Kobalt esaslı Haynes 188 süper alaşımın kaynak kabiliyetinin araştırılması
Investigation of the weldability of cobalt based Haynes 188 super alloys
Yazar: SAMET NOHUTÇU
Danışman: PROF. DR. RAMAZAN KAÇAR
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Paslanmaz çelik = Stainless steel ; Süper alaşımlar = Superalloys ; TIG kaynağı = TIG welding

Özet:
Kobalt esaslı süper alaşımlar aşınma, sürünme, oksidasyon, ısı ve korozyona karşı dirençleri nedeniyle 650 °C ile 1100 °C sıcaklıklar arasında kullanılmaktadır. Süper alaşımların önemli bir üyesi olan Haynes 188, esas olarak yanma odaları, hava transfer kanalları, sabit kanatlar, egzoz nozulları ve alev tutucu bileşenler gibi gaz türbin motorlarında kullanılır. Bu alaşımların mukavemetlendirilmesi katı eriyik veya yapılarında karbür ve/veya intermetalik oluşturarak sağlanır. Bu durum yük altındaki alaşımda farklı servis sıcaklıklarında dinamik gerinim yaşlanmasına yol açarak sünekliğin azalmasına neden olabilir. Servis koşullarındaki sıcaklıklar göz önüne alındığında Haynes 188 alaşımının dinamik yaşlanma davranışı araştırılması gerekenler arasındadır.
Süper alaşımların artan kullanımlarının paralelinde kaynaklı imalat yöntemlerinin rolü de artmaktadır. Bu sebeple süper alaşımların aynı ve farklı cins malzemelerle kaynaklanabilirliği hakkında araştırmalara ihtiyaç duyulmaktadır. Süper alaşımın birleştirilmesi genellikle manuel olarak uygun ilave kaynak metali ile TIG kaynak yöntemiyle yapılmaktadır. Manuel kaynak işleminde çeşitli kaynak hataları oluşmakta, üretim maliyeti artmakta, mekanik özellikler ve mikroyapı olumsuz etkilenmektedir. Bu sorunların üstesinden gelmek için yüksek enerji yoğunluğu ve düşük ısı girdisi kullanarak otomatik kaynak yapma kabiliyeti olan bir kaynak makinesine ihtiyaç duyulmaktadır. Son dönemde kalın kesitli metallerin birleştirilmesi için geliştirilen, yarı otomatik veya tam otomatik kaynak imkânı sunan Force TIG kaynak makinesi, süper alaşımların otojen (ilave metal kullanılmadan) kaynağında da kullanılabilir.
Çalışmada Haynes 188-Haynes 188 aynı cins ve Haynes 188-AISI 316L farklı cins metal çiftinin temin edildiği şekliyle Force TIG kaynak makinesi ile otomatik olarak, kaynak ağzı açılmadan ve ilave metal kullanılmadan kaynaklanabilirliğinin araştırılması amaçlanmıştır. Bu sebeple, aynı ve farklı cins birleştirmelerinin 25 °C, 250 °C, 400 °C, 550 °C, 700 °C, 850 °C ve 1000 °C'deki sıcaklıklardaki mukavemeti ve sertliği belirlenerek mikroyapılarının detaylı olarak değerlendirilmesi yapılmıştır. Ayrıca, kaynaklı birleştirmelerin dinamik gerinim yaşlanması davranışının belirlenmesi çalışmanın kapsamı içerisindedir.
Sonuç olarak Haynes 188-Haynes 188 aynı cins kaynaklı birleştirmenin mukavemetinin kabul edilebilir aralıklarda ancak sünekliğin ana malzemeye göre düşük olduğu tespit edilmiştir. Kaynaklı birleştirmenin şekillendirilebilirliğini iyileştirmek amacıyla 1175 °C sıcaklıkta 1 saat solüsyona alma ısıl işlemi ve mukavemeti arttırmak için 550 °C sıcaklıkta farklı sürelerde yaşlandırma ısıl işlemi uygulanmıştır. Sonuç olarak birleştirmenin mukavemetinde fazla kayıp olmadan süneklikte belirgin bir iyileşme elde edilmiştir.
Haynes 188-AISI 316L farklı cins kaynaklı birleştirmenin mukavemeti birleştirmeyi oluşturan metal çiftinde en düşük dayanımlı olan AISI 316L paslanmaz çelikten yüksek fakat Haynes 188 süper alaşımdan daha düşük bulunmuştur. Elde edilen gerilme-gerinim eğrilerindeki farklı tipteki kararsız akış davranışı Haynes 188 alaşımında, aynı cins ve farklı cins kaynaklı birleştirmelerinde dinamik gerinim yaşlanmasının oluştuğunu doğrulamıştır. Bu nedenle alaşımın ve kaynaklı birleştirmelerinin sünekliği 250 °C-700 °C sıcaklık aralığında, özellikle 550 °C'de azalmıştır.

Abstract:
Cobalt-based superalloys are used between 650 °C and 1100 °C temperatures due to their resistance to wear, creep, oxidation, heat, and corrosion. Haynes 188, an essential member of superalloys, is mainly used in gas turbine engines such as combustion chambers, air transfer ducts, fixed blades, exhaust nozzles, and flame holder components. Strengthening of these alloys is achieved through solid solution or by carbides and intermetallics formed in their structures. This can lead to dynamic strain aging of the alloy under load at different service temperatures, resulting in reduced ductility. Considering the temperatures at service conditions, the dynamic strain ageing behaviour of Haynes 188 alloy is among those to be investigated.
In parallel with the increasing use of super alloys, the role of welded manufacturing methods is also increasing. For this reason, research is needed on the weldability of superalloys with the similar and dissimilar types of metals. The joining of superalloy is usually done manually by TIG welding with suitable filler metal. In manual welding process, various welding faults occur, production cost increases, mechanical properties and microstructure are affected negatively. To overcome these problems, a welding machine capable of automatic welding using high energy density and low heat input is needed. The Force TIG welding machine, recently developed for joining thick-section metals and offering semi-automatic or fully automatic welding, can also be used for autogenous welding (without the use of filler metal) of superalloys.
In this study, it was aimed to investigate the weldability of Haynes 188-Haynes 188 similar and Haynes 188-AISI 316L dissimilar metal couples with Force TIG welding machine automatically, without weld groove and filler metal. For this reason, the strength and hardness of the similar and dissimilar weldments at the temperatures of 25 °C, 250 °C, 400 °C, 550 °C, 700 °C, 850 °C and 1000 °C were determined and their microstructures were evaluated in detail. In addition, the dynamic strain aging behavior of weldments was determined within the scope of the study.
As a result, it was determined that the strength of Haynes 188-Haynes 188 similar welded joints was within acceptable ranges, but the ductility was lower than the base metal. Solution heat treatment at 1175°C for 1 hour was applied to improve the ductility of the weldment and ageing heat treatment at 550 °C for various times was applied to increase the strength. As a result, a significant improvement in the ductility was obtained without much loss in the strength of the welded joint.
The strength of Haynes 188-AISI 316L dissimilar weldment was found to be higher than AISI 316L stainless steel, which is the lowest strength in the metal couple forming the joint, but lower than Haynes 188 superalloy. The different types of unsteady yield behavior in the stress-strain curves obtained confirmed the occurrence of dynamic strain aging in Haynes 188 super alloy, similar and dissimilar welded joints. Therefore, the ductility of the Haynes 188 super alloy and its welded joints decreased in the temperature range of 250 °C-700 °C, especially at 550 °C.