Al 2050-T84 alaşımının tuzlu su çözeltisinde korozyonlu yorulma davranışının incelenmesi
Investigation of corrosion fatigue behavior of Al 2050-T84 alloy in salt water solution
Yazar: MÜFİT KACAR
Danışman: PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Havacılık sektöründe kullanılan malzemelerden istenen korozyon direnci, yüksek tokluk, yüksek akma mukavemeti, hasara tolerans gibi mekanik özelliklerin yanında, spesifik mukavemet denilen düşük yoğunluk ve yüksek mukavemet ihtiyacı alüminyum alaşımlarına olan ilginin artmasına sebep olmuştur. Yoğunluğu düşük olan alüminyumun hava araçlarında kullanımı yakıt verimi açısından da son derece önemlidir. Ayrıca yüksek işlenebilirlik, ısıl işleme duyarlılık, plastik deformasyon kabiliyeti, üretim kolaylığı gibi unsurlar değerlendirildiğinde alümiyum alaşımlarının kullanımı yaygınlaşmıştır. 
Alüminyum üreticileri gereken ihtiyaç ve istenen özelliklere karşılık verebilmek için birçok alüminyum alaşımı geliştirmişlerdir. Mg ve Li gibi alüminyum matriks içinde çözünebilen çeşitli elementlerin araştırma ve geliştirme çalışmalarını yürütmüşler ve bu çalışmalar devam etmektedir. Lityum elementinin hafif olması, alüminyum ile alaşım yapabilme kabiliyeti, çözünürlük kabiliyetinin yüksek sıcaklıklarda arttığı, çökelti fazları oluşturarak alaşımın sertlik ve mukavemetini arttırdığı ortaya konmuştur ve bu bağlamda birçok Al-Li alaşımı geliştirilmiştir. 
2024, 6061, 7075 gibi kullanımı yaygınlaşan ve geleneksel hale gelen alüminyum alaşımları ile Al-Li alaşımları karşılaştırıldığında, bu yeni nesil alaşımların yoğunluğunun düşük olması, mukavemet değerlerinin yüksek olması, yüksek korozyon direncinin olması gibi avantajlar öne çıkmıştır. 1.nesil Al-Li alaşımı olarak geçen 2020 alaşımı düşük süneklik ve kırılma tokluğu sebebiyle başarı elde edememiş, daha sonra üretilen ağırlıkça % 2'nin üstünde Li içeren 2.nesil alaşımlar % 7-10 arasında yoğunluk azalmasını sağlarken, yüksek anizotropi sebebiyle yeni nesil alaşım ihtiyacı doğurmuştur. İçerdiği Li % 2'nin altında olan 2097, 2196, 2050 gibi 3.nesil Al-Li alaşımları hasara karşı yüksek toleranslı olması ve rijitliğinin yüksek olması sebebiyle ilgi çekici hale gelmiştir.
Havacılık sektörü açısından önemli olan korozyon hasarları, alaşımların kullanım yerine göre ve araçların servis süresince maruz kalacağı atmosfere göre dikkat edilmesi gereken önemli bir malzeme hasarıdır. Galvanik korozyon, oyuklanma korozyonu, gerilmeli ve yorulma korozyonları havacılık sektöründeki en tehlikeli ve kırınıma uğratma olasılığı en yüksek korozyon tipleridir. Hava aracının üzerindeki çevrimsel ve statik yükler, korozyon hasarları ile birleştiğinde öngörülenden daha kısa sürede kaza veya kırınım riskini arttırmaktadır. Bu tip hataların analizi, kontrolü, bakımları zamanında yapılmazsa büyük bir sorunla karşılaşma olasılığı artacaktır. 
