Kobalt bazlı haynes 188 süperalaşımında lazer kesim sonrasında oluşan recast tabakasının karakterizasyonu ve mekanik özelliklere etkisi
Characterization of recast layer formed on haynes 188 cobalt based superalloy by laser beam machining and effect on mechanical properties
Yazar: AYBERK YENİCE
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ CEVAT FAHİR ARISOY
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Deşarj = Discharge ; Lazer kesme tezgahı = Laser cutting machine ; Süper alaşımlar = Superalloys ; İşleme yöntemleri = Machining methods

Özet:
Haynes 188, kobalt bazlı süperalaşım grubunda kaynaklanabilirliği, termal stabilitesi ve yüksek sıcaklık oksidasyon direnci gibi pek çok özelliğinden dolayı özellikle gaz türbinli motorların yanma odası gömleklerinde yaygın olarak kullanılan bir malzemedir.Yanma odası gömleklerinin imalatı sırasında  film soğutma ve seyreltme deliklerinin oluşturulması için lazer kesim ve tel erozyon gibi geleneksel olmayan işleme( non conventional machining) metotları kullanılmaktadır. Lazer ve tel erozyon kesimi sonucu malzemede kesim sırasında ergiyip yeniden katılaşan recast tabakası ve ITAB (ısı tesiri altındaki bölge) bölgeleri oluşmaktadır. Bu tabakalar kaldırılması ölçüsel anlamda mümkün olmayan durumlarda, malzemenin birincil olarak yorulma davranışı olmak üzere mekanik özelliklerinde olumsuz etkiler bırakmaktadır.Yapısal açıdan tasarımı kısıtlayan bu etkilerin tanımlanması önem arz etmektedir.Çalışmada öncelikle referans oluşturması adına havacılık kalitede AMS 5608 standartlarına uygun olan Haynes süperalaşımı 188 alaşımı sac formu alınarak karakterize edilmiştir. Spektrometre ölçümleri, optik mikroskop incelemeleri, SEM-EDS çalışmaları ve sertlik ölçümleri yapılarak alaşımın mikroyapı özellikleri ortaya konmuştur. Sonrasında 3 mm kalınlığa sahip sac formundaki malzeme, atımlı lazer metodu ve azot yardımcı gazıyla kesilerek recast ve ITAB (ısı tesiri altındaki bölge) tabakaları streo mikroskop görüntülemeleri ve yüzey pürüzlülüğü ölçümleri ile desteklenerek aynı yöntemlerle karakterize edilmiştir.Yapılan spektrometre analizlerinde recast tabakasının ana metalden farklılıkları bulunmamıştır. XRD analizlerinde ana metal, recast ve dross tozlarından alınan ölçümlerde ana yapının kobalt bazlı olduğu ve recast tabakasında yeni bir oluşuma rastlanmadığı görülmüştür. Yüzey pürüzlülüğü ölçümlerinde ise lazer giriş hattından lazer çıkış hattına doğru pürüzlülük değerlerinin giderek arttığı bulunmuştur. Mikroyapı analizlerinde 5 farklı numune grubu incelenmiş ve farkları orataya konmuştur. Geleneksel olarak işlenmiş numune ve lazer kesim yapılmış numuneler ile her iki grubun 700 °C yüksek sıcaklıklık yüksek çevrimli yorulma testi sonrasında test çubuklarından alınan numuneleri karşılaştırılmıştır. Son olarak lazer kesim yapılmış numunede kesit incelemesi gerçekleştirilmiştir. Yapılan mikroyapı analizlerinde recast ve ITAB bölgelerinin ham malzemeye göre farklılıkları ortaya konmuştur. Birinci grupta geleneksel metotlarla işlenmiş numunede ana metal kobalt matrisi içinde dağılmış M6C çökeltilerinden oluşmaktadır. Lazer kesim yapılmış numunede en dışta dentritik ve katmanlı olarak katılaşmış recast tabakası, recast-ana metal arayüzünde kısmen çökelmiş intermetalikler, ITAB bölgesinde ise lantanca zengin partiküller, M6C, M23C6, intermetalik fazlar ve Laves fazı varlığına rastlanmıştır. Ana metalde ise kobalt matrisi içinde dağılmış M6C çökeltiler yer almaktadır. Kesit incelemesinde ise recast tabakasının lazer çıkış hattında daha geniş olduğu ve lazer giriş bölgesinde ise kaybolmaya başladığı tespit edilmiştir.Lazer kesim sonrası yapılan, Lazer giriş, orta ve çıkış bölgeleri doğrultusu boyunca yapılan sertlik ölçümlerinde ise çıkış bölgesinin en geniş ITAB genişliğine sahip olduğu görülmüştür. Sertlik derinliği lazer çıkış mesafesinde 2500 µm ve lazer giriş hattında 2000 µm