Turbojet motorda kullanılmış ve kullanılmamış nikel bazlı süperalaşım türbin rotorların mekanik ve mikroyapı incelemesi
Comparison of mechanical and microstructural properties between operated and unoperated nickel based superalloy turbine rotors in turbojet engine
Yazar: CEMRE ÖZGÜL
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ELİF UZUN
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Gaz türbinli motorlar = Gas turbine engines ; Süper alaşımlar = Superalloys ; Turbo jet motoru = Turbojet engine ; Turbo makineler = Turbomachinery ; Türbin = Turbine

Özet:
Gaz türbinli motorların yüksek itki ve düşük yakıt tüketimi sağlamasının yanı sıra, hafif olması arzu edilmektedir. Gaz türbinli motorlar tasarlanırken özellikle türbin giriş sıcaklıkları büyük önem taşır çünkü turbomakinelerde türbin girişi en zorlayıcı koşul olarak kabul edilmektedir. Çalışma koşulu nedeniyle yüksek sıcaklık ve yüklere maruz kalan türbinlerin malzeme seçimi büyük önem taşımaktadır.
Süperalaşımlar yüksek mukavemet, uzun yorulma ömrü, kırılma tokluğu, sürünme direnci ve yüksek sıcaklıkta gerilme-kopma direnci sağlayarak bir jet motoru türbin malzemesi için tercih sebebi olmaktadır. Döküm nikel bazlı süperalaşımlar, türbin kanatları olarak uzun yıllardır kullanılmaktadır. Nikel bazlı süperalaşımlar iyi dökülebilirliğe ve mukavemete sahiptir ve ayrıca sürünme ve sıcak korozyona karşı dirençleri oldukça iyidir.
Bu tez çalışmasında Kale Arge A.Ş.'de geliştirilmekte olan turbojet motorda kullanılmış ve kullanılmamış, aynı tasarıma sahip aynı ısıl işlem uygulanmış iki adet nikel bazlı süperalaşım türbin, mikroyapı incelemesine ve mekanik incelemeye tabi tutulmuştur. Türbinlerden çıkarılan numunelerin mikroyapısı, metalografik muayene ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile incelenmiştir ve maruz kalınan yüksek sıcaklığın malzemenin mikroyapısına etkisi araştırılmıştır. Çalışma koşulu nedeniyle mikroyapı içerisinde oluşan fazlar ve oluşan bu fazların malzemenin tane yapısında meydana getirdiği değişiklikler incelenmiştir. Aynı zamanda türbinlerden yüksek sıcaklık çekme testi için ve sertlik ölçümü için numune alınmıştır. Yüksek sıcaklık çekme testi ve sertlik ölçümü yapılan numunelerin mekanik özelliklerindeki farklılıklar gözlenmeye çalışılmıştır.
Yapılan çalışmalar sonucunda turbojet motorda kullanılmış olan türbinin sertliğinin, çekme dayanımının ve sünekliğinin kullanılmamış türbinden daha iyi olduğu görülmüştür. Her iki türbinden alınan numunelerin mikroyapıları incelenmiş olup çalışmış türbinin gama prime hacim oranının çalışmamış türbinden daha yüksek olduğu tespit edilmiştir ve servis koşulunda türbinin yaşlanmaya devam ettiği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
In addition to providing high thrust and low fuel consumption, gas turbine engines are desired to be lightweight. Turbine inlet temperatures are particularly important when designing gas turbine engines because the turbine inlet is considered the most challenging condition in turbomachinery. Material selection is of great importance for turbines exposed to high temperatures and loads due to their operating conditions.
Superalloys are preferred for a jet engine turbine material by providing high strength, long fatigue life, fracture toughness, creep resistance, and high-temperature stress-rupture resistance. Cast nickel-based superalloys have long been used as turbine blades. Nickel-based superalloys have good castability and strength and are also highly resistant to creep and hot corrosion.
In this thesis, two nickel-based superalloy turbines which are used and not used in turbojet engine being developed in Kale Arge and have the same design and same heat treatment were subjected to microstructure investigation and mechanical inspection. The microstructure of the samples taken from the turbines was examined by metallographic examination and Scanning Electron Microscope (SEM) and the effect of high-temperature exposure on the microstructure of the material was investigated. The phases formed in the microstructure due to the working conditions and the changes caused by these phases in the grain structure of the material were examined. At the same time, samples were taken from the turbines for high-temperature tensile testing and hardness measurement. The differences in the mechanical properties of the samples that were tested for high temperature tensile and hardness measurements were observed.
As a result of the studies, it was observed that the hardness, tensile strength, yield strength, and ductility of the turbine used in the turbojet engine were better than the not used turbine. As the microstructures of the samples taken from both turbines were examined, it was determined that the gamma prime volume fraction of the used turbine was higher than the not used turbine and it was concluded that the turbine continued to age under service condition.