Bu tez çalışması kapsamında, Al 2050-T84 alaşımının korozyonlu ortamdaki yorulma davranışını incelenmiştir. Constellium firmasından alınan 20 mm kalınlığındaki, hadde yönü L olan plakadan 4 noktalı eğme yorulma numuneleri kalınlığı 10 mm olacak şekilde kalınlık/2 merkezinden işlenmiştir. Ayrıca mikroyapı analizi, oyuklanma korozyonu analizi için 25x15x10 mm boyutlarında küçük numuneler yine kalınlık merkezinden çıkarılmıştır.
Keller dağlayıcı kullanılarak 3 boyutlu mikroyapı fotoğrafı çıkarılmış, görüntüler optik mikroskop kullanılarak çekilmiştir. Alaşımın kimyasal bileşimi AMS 4413 standardına göre alınmış olup, yapılan elementel analiz ile içerik oranları doğrulanmıştır. Isıl işlem kodu T84 olan alaşım, çözeltiye alma ısıl işleminden sonra soğuk deformasyon uygulanmış ve takiben yapay yaşlandırma yapılmış halde teslim alınmıştır. 
Alaşımın akma mukavemetini ve elastisite modülünü belirlemek amacıyla çekme testleri ASTM E8 standardına göre 2,5 x 10-4 s-1 deformasyon hızıyla yapılmıştır. 20 mm plakadan işlenen numuneler hadde yönüne göre L, LT, ve 45 derece yönlü olarak çıkarılmış, 3 farklı test grubu oluşturulmuştur. Her gruptan en az 6 numune olacak şekilde testler gerçekleştirilmiştir. Ortalama kopma uzaması en yüksek L yönünde olmuş, akma mukavemeti sırasıyla yüksekten düşüğe L, LT, 45 yönlerinde sonuçlanmıştır. Alaşımın anizotropik özellikte olduğu yani yöne bağlı mekanik değerlerinin değiştiği kanıtlanmıştır. 
Alaşımın korozyon özelliğini, korozyona karşı davranışını öngörmek amacıyla elektrokimyasal korozyon testi ağırlıkça % 3,5 NaCl çözeltisinde Ag/AgCl referans elektrot ve platin karşıt elektrot kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Yapılan potensiyodinamik polarizasyon testi ASTM G61 standartına göre gerçekleştirilmiş olup test sonucu akım-potansiyel grafiği olarak verilmiştir. Bu alaşımın korozyon potansiyeli -0,9201 V, korozyon akımı ise 7,509 x 10-4 A olarak bulunmuştur.
Oyuklanma korozyon analizi 25x15x10 mm boyutlarındaki küçük numunelerin L-LT yüzeylerinin korozyona uğratılarak daha sonrasında L-ST yüzeyleri üzerinden optik mikroskopta derinlik ve genişliklikleri ölçülerek istatiksel dağılım çıkarılmıştır. İlk önce numuneler L-LT yüzeyleri üstte kalacak şekilde bakalite alınmış, daha sonra parlatma işlemleri yapılarak % 3,5 NaCl çözeltisi içine atılmıştır. Süre olarak korozyonlu yorulma testlerinde gerçekleşen test sürelerinden bazıları seçilmiş olup bunlar sırasıyla yüksek gerilmeden düşük gerilmeye 27, 46 ve 96 dakika olarak belirlenmiştir. Ayrıca 72 saat daldırma süresi de ön korozyon test koşulu ile orantılı olarak yapılmıştır. Numuneler belirlenen sürelere ulaşınca çözelti içinden çıkarılıp, saf su ile temizlenerek L boyunca 3 dilim olarak kesilmiş ve L-ST yüzeyleri üstte kalacak şekilde tekrar bakalite alınarak parlatma işlemleri yapılmıştır. Her koşul için 3 numune x 3 dilim olacak şekilde 9 yüzey incelenmiştir. 