mertebelerine ulaşırken orta hatta 500 µm seviyelerine kadar ulaşmaktadır. Çalışmanın ikinci bölümünde, sac malzeme ASTM E466 standart geometrilerine göre geleneksel işleme metodu ve  atımlı lazer cihazında azot yardımcı gazıyla kesilerek baz ve recastli yorulma numuneleri hazırlanmıştır. Test öncesi recastli numunelerde cüruf temizliği yapılmıştır. Testler 700 °C'de yüksek çevrimli yorulma test cihazında gerçekleştirilmiştir. Test sonucunda baz ve recastli numunelerin kırılma yüzeyleri streo mikroskop, SEM-EDS analizi, optik mikroskop incelemeleri ile karakterize edilmiştir. Mikroyapı analizinin bir diğer safhasını oluşturan yorulma testi sonrası yapılan incelemelerde ise geleneksel metotla işlenmiş numunede ana matris içinde dağılmış ikincil M6C, M23C6  partküllerine rastlanmıştır. Lazer kesim yapılmış numunede ise recast bölgesinde yönlenerek katılaşmanın belirginleştiği, dentritik bir katılaşma olduğu görülmüştür. Dentritler ve kolları arasına uygulanan EDS analizlerinde ise belirgin bir farklılığa rastlanmamış ve yapının kobalt matrisi ile benzer olduğu görülmüştür. HAZ bölgesinin 2 bölgeye ayrıldığı, HAZ1 bölgesinde matris içine dağılmış M6C, M23C6 partiküllerine rastlandığı görülürken HAZ2 bölgesinde ise lantanca zengin çökeltiler, intermetalik partiküller, matris içinde dağılmış M6C, M23C6 partiküllerine ve muhtemel Laves fazlarına rastlanmıştır. HAZ2 bölgesinde tane büyümeleri olduğu görülmüştür. Ana metal bölgesinde ise matris içine dağılmış ikincil M6C, M23C6 partikülleri görülmüştür.Kırılan numunelerin yüzeyleri SEM ile incelendiğinde baz numunede çatlak başlangıcı ve erken ilerleme bölgesinin intergranular karakterde olduğu ve sonrasında transgranular olarak devam ettiği,  lazer kesim yapılmış numunede ise çatlak başlangıç ve ilerlemesinin transgranular karakterde olduğu görülmüştür. Geleneksel metotlarla işlenmiş numunede çatlak başlangıçları yüzeyden gerçekleşirken, lazer kesim yapılmış numunelerde ikincil çatlak başlangıç bölgelerinin HAZ bölgesindeki çökelti arayüzleri ve recast-ana metal arayüzü olduğu görülmüştür. Lazer kesim yapılmış numunelerin kırılma yüzeylerinde çatlak başlangıç, ilerleme ve ani kırılma bölgeleri tespit edilerek çatlak başlangıçlarının lazer çıkış, yani recast tabakasının en kalın olduğu bölgede olduğu, baz numunede ise çatlak başlangıç bölgelerinin köşelere yakın olduğu anlaşılmıştır. Yorulma numunelerinde kesitten yapılan incelemelerde baz numunede tane sınırı oksidasyonu görüldüğü ve intergranular kırılmanın desteklendiği tespit edilmiştir. Laze kesim yapılmış numunelerde ise intergranular oksidasyona rastlanmamış ve malzeme içinden başlayan kırılma emareleri görülmüştür.Yorulma testleri sonucunda lazer metoduyla işlenmiş numunelerde geleneksel metotlarla işlenmiş numunelere göre yorulma mukavemetinde azalma meydana geldiği tespit edilmiştir.

Abstract:
Haynes 188, is cobalt based superalloy that has good weldability, thermal stability, high temperature oxidation and, sulphidation resistance, is commonly used material in combustor module of gas turbine engines particularly liners. While assembling of combustor liners, in order to drill film cooling and dilution holes it has to be used non-conventional machining method such as laser beam machining (LBM) and electrical discharge machining (EDM) because of the narrower holes. After LBM or EDM cutting, it is formed recast zone at the surface that is melted during cutting and re-solidified after that and, heat affected zone (HAZ).These layers negatively affect mechanical properties especially on fatigue in case of that layers cannot be removed from the surface. Identification of the recast layer and HAZ occurring by laser beam machining is crucial in aspect of structural design of combustors and gas turbine engines. The aim of the study is to define effect of LBM resulting in recast and HAZ zone on microstructure of Haynes 188 alloy. 
