Uçak motor türbin pallerinde kullanılan rene 41 nikel tabanlı süper alaşımının yüksek sıcaklık oksidasyon özellikleri
High temperature oxidation behavior in operating conditions of rene 41 based nickel superalloys used in jet turbine blades
Yazar: SONER BALOĞLU
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ DEMET BALKAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering
Dizin: Rene 41 = Rene 41 ; Süper alaşımlar = Superalloys ; Termik oksidasyon = Thermal oxidation ; Turbo jet motoru = Turbojet engine

Özet:
Gaz türbinli motorların verimliliği, yıllar içerisinde yanma verimliliği artırılarak ve buna bağlı olarak türbin giriş sıcaklığı artırılarak arttırılmıştır. Bu da tasarım ve malzeme teknolojisindeki ilerlemeler ile mümkün olmuştur. Gaz türbinli motorlarda en yüksek sıcaklığın oluştuğu yanma odası ve çıkışındaki malzemeler, yanma ile oluşan sıcaklığa dayanıklı hale getirilerek ve tasarımları geliştirilerek bugün 1100 °C ve üzeri sıcaklıklara dayanıklı duruma getirilmiştir. Tasarım anlamında, türbin bıçakları aerodinamik yapıya uygun şekilde tasarlanmış ve yanma odaları da daha verimli olacak şekilde tasarlanmıştır. Son yıllarda mekanik kuvvetlere ve termal etkilere maruz kalan türbin bölgesi parçalarının üretiminde, nikel bazlı süperalaşımlar tercih edilmeye başlanmıştır. Nikel tabanlı süperalaşımlar bu bölgede meydana gelen etkilere karşı en iyi direnci göstermiş ve bugün motor çalışma saatlerini 1000 ile 5000 saat arasında optimum düzeylerde tutmayı başarmışlardır.

Malzemenin oksidasyon direnci, bu optimum saat aralıklarını elde etmede son derece önemli bir etkendir. Nikel tabanlı süperalaşımlar, gaz türbinlerinin yüksek sıcaklıklarda uzun süre hizmete maruz kalan bileşenleri için yüksek sıcaklık bölgelerinde başarıyla kullanılmıştır.
Bu çalışmanın temel amacı, gaz türbinli motorların yüksek sıcaklığa maruz kalan bölgelerinde kullanılan Rene 41 nikel tabanlı süper alaşımının, yüksek sıcaklık oksidasyon özelliklerini incelemektir. Bu çalışmada malzeme, literatürde yapılan çalışmalardan farklı olarak farklı hızlarda ve farklı ortamlarda ısıtılarak oksidasyon davranışları incelenmiştir. 

Çalışmada hazırlanan bir Rene 41 numunesi,  hava ortamında (%21 Oksijen), eş zamanlı termal analiz (STA- Simultaneous Thermal Analyzer) cihazında, oda sıcaklığından 1 K/dk hız ile 1200 °C sıcaklığa çıkarıldı. Daha sonra aynı koşullarda başka bir numune, oda sıcaklığından 10 K/dk ile 1200 °C sıcaklığa çıkarıldı. Bu karşılaştırmanın amacı; malzemenin, 1 K/dk hız ile 10 K/dk hızla sıcaklık değişimine maruz kaldığında oksidasyon ağırlık kazancında değişiklik olup olmadığını gözlemlemektir. Elde edilen sonuçlar, iki durum arasındaki farkın ihmal edilebilir derecede olduğunu göstermiş ve bu sebeple de çalışma süresince yürütülecek tüm deneylerin daha hızlı ve verimli olması açısından sıcaklığın 10 K/dk hız ile artırılarak yapılmasına karar verilmiştir.