Oyuklanma korozyonu analizi optik mikroskop sonuçlarında, korozyonun tane içi morfolojiye sahip olduğu bulunmuştur. Her koşul için 25 mm L yönü boyunca incelenen oyukların toplam sayısını 9 yüzey için 225 mm uzunluğa bölerek lineer yoğunluk oranları çıkarılmıştır. 72 saat koşulu için bu oran 2,48 iken, sırasıyla 96, 46, ve 27 dakika için 2,27, 1,38, ve 1,65 olarak bulunmuştur. 72 saat, 96, 46 ve 27 dakika koşulları için sırasıyla ortalama oyuk derinliği 15,29 µm, 10,04 µm, 11,81 µm ve 10,90 µm olarak hesaplanmıştır. Aynı sırayla ortalama oyuk genişliği 64,78 µm, 48,40 µm, 51,30 µm ve 46,41 µm olarak bulunmuştur. 
Yorulma testleri INSTRON 8802 100 kN kapasiteli servohidrolik cihazda 15 Hz frekansta gerçekleştirilmiştir. R=0,1 oranında 4 noktalı eğme yorulma test düzeneği hazırlanmıştır. Yorulma testleri için, referans numune testleri, 72 saat ön korozyona uğratılıp normal koşullarda test, korozyonlu ortamda test ve kısmi süreli ön korozyona uğratıp normal koşullar altında yapılan test olarak 4 farklı grupta yapılmıştır. Her numunenin üretimden geldikten sonra yüzey pürüzlülük ölçümleri yapılmış ve 0,2 µm Ra'nın altında olmayan numune test işlemlerine tabi tutulmamıştır. 
Korozyonlu ortamda yorulma test düzeneği özel olarak hazırlanmış olup, ağırlıkça % 3,5 NaCl çözeltisi tanka doldurulup pompa yardımıyla deney düzeneğinin içine numunenin test edildiği hazneye sürekli beslenmiştir. Ayrıca sürekli döngüsel sıvı değişimi olması amacıyla gerekli direnaj boruları hazırlanıp bir yandan tuzlu su boşaltılmıştır. Böylece çözeltinin konsanstrasyonu sabit tutulmuş ve tuzun çökelmesi engellenmiştir. 
Yorulma testleri için gerilme seviyeleri akma mukavemetinin % 50 ile % 90'ı arasında olacak şekilde 25 MPa aralıklarla belirlenmiştir. Maksimum gerilme seviyesi olarak 475 MPa, minimum gerilme seviyesi olarak ise 275 MPa ile test yapılmıştır. Her gerilme seviyesinden en az 2 numune test edilmiştir. Yorulma limiti olarak 107 çevrim sayısı belirlenmiştir.
Sonuçlar tek bir S-N eğrisi üzerinde karşılaştırıldığında, korozyonlu yorulma testlerindeki ömrün diğer test gruplarına göre en düşük olduğu görülmüştür. Hem korozyon etkileri hem dinamik yük etkilerinin var olduğu bu testlerde yüzeyde birden fazla çatlağın başlayıp ilerlemesinin daha hızlı olduğu görülmüştür. Ayrıca, 72 saat tuzlu suda bekletilen ön korozyon uygulanan numunelerin testleri ile kısmi süreli ön korozyon uygulanan numunelerin testlerinin ömürleri arasında çok fark görülmemiştir. Yüzeyde oluşan korozyon oyuklarının çatlak başlatmada etkisi varken, uzun daldırma sürelerinde oyuk yoğunluğunun ve morfolojisinin baskın olmadığı görülmüştür. Sadece ST yönündeki derinliğin çatlak başlatmadaki etkisinin önemi vurgulanmıştır. Bu kapsamda, kritik oyuk derinliğinin 10 µm olduğu değerlendirilmekte ve ön korozyon süreleri için bu değerin her koşulda sağlandığı görülmektedir. 
Yorulma testleri sonrasında, seçilen numunelerin kırılma yüzeyleri taramalı elektron mikroskobu ile incelenmiştir. İlk olarak yüzeylerin dijital mikroskopta fotoğrafları alınıp, SEM ile referans olarak eşleştirilmiştir. Gerekli görülen noktalarda EDS analizleri yapılmıştır. Genel olarak yorulma çizgileri, ikincil tanelerin çatlak ilerlemesini yavaşlattığı, ikincil çatlakların çatlak ilerlemesine dik olarak meydana geldiği görülmüştür. Ayrıca çatlakların oyuklardan başladığı kanıtlanmıştır.

