stable oxide scales predominantly composed of Al₂O₃, which is known to substantially enhance resistance to high-temperature oxidation. This observation was consistent with both the experimental findings and the predictions obtained from FactSage thermodynamic modeling, further validating the formation of thermodynamically favorable oxide phases. Conversely, the Ti-48Al and Ti-48Al-4Cr alloys developed thick, porous oxide layers, which aligned with their observed inferior oxidation resistance and confirmed the detrimental effect of insufficient alloying on oxide scale integrity. The microhardness measurements revealed that the addition of alloying elements significantly enhanced the mechanical properties of the γ-TiAl-based materials. While the unalloyed Ti-48Al composition exhibited the lowest hardness values, the alloys containing Nb, Mo, and Cr demonstrated a marked increase in microhardness, indicating that these elements contribute effectively to solid-solution strengthening and microstructural refinement. Microstructural examinations further showed that all alloy compositions developed a lamellar (α₂ + γ) structure, which is characteristic of γ-TiAl-based intermetallic systems. Variations in lamellar morphology, influenced primarily by cooling conditions during solidification, were found to play a decisive role in determining hardness and overall mechanical behavior. Additionally, localized porosity and shrinkage cavities were observed in several samples, reflecting the inherent microstructural characteristics commonly associated with the vacuum arc melting process. Overall, both the experimental observations and thermodynamic analyses demonstrated that alloying additions play a critical role in improving oxidation resistance in γ-TiAl systems. The continuity and stability of the protective Al₂O₃ scale were significantly enhanced, while the formation of detrimental TiO₂ was effectively suppressed through the incorporation of Nb, Mo, and Cr. The strong agreement between model predictions and experimental data confirms that computational materials engineering approaches represent a powerful tool for guiding the design of next-generation TiAl compositions. In this context, the continued integration of advanced thermodynamic modeling with systematic experimental investigations is strongly recommended for the development of high-temperature, oxidation-resistant TiAl alloys suitable for future aerospace applications.
Benzer Tezler
- Termal oksidasyon yöntemi ile CP-Ti ve Ti6AI4V alaşımının yüzey modifikasyonu
Surface modification of CP-Ti and Ti6AI4V alloys through thermal oxidation
YUSUF FATİH AKDAŞ
- Wear behaviour of multilayer coated WE43 magnesium alloy
Çok katmanlı kaplanmış WE43 magnezyum alaşımının aşınma davranışı
MERTCAN KABA
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU
PROF. DR. UĞUR MALAYOĞLU
- Al-6082 alaşımının mikro ark oksidasyonunda elektrolit katkısı olarak karbon nanotüpün etkileri
The effects of carbon nanotube as electrolyte additive in micro arc oxidation of 6082 aluminum alloy
YAKUP YÜREKTÜRK
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MURAT BAYDOĞAN
- Synthesis & characterization of boron nitride nanostructures and application in nanocomposites
Bor nitrür nano yapıların sentezlenmesi, karakterizasyonu ve bu yapıların nano kompozit uygulamalarında kullanılması
AYŞEMİN TOP
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. NURİ SOLAK
YRD. DOÇ. DR. HÜLYA CEBECİ
- Bimetal kompozitlerin metal talaşlarıyla üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of bimetal composites by metal shavings
RIDVAN GECÜ
Doktora
Türkçe
2019
Metalurji MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET KARAASLAN