Süper alaşımların karbondioksit lazer kaynak şartlarının optimizasyonu
Optimization of parameters for carbon dioxide laser welding of superalloys
Yazar: AKIN ODABAŞI
Danışman: PROF. DR. M. NİYAZİ ERUSLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Katılaştırma = Solidification ; Lazer kaynağı = Laser welding ; Mekanik özellikler = Mechanical properties ; Mikroyapı = Microstructure ; Süper alaşımlar = Superalloys

Özet:
Yüksek sıcaklık uygulamalarında tercih edilen, nikel esaslı Inconel 718 süper alaşımı hakkında, oldukça çok sayıda ve kapsamlı çalışma olmasına rağmen kaynak teknolojisini ilgilendiren çalışmalar genellikle plaka üzeri kaynak çalışmaları, kaynak şartlarını taklit eden ısıl işlem uygulamaları ve bunların karakterizasyonu şeklindedir. Inconel 718'in lazer ışını kullanılarak alın kaynaklarının gerçekleştirilmesi hakkındaki çalışmalar ve içerikleri sınırlıdır. Kobalt esaslı bir süper alaşım olan ve yine yüksek sıcaklık uygulamalarında yoğun şekilde kullanılan Haynes 188 süper alaşımı hakkındaki araştırma çalışmalarında ise genelde korozif ortamlarda bu malzemenin gösterdiği özellikler araştırılmıştır. Haynes 188 süper alaşımının kaynağı hakkındaki araştırmaların varlığı ise kıyaslanacak olursa Inconel 718 süper alaşımından da sınırlı durumdadır.Bu doktora tezinde gerçekleştirilen çalışmaların genel amacı, nikel ve kobalt esaslı Inconel 718 ve Haynes 188 süper alaşımlarının, CO2 lazer ışını ile kaynaklanabilirliklerini, mikroyapısal karakteristiklerini ve kaynaklı yapıların performanslarını ortaya koymak, daha iyi anlaşılır hale getirmektir. Bu amaç doğrultusunda farklı lazer kaynak işlem parametreleri kullanılarak kaynak kalitesine, mikroyapı değişimlerine ve mekanik test sonuçlarına etkisi ortaya çıkarılmıştır.Lazer ışını ile alın kaynakları gerçekleştirilen numunelere kaynak öncesi ve sonrası mikroyapı değişimine yol açacak başka bir işlem uygulanmamıştır. Tipik dövme yapılı iki süper alaşımının kaynak işlemi sonrasında kaynak dikişinde dendritik yapı katılaşması dolayısıyla döküm yapısı elde edilmiştir. Lazer kaynağının genel karakteristiklerinden olan, çok küçük bir bölgeye odaklanan yüksek yoğunluklu lazer ışını sayesinde dar bir bölgenin ergimesi ve katılaşması sonucunda kaynaklı numunelerin kaynak metallerinde yüksek katılaşma hızlarına ulaşılmıştır. Farklı ısı girdileri uygulanarak elde edilen bu yüksek katılaşma hızlarının kaynak dikişi geometrisine, mikroyapıya ve mekanik test sonuçlarına etkileri açığa çıkarılarak tartışılmıştır.Nikel esaslı Inconel 718 ve kobalt esaslı Haynes 188 süper alaşımlarının lazer kaynağında tam nüfuziyet elde edilen alın kaynakları gerçekleştirilmiştir. Farklı kaynak ısı girdisi uygulanan kaynak işlemlerinde, ısı girdisi arttıkça, dikiş genişlik ölçülerinde artma kaydedilmiştir. Ergiyen ana malzeme hacmi artışı ile kaynak bölgesi genişliği artmaktadır. Kaynakların radyografik filmleri değerlendirildiğinde porozite, eksik nüfuziyet, yanma oluğu, doldurma eksikliği olan kök bölgesi, hizalama hatası, inklüzyon varlığı, dikiş yönüne paralel ve dik çatlak varlığı, kaynak metali çökmesi gibi hatalar gözlenmemiştir.Inconel 718 ve Haynes 188 süper alaşımlarının lazer kaynaklı numunelerin, kaynak ergime bölgesinin mikroyapı incelemelerinden katılaşma sonrası yapılarının dendritik olduğu tespit edilmiştir. Isı girdisi arttıkça, katılaşma sonrası elde edilen kaynak bölgesindeki dendritik yapının kabalaştığı görülmektedir.Numunelerin kaynak metalinde katılaşma hızlarının ortaya çıkarılması için dendrit kolları arası mesafeler ölçülmüştür. Bu ölçümler sonucunda hesaplanan katılaşma hızları 103-106 oC/sn aralığında değişmektedir. Isı girdisi artışıyla dendritik yapı kabalaşmakta ve dendrit kolları arası mesafeler büyümekte, katılaşma hızı ise azalmaktadır.Inconel 718 süper alaşımının dört numune içeren lazer kaynak numunelerinin mikroyapı fotoğraflarından ısıdan etkilenen bölgelerde mikro çatlaklar oluşmadığı görülmektedir fakat tane sınırlarında sıvılaşma vardır. En fazla tane sınırı sıvılaşması ısı girdisi en yüksek olan 126,6 J/mm ısı girişi olan 4 numaralı numunede olmuştur.Yüksek lazer gücü ve yüksek kaynak işlem hızı kullanılarak lazer alın kaynağı yapılan düşük ısı girişli numunelerde ısı girişinin düşüklüğü ve bu numunelerdeki meydana gelen yüksek değerdeki hızlı katılaşmadan dolayı, kaynak dikişi ergime bölgesinde ince dendritik yapı elde edilmiş ve mikrosertlik ölçümlerinde de katılaşma şartlarının bir sonucu olarak yüksek değerler ölçülmüştür. Katılaşma hızı düşük olan yüksek ısı girdili numunelerde ise kaynak dikişinde daha düşük sertlik değerleri kaydedilmiştir. Kaynaklı numunelerde kaynak işleminde uygulanan ısı girdisinin artması ile çekme testlerinde ana metalin göstermiş olduğu değerlere kıyasla, daha düşük kopma mukavemeti ve uzama değerleri elde edildiği görülmektedir.