Abstract:
In addition to the mechanical properties such as corrosion resistance, high toughness, high yield strength, and damage tolerance required from materials used in the aerospace industry, the need for low density and high strength, called specific strength, has led to an increased interest in aluminum alloys. The use of low-density aluminum in aircraft is also extremely important in terms of fuel efficiency. In addition, when factors such as high machinability, sensitivity to heat treatment, plastic deformation ability, and ease of production are evaluated, the use of aluminum alloys has become widespread.
Aluminum manufacturers have developed many aluminum alloys to meet the required needs and desired properties. They carried out research and development studies of various elements that can be dissolved in the aluminum matrix, such as Mg and Li, and these studies continue. It has been revealed that the lithium element is light, its ability to alloy with aluminum, its solubility ability increases at high temperatures, it increases the hardness and strength of the alloy by forming precipitate phases, and many Al-Li alloys have been developed in this context.
When aluminum alloys such as 2024, 6061, 7075, which have become widespread and traditional, and Al-Li alloys are compared, advantages such as low density, high strength values, and high corrosion resistance of these new generation alloys stand out. The 2020 alloy, which is referred to as the 1st generation Al-Li alloy, has not achieved success due to its low ductility and fracture toughness. While the second generation alloys containing more than 2% Li by weight, produced later, reduced the density between 7-10%, but due to high anisotropy, a new generation alloy was needed. 3rd generation Al-Li alloys such as 2097, 2196, 2050, which contain Li less than 2%, have become interesting due to their high tolerance to damage and high strength.
Corrosion damage, which is important for the aerospace industry, is an important material damage that should be considered according to the use of alloys and the atmosphere to which the aircrafts will be exposed during service. Galvanic corrosion, pitting corrosion, stress and fatigue corrosion are the most dangerous and most likely to be diffracted corrosion types in the aerospace industry. Cyclical and static loads on the aircraft, combined with corrosion damage, increase the risk of accident or breakdown in a shorter time than predicted. If the analysis, control and maintenance of such errors are not done on time, the possibility of encountering a big problem will increase.
Within the scope of this thesis, the fatigue behavior of Al 2050-T84 alloy in corrosive environment was investigated. The 4-point bending fatigue specimens which have 10 mm thickness from the 20 mm thick plate with rolling direction L, taken from Constellium company, were machined from the center of thickness. Also, small 
samples of 25x15x10 mm in size were removed from the center of thickness for microstructure analysis and pitting corrosion analysis.
A 3D microstructure photograph was presented using Keller etching, and images were taken using an optical microscope. The chemical composition of the alloy was taken according to the AMS 4413 standard, and the content ratios were confirmed by the elemental analysis. The alloy, whose heat treatment code is T84, was received after cold deformation after solution heat treatment and then artificially aged.
In order to determine the yield strength and modulus of elasticity of the alloy, tensile tests were performed at 0.015 mm/mm/min strain rate according to ASTM E8 standard. The samples processed from the 20 mm plate were taken out as L, LT, and 45 degrees direction according to the rolling direction, and 3 different test groups were formed. Tests were carried out with at least 6 samples from each group. The average elongation at fracture was highest in the L direction, yield strength resulted in L, LT, 45 directions from high to low, respectively. It has been proven that the alloy is anisotropic, that is, its mechanical values change depending on the direction.
In order to predict the corrosion property of the alloy and its behavior against corrosion, the electrochemical corrosion test was carried out in a 3.5 wt% NaCl solution using Ag/AgCl reference electrode and platinum counter electrode. Potentiodynamic polarization test was carried out according to ASTM G61 standard and the test result is given as a current-potential graph. The corrosion potential of this alloy was found to be -0.9201 V and the corrosion current to be 7.509 x 10-4.