Hava ortamında (%21 oksijen), bir miktar yanmayan oksijenin (yaklaşık yarısı %10) ve diğer yanmış gazlara maruz kalan türbin pallerinin simülasyonunu yapmak üzere %10 Oksijen içeren karışım ortamında ve %21 Oksijen içeren hava ortamında 2 farklı deney seti geliştirilmiştir. Düşük sıcaklıklarda oksijen oranı etkisi çok fazla gözlemlenmezken; özellikle  1000 C üzerindeki sıcaklıklarda oksijen oranının etkileri, oksidasyon oranı ve oluşan oksit tabakalar üzerinde gözlemlenmiştir. Bir numune STA cihazında 0 °C'den 1200 °C'ye kadar ısıtılarak Termogravimetrik (TGA) ağırlık/kazanç-sıcaklık grafikleri elde edilmiştir. Grafikte yaklaşık 700 °C 'den sonra parabolik artış gözlemlenmiştir. Bu sebeple oksidasyon ilk başlangıç sıcaklık  tespiti için 700 °C sıcaklığın altındaki sıcaklıklarda deneyler yapılarak, oksidasyon başlangıç sıcaklığı ≅ 505 °C   olarak belirlenmiştir.

Oksijen etkisini daha yakından gözlemleyebilmek için öncelikle oksidasyonun başladığı sıcaklığın yukarısında fakat düşük sıcaklıklarda ve sonrasında yüksek sıcaklıklarda (1100 °C ve 1200 °C) hem hava ortamında hemde %10 Oksijen ortamında deneyler yapılmış ve bu numunelerin SEM/EDX cihazında oksidasyon yapıları ve malzeme karakteristikleri gözlemlenmiştir. 1100 °C 'den 1200 °C 'ye doğru malzeme ağırlık/kazanç-sıcaklık (TGA) grafiğinde hızlı ve dengesiz parabolik artış gözlemlenmiştir. 1200 °C'ye ısıtılan numuneden dökülen malzemelerin SEM/EDX analizleri yapıldığında Molibden (Mo) elementine, Titanyum (Ti) ve Cr2O3 (Krom Oksit )  koruyucu oksit tabakasına rastlanmıştır.
Malzemede koruyucu oksit tabakaları oluşumu 1100 °C sıcaklıklara kadar ağırlık olarak Cr2O3 (Krom Oksit) ve onun alt yüzeylerinde Al2O3 (Alüminyum Oksit) tabakaları şeklinde görülmüştür. Bu sıcaklıklardan sonra Cr2O3 (Krom Oksit) tabakası bozunmaya ve dökülmeye başlamış yerine Al2O3 (Alüminyum Oksit) ve TiO (Titanyum Oksit) tabakalarının oksidasyon direncine katkı sağladıkları görülmüştür. 1100 °C'ye kadar belli bir miktar oksidasyonun gerçekleştiği fakat fiziksel olarak oksit tabakası numuneden ayrılmadığı gözlemlenmiştir. Bu sıcaklıktan sonra malzemeden döküntüler başlamıştır ve 1200 °C sıcaklığa çıkartılan numuneden dökülen malzeme EDX analizlerine göre döküntülerin; yoğunlukla Krom (Cr), Molybdenum (Mo), Kobalt (Co) ve Nikel (Ni) oksitlerinden oluştuğu tespit edilmiştir. Titanyum (Ti) 'un bu döküntüde az miktarda bulunması, fakat 1100 °C'deki dökülmeyen numunedeki oksit tabakasında yoğun olarak bulunması, bize bu elementin oksidinin dökülmeden kaldığını ve bu sıcaklıkta (1100 °C) Mo (Molibden), Co (Kobalt) ve Ni (Nikel) 'in oksitlenmesini baskılamış ve döküntü oluşumunu engelleyerek alaşımın sağlam kalmasına neden olmuş olabileceğini göstermiştir. 1100 °C' den sonra parabolik olarak yüksek bir hızla oksidasyon artışının ana sebebi muhtemelen Titanyum Oksitin (TiO) artık bu sıcaklıkta döküntü yaratan oksitlerin oluşumunu engelleyememesidir. Bu döküntüde yüksek miktarda Cr (Krom) ve Mo (Molibden) bulunması ve bu elementlerin 1100 °C' deki numunenin heryerinde homojen dağılmış olmaları, bu elementlerin 1100 °C' deki koruyucu tabakayı terkedip döküntüye sebep olmaları şeklinde açıklanabilir.

