Havacılık uygulamalarına yönelik yenilikçi yüksek entropili süperalaşımların tasarımı, üretimi ve karakterizasyonu
Design, production and characterization of novel high entropy superalloys for aviation applications
Yazar: RİFAT YILMAZ
Danışman: DOÇ. DR. ERHAN AYAS
Eskişehir Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Metal alaşımlar = Metal alloys ; Süper alaşımlar = Superalloys

Özet:
Yüksek Entropili Alaşımlar (YEA), geleneksel alaşımlardan farklı olarak en az 5 elementin eşmolar oranda biraraya getirilmesi ile elde edilen, mühendislik tasarımları için faydalı özellikler sergileme potansiyeline sahip çok bileşenli alaşım sistemleridir. Yüksek sıcaklık mukavemeti sergileyen refrakter YEA'lar (RYEA) ise, düşük emisyonlu ve verimli havacılık motorlarının üretimi için süperalaşımlara alternatif bir malzeme olarak kullanım potansiyeli taşımaktadır.
Bu tez çalışmasında, detaylı bir literatür araştırması yapılmış ve bugüne kadar çalışılan RYEA'ların üretim koşulları, ikincil işlem parametreleri ve mekanik-metalurjik test sonuçlarını içeren bir veritabanı oluşturulmuştur. Veritabanında yapılan analizler sonucunda Mo, Nb, Ti, W, V ve Zr elementleri ile alaşım tasarımı yapılmasına karar verilmiştir. Termodinamik ve empirik hesaplamalar sonucunda NbTiWVZr ve MoNbTiWV eşmolar RYEA'lar ile Nb22.5Ti22.5W10V22.5Zr22.5 kompleks konsantre alaşımı (KKA) deneysel olarak üretilmiş ve ikincil işlemlerin etkisi de araştırılmıştır.
XRD analizlerinde üretilen numunelerin döküm halde hacim merkezli kübik, ısıl işlem sonrası ise bazı kompleks fazlar içerdiği anlaşılmıştır. Alaşımların dentritik bir mikroyapıya sahip olduğu görülmüş, ısıl işlem sonrası dentritler arası bölgelerde Zr segregasyonu saptanmıştır. NbTiWVZr ve Nb22.5Ti22.5W10V22.5Zr22.5 alaşımlarında 600°C sıcaklıklara kadar nikel süperalaşımlara göre daha iyi akma dayanımı (1000-1100 MPa) ölçülmüştür. Alaşımların 800°C sıcaklıkta ise oksitlenme hızının arttığı ve mukavemetlerinin CM247C ve CMSX-4'e göre daha düşük olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
High Entropy Alloys (HEA) are obtained by mixing at least five elements with equimolar ratio unlike conventional alloys and they are multi component alloy systems exhibiting potential benefical properties for engineering designs. Refractory HEAs (RHEA) become prominent among high temperature materials for production of low emission and efficient aero engines and their components as an alternative to superalloys.
In this study, literature survey were firstly carried out and production parameters, mechanical and metallurgical evaluation results of the RHEAs were gathered in database. After database analysis, Mo, Nb, Ti, W, V, and Zr elements were choosen for alloy design activities. After thermodynamic and empirical calculations two RHEAs namely NbTiWVZr and MoNbTiWV, and a complex concentrated alloy (CCA) Nb22,5Ti22,5W10V22,5Zr22,5 were determined to be manufactured in experiments and the effect of different heat treatments on the alloy properties were also investigated.
Body centered cubic microstructure were detected in as-cast samples, but after heat treatment process some complex compounds were found in heat treated samples by XRD analysis. Typical dentritic microstructure was seen in all alloys and Zr segregation was identified in heat treated samples. It was observed that the NbTiWVZr ve Nb22,5Ti22,5W10V22,5Zr22,5 alloys exhibited better yield strenght (1000-1100 MPa) up to 600°C compared to superalloys. Moreover the strenght of the alloys were much lower than CM247LC and CMSX-4 nickel based superalloys at 800°C, and oxidation rate was too high at this temperature.