Hf ilavesinin Co-9Al-6W süperalaşımlarının yapısal özelliklerine etkisinin incelenmesi
Investigation of the hf addition on the structural properties of Co-9Al-6W superalloys
Yazar: EMRE DAMAR
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET YILDIRIM
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Kobalt ve Nikel esaslı süper alaşımlar sahip oldukları olağanüstü yüksek sıcaklık mukavemeti, tokluk, üstün korozyon/oksidasyon direnci ve yüksek sürünme dirençlerinden dolayı, sivil ve askeri uçakların jet motor türbinleri ve fosil yakıtlı çevrim santrallerinin türbinleri gibi yüksek sıcaklık yapısal uygulamalarında kullanılan yaygın alaşımlardır. Süper alaşımların uygulama alanları şu şekilde sıralanabilir: yüksek ve alçak basınç türbin kanatçıkları, yüksek sıcaklık valfleri, yanma odaları, çeşitli brülör ve eşanjör parçaları. Son yıllarda süper alaşımlardan üretilen parçaların servis sıcaklıkları giderek artmıştır. Ayrıca parça geometrileri de giderek karmaşık hale gelmiştir. Ni esaslı süper alaşımlara kıyasla Co esaslı olanlar daha yüksek servis sıcaklıkları, daha sade ve basit kimyasal bileşimler ve daha üstün yüksek sıcaklık özelliklerini sahiptir. Co esaslı süper alaşımların oldukları nispeten düşük sürünme direnci Ni esaslı olanlara göre esas dezavantajı olarak bilinmektedir. Co ve Ni esaslı ticari ve model süper alaşımların sürünme dayanımları genellikle sahip oldukları mikroyapısal özelliklere ve uygulanan ısıl işleme (süre, sıcaklık vb.) bağlıdır.
 Co esaslı süper alaşımların sergilediği üstün yüksek sıcaklık özellikleri kristalografik uyumlu γ(Co-matris fazı)/γ'-Co3(Al, W) mikro yapılarından kaynaklanmaktadır. Co esaslı süper alaşımlarda, γ' parçacıkları dayanımı kontrol etmekte fakat nispeten düşük sıcaklıklarda çözündüğü için sürünme direnci üzerine olumsuz etkisi bulunmaktadır. Bu temel sebepten ötürü, Co esaslı süper alaşımların olumsuz yönlerini güçlendirmek için ileri alaşım tasarımına ve geliştirilmesine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu kapsamda Co esaslı süper alaşımların yüksek sıcaklık yapısal uygulamalarında kullanılması için γ' parçacıklarının kararlı hale getirilmesi gerekmektedir. γ' parçacıklarının çözünme sıcaklığını yükselten Ti, Ta, Nb, Mo, Hf ve V gibi refrakter alaşım elementleri ilavesi bu durumda önemli rol oynamaktadır. Öte yandan, γ/γ' mikro yapısının yüksek sıcaklıkta kararlı olması ve irileşme hızının yavaş olması gerekmektedir. Bu bağlamda γ-Co matris fazı içerisinde çökelen γ' parçacıklarının yüksek sıcaklıkta parçacık büyüklüğünde ve morfolojilerinde önemli değişikler olmaması beklenmektedir. 
Bu çalışmada, atomik oranda % 2 Hf ilavesinin üçlü model Co-9Al-6W süper alaşımının mikro yapısına, katılaşma davranışına, faz ilişkilerine, sertliğine ve irileşme kinetiğine etkisi detaylı biçimde incelenmiştir. Co-9Al-6W ve Co-9Al-6W-2Hf süper alaşımları ark eritme tekniği ile üretilmiştir ve takriben ısıl işlem uygulanmıştır. Döküm numunelere önce 1250°C'de 24 saat homojenizasyon işlemi uygulanmış sonrasında havada soğutulan numunelere 600, 750 ve 1000°C'de 16 ve 64 saat yaşlandırma ısıl işlemi uygulanmıştır. 