Nikel (Ni) ve Kobalt (Co) 1100 °C' de oksit tabakasında çok az fakat zımparalanmış yüzeyde fazla iken 1200 °C'de oksit tabakasının içinden geçip döküntü malzemesine geçmişlerdir.Buradan çıkarılabilecek önemli bir sonuç, Titanyum (Ti) yoğunluklu koruyucu tabaka 1100 °C'ye kadar Nikel (Ni) ve Kobalt (Co) 'ın yüzeye çıkıp oksit ve dolayısıyla döküntü oluşturmasını engellemektedir. Alaşımdaki Titanyum (Ti) varlığı alaşımın 1100 °C'deki oksitlenmeye karşı direncinin önemli bir kaynağını oluşturmaktadır.

Yapılan literatür çalışmalarında Rene 41 süperalaşımının motor sıcak bölgelerinde  çalışma sıcaklıkları 1100 °C (2000 °F) sıcaklıkları bulabildiği görülmüştür. Bu sebeple deneylerde 1100 °C - 1200 °C sıcaklıklardaki  oksidasyon davranışları yoğun olarak incelenmiştir. Bu sıcaklıklarda oksijen oranı etkisini daha yakından gözlemleyebilmek için bir numune, 1100 C sıcaklıkta %21 Oksijen içeren hava ortamında ve diğer bir numune 1100 °C sıcaklıkta %10 Oksijen içeren ortamda STA cihazında 8 saat bekletilmiş ve TGA analizleri ile oksitlenmeden kaynaklı kütle kazanımları karşılaştırılmıştır. TGA sonuçlarından anlaşılan, %10 oksijen ortamında tespit edilen oksitlenme miktarı, hava ortamındaki oksitlenme miktarına göre ağırlıkça yaklaşık %7 civarında daha azdır. Bu fark, yanma odasından çıkan egzoz gazlarına maruz kalan parçaların oksitlenme davranışlarını incelerken göz önünde bulundurulması gereken önemli bir farktır.

Abstract:
The efficiency of gas turbine engines has been increased over the years by increasing the combustion efficiency and thus increasing the turbine inlet temperature. This was made possible by advances in design and material technology. The combustion chamber and the materials at the outlet where the highest temperature is formed in gas turbine engines are made resistant to the temperature formed by combustion and their designs are improved and today they are resistant to the temperatures of 1100 °C and above. In terms of design, the turbine blades are designed to suit the aerodynamic structure and the combustion chambers are designed to be more efficient. In recent years, the turbine zone parts, which are exposed to mechanical forces, thermal effects and working conditions, are produced from nickel based superalloys. Nickel-based superalloys have shown the best resistance to the impacts in this region and have managed to keep their engine operating hours at optimum levels between 1000 and 5000 hours.
The oxidation resistance of the material is an extremely important factor in achieving these optimum hours. Nickel-based superalloys have been successfully used in hot zones of gas turbines for components that have been exposed to long service at high temperatures.
The main aim of this study is to investigate the high temperature oxidation characteristics of Rene 41 nickel based super alloy used in gas turbine engine hot zones. In this study, unlike the studies conducted in the literature, the material oxidation behaviors were investigated by heating them at different speeds and different environments.
In the study, a sample was raised to 1200 °C at a rate of 1 Kelvin per minute at room temperature (21% Oxygen), Simultaneous thermal analysis (STA), at room temperature. The same test was then carried out in another sample at a temperature of 10 ° / min to 1200 °C. The purpose of this comparison is; to observe if there was a change in oxidation weight gain when the material was subjected to a temperature change of 1Kelvin / minute with a speed of 10Kelvin / minute. It was decided that there would be no big differences in the obtained graph and therefore 10 Kelvin / min would be performed in order to be faster.