Pitting corrosion analysis was performed by corroding the L-LT surfaces of small samples of 25x15x10 mm, and then measuring the depth and width of the L-ST surfaces with an optical microscope, and statistical distribution was obtained. First, the samples were mounted to bakalite with L-LT surfaces on top, then polished and immersed in 3.5% NaCl solution. Some of the test times in the corrosion fatigue tests were selected as the duration, and these were determined as 27, 46, and 96 minutes from high stress to low stress, respectively. In addition, the 72 h immersion time was made in proportion to the previous corrosion test condition. When the samples reached the specified time, they were removed from the solution, cleaned with distilled water, cut into 3 slices along the L, and polished again by mounting L-ST surfaces on top in the bakalite. For each condition, 9 surfaces were examined as 3 samples x 3 slices.
In the optical microscope results of the pitting corrosion analysis, it was found that the corrosion had an intragranular morphology. Linear density ratios were extracted by dividing the total number of pittings examined along the 25 mm L direction for each condition by 225 mm length for 9 surfaces. While this ratio was 2.48 for the 72 h condition, it was found to be 2.27, 1.38, and 1.65 for 96, 46, and 27 minutes, respectively. Average pitting depth was calculated as 15.29 µm, 10.04 µm, 11.81 µm and 10.90 µm for 72 h, 96, 46 and 27 minutes conditions, respectively. The mean pitting widths were found to be 64.78 µm, 48.40 µm, 51.30 µm and 46.41 µm, in the same order.
Fatigue tests were performed on INSTRON 8802 model 100 kN load cell capacity servohydraulic machine at 15 Hz frequency. A 4-point bending fatigue test setup was prepared and tests were performed at the R=0.1 ratio. In this thesis, fatigue tests include 4 different groups which are reference sample tests, under normal conditions tests with precorroded for 72 h, test in a corrosive environment, and test under normal conditions with partial time precorreded samples. Surface roughness measurements were done after each sample came from production, and samples not below 0.2 µm Ra were not subjected to the test processes.
The fatigue test setup was specially prepared for the tests in a corrosive environment, and a 3.5 % weight NaCl solution was filled into the tank and fed continuously into the chamber in which the sample was tested with the help of a pump. In addition, necessary drainage pipes were prepared and salt water was discharged in order to ensure continuous cyclical fluid exchange. Thus, the concentration of the solution was kept constant and the precipitation of salt was prevented.
For fatigue tests, stress levels were determined at 25 MPa intervals to be between 50% and 90% of the yield strength. The test was carried out between 475 MPa as the maximum stress level and 275 MPa as the minimum stress level. At least 2 specimens of each stress level were tested. Fatigue limit was determined as 107 cycles.
When the results were compared on a S-N curve, it was seen that the life in the corrosion fatigue tests was the lowest compared to the other test groups. In these tests, in which there are both corrosion effects and dynamic load effects, it has been observed that the initiation and propagation of more than one crack on the surface is faster. In addition, there was not much difference between the cycles of the pre-corrosion tests kept in salt water for 72 hours and the partial-time pre-corrosion tests. While corrosion pitting formed on the surface had an effect on crack initiation, pitting density and morphology were not dominant at long immersion times. Only the importance of the effect of the depth in the ST direction on crack initiation is emphasized. In this context, the critical pitting depth is considered to be 10 µm and it is seen that this value is provided for pre-corrosion times in all conditions.
After the fatigue tests, the fracture surfaces of the selected samples were examined by scanning electron microscopy. First, the surfaces were photographed under a digital microscope and matched with SEM as a reference. EDS analyzes were performed at the necessary points. In general, fatigue striations, secondary grains slow down the crack propagation, secondary cracks occurring perpendicular to the crack propagation. It has also been proven that the main cracks start from the corrosion pitting.