Termodinamik hesaplamalara göre 0 Hf bileşiminde YMK-Co ve γ'-Co3(Al,W) fazları mevcut iken 2 Hf ilavesi ile birlikte bu fazlara ilaveten farklı Co-W ve Co-Hf esaslı intermetaliklerin oluşabileceği tahmin edilmiştir. Her iki bileşimin katılaşma mikroyapısı, birincil katılaşmış dendritler ve dendritler arasında bulunan ötektik faz karışımından oluşmaktadır. 0 Hf süperalaşımına kıyasla 2 Hf süperalaşımında Hf ilavesinden kaynaklı ötektik faz karışımı miktarı daha fazladır. Döküm alaşımların sertlik değeri 0 ve 2 Hf bileşimleri için sırasıyla 252 ve 423 HV olarak ölçülmüştür. Uygulanan ısıl işlemler neticesinde alaşımların mikroyapılarında önemli değişiklikler meydana gelmiştir. 1000 °C'de 16 ve 64 saat yaşlandırma ısıl işlemi sonrasında 0 Hf süperalaşımının mikro yapısı γ-Co fazı içerisinde homojen dağılmış nano γ' parçacıklarından oluşmakta iken, 2 Hf süperalaşımının mikro yapısı yönelmiş ve iri taneli γ-Co fazı içerisinde dağılmış yaklaşık 2 µm büyüklüğe sahip küreselleşmiş ve irileşmiş Co3(Hf, W) parçacıklarından oluşmaktadır. 2 Hf süperalaşımının 600 °C'de 16 ve 64 saat yaşlandırma ısıl işlemi sonrası heterojen mikro yapı oluşmuştur. 750 ve 1000 °C sıcaklıklara benzer iri taneli uzamış taneler içerisinde parçacıkların yanı sıra, eş-eksenli tav ikizleri barındıran mikro yapıda mevcuttur. Eş-eksenli tav ikizlerinin tane sınırlarında termodinamik analizlerde de görülen Co2(Hf, W) Laves fazının oluştuğu gözlemlenmiştir.

Abstract:
Cobalt and Nickel based superalloys are common alloys used in high temperature structural applications such as civil and military aircraft jet engine turbines and fossil fuel cycle power plant turbines due to their exceptional high temperature strength, toughness, superior corrosion/oxidation resistance and high creep resistance. The application areas of superalloys can be listed as follows: high- and low-pressure turbine blades, high temperature valves, combustion chambers, various burner and heat exchanger parts. In recent years, the service temperatures of parts produced from superalloys have increased. In addition, part geometries have become increasingly complex. Compared to Ni based superalloys, Co based ones have higher service temperatures, simpler and simpler chemical compositions and superior high temperature properties. The relatively low creep resistance of Co based superalloys is known as the main disadvantage compared to Ni based ones. The creep resistance of Co and Ni based commercial and model superalloys generally depends on their microstructural properties and the applied heat treatment (time, temperature etc.).
The superior high temperature properties exhibited by Co-based superalloys are due to their crystallographically coherent γ(Co-matrix phase)/γ'-Co3(Al, W) microstructures. In Co-based superalloys, γ' particles control the strength but have a negative effect on the creep resistance since they dissolve at relatively low temperatures. For this fundamental reason, advanced alloy design and development are needed to strengthen the negative aspects of Co-based superalloys. In this context, γ' particles need to be stabilized to use Co-based superalloys in high temperature structural applications. Addition of refractory alloy elements such as Ti, Ta, Nb, Mo, Hf and V, which increase the dissolution temperature of γ' particles, plays an important role in this case. On the other hand, γ/γ' microstructure should be stable at high temperatures and the coarsening rate should be slow. In this context, it is expected that there will be no significant changes in the particle size and morphology of γ' particles precipitated in the γ-Co matrix phase at high temperatures.
In this study, the effect of 2 at. % Hf addition on the microstructure, solidification behaviour, phase relations, hardness and coarsening kinetics of the ternary model Co-9Al-6W superalloy was investigated in detail. Co-9Al-6W and Co-9Al-6W-2Hf superalloys were produced by arc melting technique and subsequently heat treated. Cast samples were first subjected to homogenization treatment at 1250°C for 24 hours and then air-cooled samples were subjected to aging heat treatment at 600, 750 and 1000°C for 16 and 64 hours.
According to thermodynamic calculations, while FCC-Co and γ'-Co3(Al,W) phases are present in the 0 Hf composition, it is predicted that with the addition of 2 Hf, Co-W and Co-Hf based intermetallic compounds may be formed in addition to these phases. The solidification microstructure of both compositions consists of primary solidified dendrites and eutectic phase mixture in the interdendritic region. The amount of eutectic phase mixture is higher in the 2 Hf superalloy compared to the 0 Hf superalloy. The hardness values of the cast alloys were measured as 252 and 423 HV for the 0 and 2 Hf compositions, respectively. Significant changes occurred in the microstructures of the alloys as a result of the applied heat treatments. After aging heat treatment at 1000 °C for 16 and 64 h, the microstructure of the 0 Hf superalloy consists of nano γ' particles homogeneously distributed within the γ-Co phase, while the microstructure of the 2 Hf superalloy consists of spheroidized and coarsened Co3(Hf, W) particles with a size of approximately 2 µm distributed within the elongated and coarse-grained γ-Co phase. A heterogeneous microstructure was formed after aging heat treatment at 600 °C for 16 and 64 h of the 2 Hf superalloy. In addition to particles within the coarse-grained elongated grains similar to those at 750 and 1000 °C, there is also a microstructure containing equiaxed grains with annealing twins. It was observed that the Co2(Hf, W) Laves phase, which was also seen in thermodynamic analyses, formed at the grain boundaries of equiaxed grains with annealing twins.