Örtülü elektrot kaynağında oksit partikül ilaveli elektrotun yüksek mukavemetli genel yapı çeliklerinin mekanik özelliklerine etkisi
The effect of oxide particle-added electrodes on the mechanical properties of high-strength structural steels in shielded metal arc welding
Yazar: MEHMET AKİF AYAZ
Danışman: DOÇ. DR. EMİN SALUR
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Beynit = Bainite ; Ferrit = Ferrite ; Kaynak = Welding ; Mikroyapı = Microstructure ; Sertlik = Hardness

Özet:
Yüksek sıcaklık ve basınç gereksinimleri enerji üretimi, nükleer enerji ve petrokimya gibi endüstrilerde yaygın olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu ortamlarda kullanılan malzemeler için ana gereklilik, güçlü bir deformasyon ve oksidasyon direncidir. Fosil yakıtlı enerji santrallerinde, farklı sıcaklık koşullarında çeşitli tür ve kalınlıkta malzemeler kullanılmaktadır. Ayrıca, bu bileşenlerin kaynak işlemi, uygulama alanlarına bağlı olarak kaçınılmaz ve yaygın bir prosestir. Bu çalışmada, yüksek sıcaklık çeliklerinin (ferritik/martensitik çelikler) elektrik ark kaynaklarında kullanılan geleneksel elektrot tiplerine alternatif olarak iki farklı kaplanmış elektrot geliştirilmesi hedeflenmiştir. Bir elektrot, 316L paslanmaz çelik tozundan oluşurken, diğeri Y2O3 içeren oksit seramik ile güçlendirilmiş 316L çeliğidir. Kaplanmış elektrotları, Gedik Kaynak A.Ş.'nin prototip laboratuvarında, farklı 316L ve Y2O3 oranlarına sahip şekilde üretmek için geleneksel yöntemler kullanılmıştır. İlk olarak, alaşımsız çelik teller kesit inceltmek amacıyla çekilmiş ve standart ölçüler dikkate alınarak kesilmiştir. Ardından, bu tellerin üzerine istenilen tozlarla birlikte hazırlanan elektrot hamuru ekstrüzyon presi kullanılarak ekstrüde edilmiştir. İlk elektrot, ağırlıkça %80 temel flux karışımı ve %20 316L tozundan oluşurken; ikinci elektrot ise 316L tozuna ilaveten ağırlıkça %0.3 Y2O3 içermektedir. Her bir elektrot, üretimden 48 saat sonra 380-390°C'de bir saat kurutma işlemine tabi tutulmuştur. Elektrot kaplamasına eklenen 316L paslanmaz çelik ve Y2O3 seramik tozlarının mikroyapı ve mekanik özellikler üzerindeki etkilerini analiz etmek için karakterizasyonlar yapılmıştır. SEM incelemeleri, kullanılan 316L tozlarının yaklaşık 10 µm çapında küresel bir morfolojiye sahip olduğunu, Y2O3 tozlarının ise 40-50 nm boyutlarında keskin olmayan köşelere ve nispeten daha az küresel bir şekle sahip olduğunu ortaya koymuştur. Kaynak yapıldıktan sonra kaynak metalinin mikro yapı incelemeleri gerçekleştirilmiştir. Yalnızca 316L paslanmaz çelik tozu katılan örtülü elektrot ile yapılan kaynak sonrasında yapıda tane sınırlarına yakın beynit iç yapısı oluştuğu gözlenmiştir. 316L+ Y2O3 karışımına sahip örtülü elektrot ile yapılan kaynak sonrasında yapıda iğnemsi ferrit iç yapısının oluştuğu gözlenmiştir. Üretilen bu iki elektrot arasındaki temel fark seramik esaslı oksit partikül olan Y2O3 'nin yapı içinde inklüzyon şeklinde çekirdekleyici olarak katılaştığı bu yüzden iğnemsi ferrit yapısı oluşturduğu gözlenmiştir. OX olarak adlandırılan Y2O3 katkılı örtülü elektrot ile yapılan kaynak sonrası Mikro-Vickers sertlik ölçümlerine göre; muadil olarak kabul edilen AWS 5.5 standartlarında yer alan E8018-B2L elektrodu ile yapılan bir kaynak sonrası ölçülen sertlik değerlerine göre yaklaşık olarak 2 kat daha sert bir iç yapı elde edildiği tespit edilmiştir. Tez kapsamında gerçekleştirilen elektrot karakterizasyonu, kaynak metali kimyasal analizleri, iç yapı ve sertlik analizleri sonucunda güncel bir elektrot örtüsünün başarılı bir şekilde üretildiği söylenebilmektedir.

Abstract:
High temperature and pressure requirements are commonly encountered in industries such as energy production, nuclear power, and petrochemicals. The main requirement for materials used in these environments is strong resistance to creep and oxidation. In fossil fuel power plants, materials of various types and thicknesses are used under different temperature conditions. Additionally, the welding process of these components is an inevitable and widespread practice, depending on their application areas. This study aims to develop two different covered electrodes as alternatives to traditional electrode types used in electric arc welding of high temperature steels (ferritic/martensitic steels). One electrode consists of 316L stainless steel powder, while the other is 316L steel reinforced with Y2O3 oxide ceramic. Covered electrodes were produced using traditional methods in Gedik Welding Inc.'s prototype laboratory with varying ratios of 316L and Y2O3. Initially, unalloyed steel wires were drawn to a thinner section and cut according to standard dimensions. Subsequently, these wires were extruded with an electrode paste prepared with the desired powders using an extrusion press. The first electrode consisted of 80% basic flux mixture and 20% 316L powder by weight, while the second electrode contained 0.3% Y2O3 by weight in addition to the 316L powder. Each electrode underwent a drying process for one hour at 380-390°C, 48 hours after production. Characterizations were conducted to analyze the effects of the 316L stainless steel and Y2O3 ceramic powders added to the electrode cover on the microstructure and mechanical properties. SEM examinations revealed that the 316L powders used had a spherical morphology of approximately 10 µm in diameter, while the Y2O3 powders had rounded corners with dimensions of 40-50 nm and a relatively less spherical shape. After welding, microstructure examinations of the weld metal were carried out. After welding with a covered electrode containing only 316L stainless steel powder, it was observed that the structure had a bainite internal structure close to the grain boundaries. After welding with the covered electrode having 316L+ Y2O3 mixture, it was observed that acicular ferrite internal structure was formed in the structure. The main difference between these two produced electrodes is that the ceramic-based oxide particle Y2O3 nucleates and solidifies in the form of inclusions within the structure, thus forming a needle-like ferrite structure. According to the Micro-Vickers hardness measurements after welding with the Y2O3 doped covered electrode called OX; it was determined that an internal structure approximately 2 times harder was obtained compared to the hardness values measured after welding with the E8018-B2L electrode included in the AWS 5.5 standards, which is accepted as equivalent. As a result of the electrode characterization, weld metal chemical analyses, internal structure and hardness analyzes carried out within the scope of the thesis, it can be said that an updated electrode cover has been successfully produced.