Fe-Ti-Cr esaslı alaşımların yapısal özelliklerinin ve oksidasyon davranışlarının incelenmesi
Investigation of the microstructural properties and oxidation behavior of Fe-Ti-Cr based alloy
Yazar: SAYİD HAS
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET YILDIRIM
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Ferritik = Ferritic ; Mikroyapı = Microstructure ; Otoksidasyon = Autoxidation ; Çökelme = Precipitation

Özet:
Ferritik alaşımlar, Ni esaslı süperalaşımlar ve östenitik paslanmaz çeliklere kıyasla üstün termal iletkenlikleri, daha düşük termal genleşme katsayısı, orta oksidasyon direnci ve düşük malzeme maliyeti nedeniyle fosil yakıtlı enerji santralleri gibi yüksek sıcaklık yapısal uygulamaları için potansiyel malzemelerdir. Bununla birlikte, 600 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda yetersiz sürünme direnci, uygulama alanlarını büyük ölçüde engellemektedir. Olumsuz özelliklerini ortadan kaldırmak ve servis sıcaklıklarını arttırmak için alaşım tasarımı ve geliştirme gibi çeşitli girişimlerde bulunulmuştur.
Bu çalışmada, üçlü model Fe-10Ti-nCr (n= atomik % 4, 7 ve 10) alaşımlarının mikroyapıları, faz ilişkileri, sertlikleri ve oksidasyon davranışları döküm ve ısıl işlem durumları için detaylı olarak incelenmiştir. Döküm numuneler sırasıyla çözeltiye alınarak suda soğutulmuş (1 saat boyunca 1000 °C) ve yaşlandırma ısıl işlemlerine (8, 16 ve 24 saat 800 °C) maruz bırakılmıştır. Mikroyapıları ve faz ilişkileri, sırasıyla taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve x-ışını kırınımı (XRD) teknikleri ile araştırılmıştır. Oksidasyon davranışları ise laboratuvar ortamında 500 °C'de gerçekleştirilen çevrimsel (döngüsel) oksidasyon testleri ile incelenmiştir.
İncelenen alaşımların mikroyapıları, α-Fe matris fazı ve Fe2Ti parçacıklarından oluşmuştur. Yaşlandırma ısıl işleminden sonra Fe-10Ti-4Cr ve Fe-10Ti-7Cr alaşımları için, ince Fe2Ti parçacıkları, eş eksenli ve kaba α-Fe tanelerinin hem tane sınırları boyunca hem de tane içlerinde homojen olarak dağılmıştır. Alaşımların ortalama mikrosertlik değerleri artan Cr miktarı ve yaşlandırma süresi ile artmıştır.
Artan Cr miktarı ile oksit tabaka kalınlığı ve kütle kazancı azalması oksidasyon direncinin arttığını göstermektedir. İncelenen alaşımlar için yüzey oksit tabakası Fe2O3 olarak belirlenmiştir. Ayrıca, incelenen alaşımlar arasında en yüksek miktarda Cr içeren Fe-10Ti-10Cr yüzey tabakasının altında karma Fe-Cr-Ti oksitleri oluşmuştur.

Abstract:
Ferritic alloys are potential materials for structural applications at high temperatures such as fossil fuel power plants due to their outstanding thermal conductivity, lower thermal expansion coefficient, moderate oxidation resistance and low material cost compared to Ni-based superalloys and austenitic stainless steels. However, their inadequate creep resistance at temperatures above 600 °C strongly hinders their potential applications. Several attempts such as alloy design and development have been performed in order to improve insufficient properties and service temperatures.
In this study, the microstructures, phase relationships, hardness and oxidation behavior of model ternary Fe-10Ti-nCr (n= 4, 7 and 10 at. %) alloys were investigated in detail for as-cast and heat-treated states. The cast specimens were subjected to quenching after solutionizing (1000 °C for 1 h) and aging treatments (800 °C for 8, 16 and 24 h), respectively. The microstructures and phase relationships were investigated with scanning electron microscopy (SEM) and x-ray diffraction (XRD) techniques. The oxidation behavior were examined with cyclic oxidation tests carried out at 500 °C in laboratory air.
The microstructures of the investigated alloys were composed of α-Fe matrix phase and Fe2Ti particles. For Fe-10Ti-4Cr and Fe-10Ti-7Cr alloys, fine Fe2Ti particles were distributed uniformly along the grain boundaries and within the grains of equiaxed and coarse α-Fe grains after aging treatments. The mean microhardness values were increased with increasing Cr amount and aging time.
With increasing Cr amount, the oxide scale thickness and mass gain were decreased which implies the improved oxidation resistance. The surface oxide layer was Fe2O3 for investigated alloys. In addition, mixed Fe-Cr-Ti oxides were formed beneath the surface layer of Fe-10Ti-10Cr, containing the highest amount of Cr among investigated alloys.