Abstract:
Although there are many and extended studies on nickel based Inconel 718 superalloy which is preferred for high temperature applications, the studies related to welding technology is about bead on plate welding, heat treatment which simulates the welding conditions and their characterization. There are limited publications about the butt weld using laser beam of Inconel 718. The studies about superalloy Haynes 188, which is cobalt based superalloy and widely used in high temperature applications, are investigated in corrosive environment. The researches about the Haynes 188 superalloy are more limited when compared with Inconel 718 superalloy.The main aim of the studies carried out in this Ph. D. thesis is to investigate the microstructural characteristics and performance of the weldability of Inconel 718 and Haynes 188 superalloys with CO2 laser beam welding. The effects on welding quality, microstructure variations and mechanical test results are discovered by using different laser welding parameters.There is no process applied to the samples, which are butt welded by laser beam, before, and after welding, that causes microstructural changes. After the welding process of the typical wrought structured two superalloys, dendritic structure solidification on weld seam and by this way casting structure are obtained. The general characteristics of laser welding which are rapid solidification rates of weld metals are achieved by focusing on a very small region with high intensity laser beam in a narrow region. The effects of high rapid solidification rates obtained by applying different heat inputs on weld seam geometry, microstructure and mechanical test results were found and discussed.Butt welding of nickel based Inconel 718 and Haynes 188 cobalt based superalloys were performed as full penetration from laser welding. On the weld processes in which different heat inputs are applied, as heat input is increased, increase in seam width measurement was recorded. The increase in volume of molten parent material increased the weld zone width. When radiographic films of the welds are analyzed, no weld defects were observed such as, porosity, incomplete penetration, undercut, lack of fusion, misalignment defects, inclusion, longitudinal and transverse crack, weld metal collapse.The weld fusion zone microstructure analyzes of the Inconel 718 and Haynes 188 superalloys laser welded samples showed that, after solidification their structures were dendritic. As heat input was increased, the dendritic structure obtained after solidification in the weld zone was coarsed.In order to obtain the solidification rates of the samples in weld metal, dendrite arm spacing was measured. As a result of these measurements solidification rates were ranged between 103-106 oC/sec. As heat input in increased, dendritic structure coarses, dendrite arm spacing increases and solidification rate decreases.Microstructure photographs of the laser weld samples of the Inconel 718 superalloy includes four samples showed that, on the heat affected zone no micro cracks was formed. However, there was grain boundary liquation. The maximum grain boundary liquation occurred in the sample on which the maximum heat input applied.The samples that are low heat input and laser butt welded by using high laser power and high weld process rate, fine dendritic structure was obtained in weld seam fusion zone and high values were obtained in microhardness measurements as a result of solidification conditions. They were found as a result of high solidification rate of these samples. The samples having high heat input and low solidification rate, on seam weld lower hardness values were recorded. For welded samples, as heat input in welding process was increased lower rupture strength and elongation values were obtained when compared with the values of the parent metal in tensile tests.