Firstly, having aerospace quality Haynes 188 sheet alloy per AMS 5608 was characterized in the study for comparing with laser cut material properties. Spectroscopy analyses, optical microscope imaging, SEM-EDS studies and hardness measurement are used in order to define base metal structure. Then by sheet metal that have 3 mm wall thickness was investigated after cutting by pulsed laser method. During cutting, nitrogen was used as assist gas. HAZ and recast zone was specified in aspects of microstructure by aid of the same methods as it is for the base metal.
In addition, stereo microscope and surface roughness measurements was done. 
Results of spectoscopy showed that there is no difference between base metal and recast zone in point of chemical composition. It is concluded in XRD analyses that base metal and recast zone have same phases and matrix. Surface roughness measurements on laser cut material is applied through laser-in, middle direction and, laser-out. Roughness increases from laser-in throghtout laser-out.  
Surface roughness are 2.79 Ra and 18.35 Rz on laser entrance area, 4.98 Ra and 28.45 Rz at middle side and, 9.88 Ra and 47.53 Rz at laser out area. 
Microstructural invetigatations were performed 5 separate prosessed group of material. First group of materials contain as received form AMS 5608 and LASER beam machined material which was invastigated recast zone, HAZ (heat affected zone) and base metal. Also sectioning was applied to laser cut material to be seen dissimilarities between laser-in and laser-out area. Second group of materials are post-fatigue samples for examining thermal effect on material. It was sectioned from grip-end to avoid investigatig stress effect on the material. One of them is base material which is machined by conventionel. Other one is laser cut material. On first group, AMS 5608 has M6C precipitates dispersed in the cobalt matrix. 
Dentritic solidification has occurred on recast zone for laser cut material. Solidification has immerged layer by layer. On HAZ area of the material, lantanium-rich particles, intermetallic particles, M6C, M23C6 and probably Laves phases were observed by optical microscope and SEM-EDX analyses. Base metal of the laser cut material has dispersed M6C precipitates as it is AMS 5608.   
On sectioned examination, It is observed that recast layer thickness is 0-10 µm at the laser-in direction, about 30 µm at the middle side and 70-80 µm at laser-out.
 After laser cut, hardness measurements was performed on laser-in, middle side and, laser-out through cutting direction. Recast hardness value is about 340-350 HV0.1 whereas HAZ is between 280-340 HV0.1. The norrower HAZ width has been seen on middle side about 500 µm as the wider was on laser-out direction that has reached 2500 µm. On laser-in direction, HAZ width is close to laser-out direction, is 2000 µm. 
At the next section of the study, sheet metal has cut according to ASTM E466 Standard Practice for Conducting Force Controlled Constant Amplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials standard geometry by pulsed laser method aided with nitrogen and conventional machining method as named laser cut specimen and base specimen. Before tests, base specimens have been ground to 0.2 Ra and dross has been removed from laser cut specimens.  
After test, base and laser cut specimen has been characterized by streo microscopy, SEM-EDX analyses, optical microscopy. On second group of material that is post-fatigue specimens, it has been observed secondary M6C, M23C6  precipitates dispersed in matrix. 
On laser cut specimens, directional solidification and dentritic solidification have become more clear in recast zone. Dentrite arm space are more norrower than other laser process method. It is concluded that there is no difference between dentrites and spaces in point of chemical composition. Also the matrix in the recast zone is similar to base metal. There are 2 main HAZ area and HAZ1 area has secondary M6C, M23C6  precipitates dispersed in matrix when HAZ2 has lantanium rich particle, intermetallic particles, M6C, M23C6  and, probable Laves phases in the matrix. Moreover it was seen that grain growth occured on HAZ2 area. After that, fractograpy has been worked on base and laser cut specimen surfaces by SEM and optical microscopy. 
On the base metal, crack initiation and early period of propagation are intergranular and continued as transgranular. Crack initiation zone is close to corner of the specimen. It was determined crack inition zone was on the surface when it is inner side of the material for laser cut specimen. Furthermore, it has been observed that intergranular oxidation occured during fatigue test. 
For laser cut materials, it has been showed that secondary crack initiation sites have begun at recast-base metal interface and precipitate-matrix interfaces on HAZ. Additionally it was seen surface crack on the recast zone. Crack initiation and propagation are transgranular. Intergranular oxidation was not seen on the laser cut material. Crack initiation zone is on the edge side and close to thickest recast area namely laser-out side. 
Results of fatigue tests showed that laser cutting affect on the mechanical properties especially High Cycle Fatigue behaviour because of the forming of undesired particles by thermal effect in addition to well-known property changes such as surface roughness, residual stress etc.