Kobalt esaslı Haynes 25 süper alaşımının aşınma ve korozyon davranışına bor kaplamanın etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of boron coating on the wear and corrosion behavior of cobalt-based Haynes 25 superalloy
Yazar: ALİ GÜNDOĞAR
Danışman: PROF. DR. MELİK ÇETİN
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Gerilme korozyonu = Stress corrosion ; Kobalt = Cobalt ; Metal kaplama = Metal coating ; Tribokorozyon = Tribocorrosion ; Yüzey kaplama = Surface coating ; Yüzey kaplama malzemeleri = Surface coating materials

Özet:
Bu çalışmada, kobalt esaslı Haynes 25 süper alaşımının aşınma ve korozyon
davranışları üzerine bor kaplamanın etkisi incelenmiştir. Bu çalışmada, Haynes 25
süper alaşımına 975°C'de 5 saat %90 B4C + %10 NaBF4 tozları kullanılarak kutu
borlama yöntemi ile bor kaplama yapılmış, daha sonra numuneler fırında, havada ve
suda soğutulmuştur. Aşınma deneyleri 24°C, 350°C ve 600°C sıcaklıkta, ball-on disk
aşınma test cihazında, 20N yük altında, 375 mm/sn hızında, 667 s. süreyle ve 250 m
uzunluğunda ve batıcı uç malzemesi olarak 6mm çapında 1650 MPa sertliğine sahip
Al2O3 (Alümina) bilye kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Kaplama tabakalarının
karakterizasyonu optik mikroskop, taramalı elektron mikroskobu (SEM), XRD-Işını,
nano indetasyon, 2D profilometre, mikrosertlik ve XRD_ışını piklerinden kalıntı
gerilme ölçülerek incelenmiştir. Her üç grup (fırında, suda, havada soğutulmuş)
numunelerin kalıntı gerilmeleri XRD-ışını ile(piklerinden) ölçülmüştür. Ayrıca %3,5
NaCl ve %3,5 HCl çözeltisi içerisinde korozyon dirençlerinin kıyaslanması amacıyla
kaplanmış; fırında, havada ve suda soğutulmuş ve işlemsiz numunelerin
elektrokimyasal olarak açık devre potansiyeli (Ocp) ve Tafel ekstrapolasyon
metotlarıyla korozyon testlerine tabi tutularak gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, bor
kaplamanın Haynes 25 alaşımının yüzey sertliğini önemli ölçüde artırdığını ve aşınma
direncini belirgin şekilde iyileştirdiğini göstermektedir. Aşınma deney sonuçlarından,
tüm deney sıcaklıklarında (24°C, 350°C ve 600°C)'de en az aşınma suda soğutulan
975°C 5 saat bor kaplama yapılan Haynes 25 numune, daha sonra sırasıyla havada
soğutulan, işlemsiz numune ve fırında soğutulan Haynes 25 numune olduğu tespit
edilmiştir. Sürtünme katsayısı 24°C sıcaklıkta en düşük işlemiz numune, en yüksek
fırında soğutulan numune, 350°C sıcaklıkta en düşük suda soğutulan numune, en
yüksek havada soğutalar numune ve 600°C sıcaklıkta en düşük fırında soğutulan
numune, en yüksek suda soğutulan numune, elde edilmiştir. Kalıntı gerilimindeki
değişim, mikro gerinimin bir sonucu olduğu için fırın>hava>su şeklindedir. Kristalit
boyuttaki değişime bakıldığında ise fırın

Abstract:
This study investigates the effects of boron coating on the wear and corrosion
behaviors of cobalt-based Haynes 25 superalloy. In this work, boron coating was
applied to Haynes 25 superalloy using the pack boronizing method with 90% B4C and
10% NaBF4 powders at 975°C for 5 hours, followed by cooling in a furnace, air, and
water. Wear tests were conducted at temperatures of 24°C, 350°C, and 600°C using a
ball-on-disk wear test device under a load of 20 N, at a speed of 375 mm/s for 667
seconds over a distance of 250 meters, utilizing a 6 mm diameter Al2O3 (Alumina) ball
with a hardness of 1650 MPa as the indenter. The characterization of the coating layers
was performed using optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), X-ray
diffraction (XRD), nanoindentation, 2D profilometry, microhardness testing, and
residual stress measurements from XRD peaks. Residual stresses of all three groups
(furnace-cooled, air-cooled, and water-cooled) were measured using XRD.
Furthermore to compare the corrosion resistance in 3.5% NaCl and 5% HCl solutions,
coated, furnace-cooled, air-cooled, water-cooled, and untreated samples were
subjected to electrochemical corrosion tests using open circuit potential (OCP) and
Tafel extrapolation methods. The results indicate that boron coating significantly
increased the surface hardness and improved the wear resistance of Haynes 25 alloy.
From the wear test results, the sample with the least wear at all test temperatures (24°C,
350°C, and 600°C) was the water-cooled, boron-coated Haynes 25 sample at 975°C
for 5 hours, followed by the air-cooled sample, the untreated sample, and the furnace-
cooled Haynes 25 sample, respectively. The friction coefficient at 24°C was lowest for
the untreated sample and highest for the furnace-cooled sample, at 350°C it was lowest
for the water-cooled sample and highest for the air-cooled sample, and at 600°C it was
lowest for the furnace-cooled sample and highest for the water-cooled sample. The
variation in residual stress, resulting from microstrain, followed the order of furnace >
air > water. The change in crystallite size followed the order of furnace < air < water.
It is evident that changes in the cooling method significantly impact the grain size,
microstrain, residual stress, hardness, and full width at half maximum (FWHM),
thereby affecting the material's performance.
Corrosion tests showed that while boron coating positively influenced the alloy's
corrosion resistance, this effect was not as pronounced as the improvement in wear
resistance. This study demonstrates the effectiveness of boron coating in enhancing
the surface properties of cobalt-based superalloys and expands the potential
applications of such coatings in industrial settings. Boron coating can play a crucial
role in extending the service life of components operating in high-temperature and
abrasive environments.