The effect of post weld heat treatment on the mechanical properties of TIG welded inconel 718 alloy

Uçak ve uzay endüstrisinde yaygın olarak kullanılan gaz türbinli motorlarda uygulanabilir malzemelerden olan süperalaşımlar, yüksek çalışma sıcaklıklarında yüksek performans gerekliliklerini üstün korozyon direnci, yüksek mukavemet değerleri, sahip oldukları yorulma ve sürünme direnci karakteristikleri ile karşılamaktadır. Havacılık alanında kullanılan parçaların, işleme, form verme ve birleştirme gibi imalat operasyon aşamalarında konvensiyonel metodlar yanı sıra birok özel proseste kullanılmaktadır. Tungsten inert gaz (TIG) kaynağı, süperalaşım malzemelerin imalatında tercih edilen özel proseslerdendir. Süperalaşımlar, yapısında bulundukları temel alaşım elementlerine bağlı olarak demir-nikel, nikel ve kobalt esaslı olarak sınıflandırılır. Tüm süperalaşım sınıfları yüzey merkezli kübik (YMK) matris içerisinde mukavemet artırıcı ikincil fazları içerir. Demir-nikel bazlı süperalaşımlar grubuna dahil olan Inconel 718, çökelti sertleştirmesi ile mukavemet özellikleri geliştirilen bir alaşımdır. Üstün mekanik özellikleri, uygun ısıl işlem koşullarında yapısında büyük oranda gamma iki üssü (γ") çökelmesi ile açıklanır. Bunun yanı sıra bu fazın varlığında yavaş yürüyen sertleştirme mekanizması Inconel 718 alaşımınının kolay kaynaklabilirliğini sağlamaktadır. Kaynak işlemi süresince ısıdan etkilenen bölgede (ITAB), bu fazın çökelememesi ile düşük mukavemet ve yüksek süneklik değerleri gözlenir. Yavaş yürüyen sertleştirme mekanizması sayesinde, alaşımın gerilim giderme ve istenen sertlik değerlerine ulaşması sağlanır. Ancak kaynak sırasında söz konusu dengesiz katılaşma sebebiyle özellikle niobyum gibi yüksek konsantrasyonlu refrakter elementlerin dendritler arası bölgelere segregasyonu sonucu yapıda istenmeyen kırılgan Laves (Ni,Fe,Cr)2(Nb,Mo,Ti) fazı oluşumu gözlenmektedir. Bu fazın sahip olduğu morfoloji nedeniyle malzemelerin mekanik özelliklerine negatif etkisi bilinmektedir. Bu fazın oluşmasının önüne geçilemediği durumlarda, yapının tekrar homojen hale getirilmesi ve mekanik özelliklerin geri kazanılması için kaynak sonrası ısıl işlem yapılması tavsiye edilmektedir. Bu çalışmanın amacı, kaynak sonrası uygulanan ısıl işlem tipinin (doğrudan yaşlandırma ya da çözeltiye alma ve yaşlandırma) TIG ile kaynak yapılmış Inconel 718 alaşımının mikroyapısında, ve buna bağlı olarak mekanik özelliklerinde yol açtığı etkileri değerlendirmektir. Bu çalışma kapsamında, 2mm ve 3,2 mm olarak iki farklı kalınlıkta seçilen AMS 5596 standardında çözeltiye alma ısıl işlemi uygulanmış (950-990 °C) Inconel 718 saclar belirli uzunluklarda temin edilmiştir. Kaynak işlemleri, kaynağın tekrarlanabilir kalitede olması için Jetline otomatik kaynak tezgahında gerçekleştirilmiştir. 3,2 mm kalınlığındaki numunelere kaynak ağzı açılırken, 2 mm kalınlığındaki numunelere kaynak ağzı açılmadan alın alına ve tüm kaynaklar hadde yönüne dik olacak şekilde yapılmıştır. Ana malzeme kalınlığına bağlı olarak, kaynak parametreleri sabit tutulmuştur. Kaynak sonrası tüm numuneler penetrant ve radyografik muayene metodları uygulanarak kaynak dikişindeki indikasyonlara karşı kontrol edilmiştir. Penetrant ve radyografik muayenelerde herhangi bir indikasyona rastlanmamıştır. Kaynak sonrası ısıl işlemin etkilerini gözlemlemek için, kaynaklı numuneler vakum fırınlarında inert atmosfer altında farklı ısıl işlem programlarına tabi tutulmuştur. İçerisinde iki farklı kalınlıktaki numuneleri barındıran bir gruba 980°C ±10°C sıcaklığında 1 saat süreyle çözeltiye alma, ardından 720°C±10°C sıcaklıkta 8 saat ve 620 °C±10 °C sıcaklıkta 8,5 saat kalacak şekilde iki kademeli yaşlandırma ısıl işlemi uygulanmıştır. İkinci grup numuneler 720°C±10°C sıcaklıkta 8 saat ve 620 °C±10 °C sıcaklıkta 8,5 saat kalacak şekilde doğrudan yaşlandırma ısıl işlemine tabi tutulmuştur. Kaynak mekanik özelliklerinin tespit edileceği ve ısıl işlemin etkilerinin karşılaştırmalı olarak kontrol edileceği referans grup olarak tanımlanabilecek son grupta ise kaynak sonrası herhangi bir ısıl işlem yapılmamıştır. Kaynak metali özelliklerinin orijinal Inconel 718 ile karşılaştırılabilmesi için, kaynaklı numunelerin yanında orijinal Inconel 718 numunelerde aynı ısıl işlem programlarına tabi tutulmuştur. İlk olarak uygulanan bu ısıl işlemlerin ana malzeme özelliklerine etkisinin incelenmesi için optik mikroskop ve taramalı elektron mikroskobu çalışmaları yapılmıştır. Mikroyapı incelemeleri sırasında gerçekleştirilen tane boyutu ölçümü sonucunda, çözeltiye alma (980°C) & yaşlandırma ve doğrudan yaşlandırma ısıl işlemlerin tane boyutu üzerinde belirgin bir etkisinin olmadığı ve 2 mm kalınlıktaki sacların tüm koşullarda daha ince tane yapısına sahip olduğu belirlenmiştir. Çözeltiye alınmış durumdaki Inconel 718 mikroyapısında östenitik matris içerisinde ikincil partiküllerin varlığı belirlenmiştir ve bahsi geçen ısıl işlemler ile bu partiküllerin yapıda çözülemediği tespit edilmiştir. Literatürde bu ikincil partiküllerin MC tipi karbürler olduğu belirtilmektedir. Bunun yanı sıra, 980°C 'de uygulanan çözeltiye alma ısıl işleminin iğnemsi formda ikincil bir fazın çökelmesine neden olduğu tespit edilmiştir. Literatürde bu yapı delta (δ) fazı olarak geçmektedir. Mikroyapı incelemeleri sonrasında, çözeltiye alınmış, çözeltiye alma ve yaşlandırma ısıl işlemi uygulanmış ve doğrudan yaşlandırma ısıl işlemi uygulanmış numunelere Vickers mikrosertlik testi yapılmıştır. Bu testlerin sonucunda, çözeltiye alma&yaşlandırma ve doğrudan yaşlandırma ısıl işlemlerin ana malzeme sertliğini aynı oranda arttırdığı belirlenmiştir. Inconel 718 sertlik artışı literatüde gamma üssü (γ') ve gamma iki üssü (γ") fazlarının yaşlandırma ısıl işlemi sırasında çökelmesi ile açıklanmaktadır. Ancak yapılan XRD çalışmalarında bu çökelti fazlara rastlanmamıştır. Bunun nedeni olarak bu fazların yapıda hacimsel olarak az miktarda bulunmaları düşünülmektedir. Ana malzemenin karakterizasyonu sonrasında kaynak bölgesi makro ve mikro incelemeleri gerçekleştirilmiştir. 2 mm ve 3,2 mm kalınlığındaki sacların kaynak kesitlerinden alınan makroyapı görüntüleri ile kaynak genişliğinin, kaynak sırasında uygulanan ısı girdisiyle ilişkili olduğu düşünülmüştür. 2 mm kalınlığındaki saclarda uygulanan kaynak parametreleri sonucu hesaplanan ısı girdisi : 192 J/mm iken 3,2 mm kalınlığındaki saclarda bu değer 419 J/mm olarak belirlenmiştir. Bu nedenle, 3,2 mm kalınlığındaki numuneler tüm ısıl işlem koşullarında daha geniş kaynak havuzuna sahiptir. Kaynak bölgesi kesiti mikroyapısı incelendiğinde, dendritik formda ergime bölgesi, ısı tesiri altında kalan bölge (ITAB) ve ısıdan etkilenmeyen ana malzeme bölgeleri gözlemlenmiştir. Ergime bölgesi, ergime sınırı ve ITAB ayrıca incelemeye tabi tutulmuştur. ITAB, kaba taneli ITAB ve kısmi ergime bölgesi olarak iki alt bölgeye ayrılmaktadır. Ergime bölgesindeki dendritler eş eksenli yapıda iken ergime sınırına doğru eş eksenliden sütunsal dendritik formda oldukları görülmüştür. Detaylı mikroyapı incelemeleri için taramalı elektron mikroskobu kullanılmıştır. Bu çalışmalarda ergime bölgesinde, düzensiz şekilli ikincil partiküllern varlığı tepit edilmiştir. Literatür incelemeleri bu partiküllerin niobyumca zengin Laves fazı olabileceğinden bahsetmektedir. Partikülere yapılan enerji dağılımlı X-ışınları (EDS) analizlerinde 25%'ler seviyesindeki niobyum miktarı literatür ile uyumlu olduğundan Laves fazı olduğu ihtimalini güçlendirmişir. Ancak X-ışınları difraksiyon (XRD) analizlerinde bu fazlar hacimsel oranlarının düşük olması sebebiyle gözlemlenememiştir. Kaynak katılaşma esnasında segregasyon sonucu oluşan Laves fazının giderilmesi ve yapının tekrar kimyasal homojenliğini sağlaması için kaynak sonrası ısıl işlem yapılması önem teşkil etmektedir. