Ni-Al-Cr-X (X=Mg, Ca, Sr) alaşımlarınınyüksek sıcaklık oksidasyon davranışlarının incelenmesi ve karakterizasyonu
Characterization of Ni-Al-Cr-X (X=Mg, Ca, Sr) alloys and investigation of their high temperature oxidation behavior
Yazar: YUNUS AZAKLI
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET TARAKÇI
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Atmosferik korozyon = Atmospheric corrosion ; Metal döküm = Metal casting ; Süper alaşımlar = Superalloys

Özet:
Bu tez çalışmasında 2A grubu (Mg, Ca, Sr) element ilavesinin NiAlCr temelli alaşımların yüksek sıcaklık oksidasyon davranışına etkisi incelenmiştir. 
Atmosfer kontrollü indüksiyon sisteminde üretilen ve dendritik yapıda katılaşan alaşımlar çoğunlukla martenzitik NiAl yapılarından ve Ni3Al fazından meydana gelmiştir. NiAlCr alaşımına ilave edilen dördüncü elementlerin çok büyük bir kısmı son katılaşan interdendritik bölgede segrege olmuştur. İlave edilen alaşım elementlerinin alaşımların termal genleşme katsayısına (TGK) önemli ve sistematik bir etkisi olmamıştır. Alaşımların sertlikleri ise ilave alaşım elementi miktarıyla genellikle arttırmıştır. Alaşımlara yapılan ısıl işlem sonrasında mikroyapıdaki dendritik morfoloji korunmuştur. Isıl işlem sonrasında martenzitik yapılar tamamen kaybolmuştur. Mg elementi özellikle dendritik bölgedeki β-NiAl fazı  içerisinde çözünürken Ca ve Sr elementleri için bir değişiklik olmamıştır. Alaşımların TGK değeri ısıl işlem sonrasında artmıştır. Isıl işlem, alaşımların özellikle dendritik bölgesinin sertliğinde artışa neden olmuş ve alaşımların TGK değerini arttırmıştır.
Alaşımların çevrimsel oksidasyon testleri, içerisinden hava akıtılan 1027 °C'deki tüp fırın içerisinde gerçekleştirilmiştir. NiAlCr alaşımı üzerinde α-Al2O3 tabakası oluşmasına rağmen, bu tabakanın termal çevrimler sırasında büyük oranda dökülmesi oksidasyon hızını arttırmıştır. İlave edilen Mg, Ca ve Sr elementi  miktarı limitli tutulduğunda (Mg: at. %1, Ca: at. %0,3, Sr: at. %0,4) alaşımın çevrimsel oksidasyon direncini geliştirirken aşırı ilave edilmesi durumunda (Mg: at. %2,5-3,8, Ca: at. %1,4-2)  alaşımın oksidasyon hızını arttırmıştır. Mg içeren alaşım üzerinde α-Al2O3 ve MgAl2O4 katmanları meydana gelirken yüksek orandaki Mg muhteviyatı ilave bir MgO katmanının oluşumuna neden olmuştur. Yüksek miktarda Ca ilavesinin, alaşımı oluşturan elementlerin hem alaşım yüzeyinde hem de alaşımın içerisinde oksitlenmesine, böylece alaşımın oksidasyon hızının çok şiddetli şekilde artmasına neden olmuştur. Sr ilave edilen alaşım yüzeyinde sadece α-Al2O3 fazı oluşmuştur. Termal çevrimler esnasında dökülmeyen bu tabaka, alaşımın yüksek oksidasyon direnci göstermesini sağlamıştır.

Abstract:
In this study, the effect of 2A group elements (Mg, Ca, Sr) on the high temperature oxidation behavior of NiAlCr alloys was investigated.
The alloys were produced in atmosphere controlled induction system. Dendritically solidified as-cast structures were mostly composed of martensitic NiAl structures and Ni3Al phase. Major amount of fourth element added to NiAlCr alloy segregated in the interdendritic regions, which solidify last. Addition of those elements had no significant and systematic influence on the coefficient of thermal expansion (CTE) values of the alloys. The increase in the amount of alloying elements mostly increased the hardness values of the alloys. Annealing did not change the dendritic morphology in the microstructure of the alloys. Martensitic structures vanished after annealing. Mg element mostly dissolved in β-NiAl phase present in dendritic region while Ca and Sr elements remained as interdendritic segregates. Especially, the hardness ovalues of the dendritic region of the alloys and CTE values of the alloys increased with annealing.
Cyclic oxidations tests of the alloys were carried out in a horizontal tube furnace at 1027 °C under airflow. Although an α-Al2O3 scale formed on NiAlCr alloy, due to the spallation of this scale under cyclic conditions, oxidation rate increased. Limited amount of Mg, Ca or Sr element addition (Mg: 1 at. %, Ca: 0.3 at. %, Sr: 0.4 at. %) improved the cyclic oxidation resistance of the alloys while over-alloying (Mg: 2.5-3.8 at. %, Ca: 1-2 at. %) increased the oxidation rate. Mg addition resulted in the formation of α-Al2O3 and MgAl2O4 oxide layers while further addition of Mg favors the formation of a distinct MgO layer. High amount of Ca addition resulted in the formation of oxide compounds both on the alloy surface and inside the alloy. It was revealed that the over-alloying with Ca might increase the oxidation rate severely. A single α-Al2O3 scale which, formed on the Sr containing alloy, ensured that the alloy exhibited high temperature resistance.