Two different experimental sets were developed in a 10% oxygen-containing mixture medium and air environment to simulate turbines that were exposed to air (21% oxygen), some non-flammable oxygen (approximately half 10%) and other burned gases. At low temperatures the oxygen rate effect was not observed too much. In particular, the effects of the oxygen content at temperatures above 1000 °C were observed on the oxidation rate and the resulting oxide layers. Thermogravimetric (TGA) weight / gain-temperature graphs were obtained by heating a sample from 0 °C to 1200 °C on a STA instrument. The graph shows a parabolic increase after about 700 °C. Therefore, for the initial temperature determination of oxidation, the temperature was determined as ≅ 505 °C.
In order to be able to observe the oxygen effect more closely, experiments were carried out in both air environment and in 10% oxygen environment at elevated temperatures (1100 °C and 1200 °C) and at high temperatures (1100 °C and 1200 °C). Oxidation structures and material characteristics were observed in the rays analyzer (EDX) device. A rapid and unbalanced parabolic increase was observed in the material weight / gain-temperature (TGA) graph from 1100 °C to 1200 °C. When SEM / EDX analysis of the materials poured from the sample heated to 1200 °C were made, Molybdenum (Mo) element was detected with Titanium (Ti) and Cr2O3 (Chromium Oxide) protective oxide layer.
The formation of protective oxide layers in the material was seen as Cr2O3 (Chromium Oxide) and Al2O3 (Aluminum Oxide) layers on the lower surfaces until 1100 °C temperatures. After these temperatures, Cr2O3 (Chromium Oxide) layer began to decompose and pour instead of Al2O3 (Aluminum Oxide) and TiO (Titanium Oxide) layers were found to contribute to the oxidation resistance. It was observed that a certain amount of oxidation occurred up to 1100 °C, but physically the oxide layer did not separate from the sample. After this temperature, the spillage from the material started and the material poured out from the sample at 1200 °C, Cobalt (Co) and Nickel (Ni) oxides. The presence of a small amount of titanium (Ti) in this debris, but its presence in the oxide layer at 1100 °C in the non-spillage sample shows us that the oxide of this element remains unbroken, at this temperature (1100 °C) Mo (Molybdenum), Co (Cobalt) and Ni. It suppressed the oxidation of (nickel) and indicated that it could cause the alloy to remain intact by preventing the formation of debris. After 1100 ° C, the main reason for the increase in oxidation at a parabolically high rate is that Titanium Oxide (TiO) is no longer able to prevent the formation of debris-forming oxides at this temperature. The homogeneous distribution of the sample was seen as a result of these elements leaving the protective layer at 1100 °C and causing the rash.
Nickel (Ni) and Cobalt (Co) at 1100 °C were very little on the oxide layer but on the sanded surface. It prevents Nickel (Ni) and Cobalt (Co) from reaching the surface and preventing the formation of oxide and thus debris. The presence of Titanium (Ti) in the alloy constitutes an important source of resistance of the alloy to oxidation at 1100 °C.
In the studies conducted, it was seen that the Rene 41 superalloy could find temperatures of 1100 °C (2000 ° F) in the engine hot zones. Therefore, the oxidation behaviors at 1100 °C - 1200 °C were examined intensively in the experiments. A sample to observe the oxygen rate effect at these temperatures was observed at a temperature of 1100 °C. TGA analysis and oxidation-derived mass gains were compared. The amount of oxidation detected in the 10% oxygen environment, understood from the TGA results, is about 7% by weight based on the amount of oxidation in the air environment. This difference is an important difference to be considered when examining the oxidation behavior of the parts exposed to the exhaust gases from the combustion chamber.