Inconel 718 süperalaşım malzemenin PVD yöntemi ile AlTiN ve CrN kaplanması ve karakterize edilmesi
Characterization of AlTiN and CrN coatings deposited by PVD on Inconel 718 material
Yazar: ELİF SELEN ATMACA
Danışman: PROF. DR. ADEM KURT
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Bu çalışmada Inconel 718 süperalaşım malzeme filtresiz katodik ark PVD yöntemi kullanılarak iki katman halinde 4 µm AlTiN ve iki katman halinde 8 µm kalınlığında CrN ile kaplanmışlardır. Kaplanmış numuneler kaplama tabakalarının oksitlenme sıcaklığı altında, oksitlenme sıcaklığında ve oksitlenme sıcaklığı üzerindeki sıcaklıklarda 90 dakika ısıl işleme tabi tutulmuştur. Numunelerin kaplama öncesi ve sonrası yüzey pürüzlülük değerleri, ısıl işlem sonrası mikro ve makro sertlik değerleri ölçülmüş ve optik ve SEM'de mikro yapısal incelemeler yapılmıştır. Isıl işleme bağlı kaplama tabakasından altlık malzemeye ve altlık malzemeden kaplama tabakasına element difüzyonu ölçülmüştür. Ayrıca XRD çalışmaları ile ısıl işlemle kaplama tabasındaki faz değişimleri belirlenmiştir. Numunelerin elektriksel iletkenlikleri ölçülerek kaplamalara uygulanan ısıl işlemin elektriksel iletkenliğe etkileri araştırılmıştır. Yapılan ısıl işlemin AlTiN kaplamaların yüzey pürüzlülüğünü oksitlenme sıcaklığının üzerindeki sıcaklıkta, başlangıç değerine göre arttığı, CrN kaplanmış numunelerde oksitlenme sıcaklığının üzerindeki sıcaklıkta, azaldığı görülmüştür. Isıl işlem sıcaklığındaki artışa bağlı olarak, altlık malzemeye AlTiN kaplamalarda Al ve Ti difüzyonu; CrN kaplamalarda ise Cr difüzyonu görülürken; her iki tip kaplamada da altlık malzemeden kaplama tabakaları yönünde Ni difüzyonu olduğu görülmüştür. Isıl işlem sıcaklığının artmasına bağlı olarak altlık malzemede Nb, Ni esaslı çökeltilerin boyutlarında ve tavlama ikizlenmeleri miktarında artış, tane boyutunda azalma görülmüştür. Isıl işlem sıcaklığının artmasına bağlı olarak AlTiN kaplamaların mikrosertlik değerlerinde azalma, CrN kaplamaların mikrosertlik değerlerinde ise artma meydana gelmiştir. Inconel 718 süperalaşımının makrosertlik değeri 800˚C'ye kadar artış gösterirken, bu sıcaklıktan sonra yaklaşık % 19,59 oranında azalma göstermiştir. AlTiN kaplama, oksitlenme sıcaklığının üzerinde yapılan ısıl işlem sonucunda spinodal ayrışma meydana getirerek kübik AlN ve kübik TiN fazları oluşturmuştur. CrN kaplama ise ısıl işlem sıcaklığının artmasına bağlı olarak Cr2O ve Cr2O3 fazları meydana getirmiştir. AlTiN kaplamaların oda sıcaklığındaki özdirençleri ısıl işlem sıcaklığındaki artışa bağlı olarak azalmakta iken, 900 ˚C' de yapılan ısıl işlemde numune yalıtkan hale gelmiştir. CrN kaplamalarda ise oda sıcaklığındaki özdirençleri ısıl işlem sıcaklığındaki artışa bağlı olarak azalırken, 800 ˚C' de yapılan ısıl işlem sonrasında ise numune halen iletken durumdadır.

Abstract:
In this study two layers – approximately 4 µm AlTiN and two layers – approximately 8 µm CrN coatings were deposited by unfiltered cathodic arc PVD on the Inconel 718 superalloy material. Coated samples are annealed at below, on and above the oxidation temperature of coating layers for 90 minutes in atmospheric environment. Surface roughness values are measured before and after annealing process. Micro and macro hardness values measurings, optical and SEM analysis are performed. According to the thermal process, element diffusions from the coating layer to substrate and element diffusions from the substrate to coating layer are quantified. Additionally, phase changes depend on the annealing process are determined with XRD analysis. Electrical resistivities of the samples are tested to investigate the effect of thermal process. At the end of the study, it was seen that annealing above the oxidation temperature of AlTiN coating, surface roughness value increased according to the initial value, but annealing above the oxidation temperature of CrN coating, surface roughness value decreased according to the initial value. Depending upon increasing the anneal temperature Al and Ti diffusion toward the substrate was observed in AlTiN coatings. In addition to this, Cr diffusion toward to the substrate was observed in CrN coatings. Ni diffusion monitored from the substrate to coating layers in all specimens. Nb and Ni based precipitate sizes, quantity of annealing twins increased and grain size decreased according to the increased annealing temperature. In AlTiN coatings' microhardness values decreased while CrN coatings' microhardness values increased according to the increased annealing temperature. Macrohardness values of Inconel 718 increased until the 800 ˚C annealing temperature, but after this temperature macrohardness value decreased almost in the ratio of 19,59 %. After annealing below the oxidation temperature of AlTiN, as a result of spinodal decomposition, c – AlN and c – TiN phases observed. In CrN coatings Cr2O and Cr2O3 phases occurred while increasing of anneal temperature. As the room temperature resistivity of AlTiN decreased correspondingly increased anneal temperature, but the specimen which is annealed at 900 ˚C became dielectric. In CrN coatings, room temperature resistivity decreased until 800 ˚C according to annealing temperature, but these specimens sustain their conductivity.