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve enerji dağılımlı X-ışınları (EDS) çalışmaları ile, Laves fazının kaynak edilmiş ve kaynak sonrası doğrudan yaşlandırma ısıl işlemine tabi tutulmuş numunelerin kaynak dikişinde var olduğu belirlenmiştir. Ancak, 980°C±10°C sıcaklığında 1 saat süreyle yapılan çözeltiye alma ısıl işlemi Laves fazının kısmen çözülmesine ve bu yapının etrafında delta fazının (δ) çökelmesini sağlamıştır. Çözeltiye alma sıcaklığı olarak seçilen 980°C±10° Laves fazının tamamen çözünmesini sağlayamamıştır. Kaynak sonrası ısıl işlemin, kaynaklı numunelerin mekanik özelliklerine etkisi için mikosertlik ve oda sıcaklığı çekme testleri yapılmıştır. Çekme testleri sonrasında kaynak dikişinden kopan numuneler steromikroskop ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile detaylı incelemeye tabi tutulmuştur. Bu çalışmada elde edilen bulgular şu şekildedir : • Kaynak sonrası ısıl işlemler, ergime bölgesi, ITAB ve ana malzeme sertlik değerlerini yaklaşık iki katı kadar arttırmıştır. ITAB ve ana malzeme benzer sertlik değerlerine sahip iken ergime bölgesi yaklaşık 5% daha yumuşaktır. • Çözeltiye alınmış halde ölçülen sertlik değerleri sonucunda ergime bölgesi, ITAB ve ana malzemede benzer sonuçlar tespit edilmiştir. Bu sonuçlara göre kaynak metali soğuma sırasında herhangi bir mukavemet artırıcı çökeltinin gamma üssü ve gamma iki üssü (γ' ve γ") oluşmadığı düşünülmektedir. • Orijinal Inconel 718 numunelere ve kaynaklı numunelere çekme testi yapılmıştır. Çekme testleri sonucunda kaynak sonrası yapılan her iki ısıl işlemin akma mukavemetini 150%, çekme mukavemetini 60% arttırdığı bununla birlikte sünekliği 140% oranında düşürdüğü tespit edilmiştir. • Çözeltiye alma & yaşlandırma ve doğrudan yaşlandırma ısıl işlemlerinin kaynaklı numunelerin akma mukavemetine ve sünekliğe etkisi aynı mertebelerdedir. Isıl işlemsiz numuneler ile kıyaslandığında farkın 5% den daha az olduğu görülmüştür. Ancak, çekme mukavemetleri karşılaştırıldğında neredeyse aynı sonuçlar görülmüştür ve ısıl işlemin belirgin bir etkisi tespit edilememiştir. • 2 mm kalınlığındaki saclardan elde edilen kaynaklı numunelerin çekme test sonuçları orijinal numuneler ile kıyaslandığında, aynı ısıl işlem koşullarındaki akma mukavemeti, çekme mukavemeti ve süneklik özellikleri arasındaki farkın göz ardı edilebilir olduğu belirlenmiştir. Çekme testi sonrası yapılan mikroyapı incelemelerinde deformasyonun kaynak dikişinden başlamadığı, ITAB ya da ana malzemeden başlamış olabileceği bu nedenle orijinal numuneler ile kaynaklı numunelerin benzer akma noktalarına sahip olacağı düşünülmektedir. • 3,2 mm kalınlığındaki saclardan elde edilen kaynaklı numunelerin çekme test sonuçları orijinal numuneler ile kıyaslandığında, aynı ısıl işlem koşulunda akma mukavametinin ve süneklik değerleri arasındaki farkın 10% dan fazla olduğu bununla birlikte çekme mukavemeti arasındaki farkın 5%'den düşük olduğu tespit edilmiştir. Çekme testi sonrası yapılan mikroyapı incelemelerinde deformasyonun ana malzemeden daha yumuşak olan kaynak dikişinden başladığı, ana malzeme ile kıyaslandığında kaynaklı numunelerde görülen akma noktasındaki 10% 'luk düşüşün bununla ilişkili olacağı düşünülmektedir. • Çekme testi sonrası 2 mm kalınlığındaki ısıl işlemsiz gruptan bir tane ve 3,2 mm kalınlığındaki çözeltiye alma & yaşlandırma ısıl işlemine tabi tutulmuş gruptan bir tane numunenin kaynak dikişinden koptuğu tespit edilmiştir. Kırılma yüzeyleri incelemeleri sonrasında Laves/matrix arayüzeyinde mikroboşlukların oluştuğu gözlemlenmiştir.