Ni-Al-X (X = Nb ve Y) esaslı süperalaşımların mikroyapısal özelliklerinin ve oksidasyon davranışlarının incelenmesi

Nikel esaslı süperalaşımlar, yüksek korozyon-oksidasyon direnci, yüksek sürünme dayanımı ve üstün yüksek sıcaklık mekanik özelliklerinden ötürü yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılan önemli malzemelerdir. Bu üstün fiziksel ve mekanik özellikler, Ni esaslı süperalaşımları havacılık endüstrisi, termik santraller, nükleer enerji santralleri ve kimyasal tesisler gibi özel uygulamalar için cazip bir yüksek sıcaklık yapısal malzeme sınıfı haline getirmiştir. Nikel esaslı süperalaşımların olağanüstü fiziksel ve mekanik özellikleri, YMK yapıdaki γ-(Ni) matris içinde dağılmış L12 düzenindeki γ′-(Ni3Al) çökeltilerinden oluşan çift fazlı mikroyapılarından kaynaklanmaktadır. Hem γ-(Ni) matris fazı hem de γ′-(Ni3Al) çökeltileri, kübik kristal yapıya sahiptir ve aralarındaki küçük kafes uyumsuzluk parametresi, uyumlu γ/γ′ arayüzeylerinin oluşumuyla sonuçlanmaktadır. Bununla birlikte, Ni esaslı süperalaşımlarda γ′ çökeltileri, yüksek sıcaklıklarda uzun süreli yaşlandırma işlemlerinden sonra kaçınılmaz olarak irileşmektedir. γ′ çökeltilerinin ara yüzey enerjisi ile elastik enerji arasındaki dengeden kaynaklanan irileşme, γ matris fazı ile γ′ çökeltileri arasındaki uyumu ortadan kaldırmaktadır. γ′ çökeltilerinin irileşmesi sonucu, morfolojisindeki ve boyutlarındaki değişikliklerden dolayı bu malzemelerin yüksek sıcaklık mekanik özelliklerinin ve sürünme davranışının kötüleşebileceği bilinmektedir. Yüksek sıcaklıklarda, çökelme sertleşmesinden kaynaklanan yüksek mukavemet, irileşme davranışından dolayı azalmaktadır. Nikel esaslı süperalaşımlarda, γ′ çökeltilerinin irileşme davranışı ile ilgili çok az çalışma yapılmıştr. Nikel esaslı süperalaşımların, üstün mekanik özellikleri ve yüksek sürünme dayanımının yanında çalışma koşullarında yeterli oksidasyon direncine de sahip olması gerekmektedir. Yüksek sıcaklıklarda ve oksijen içeren atmosferlerdeki oksidasyon davranışı, bu malzemelerin çalışma ömrünü sınırlandırmaktadır. Nikel esaslı süperalaşımların termal döngü koşulları altındaki sürekli oksidasyonu, çatlak yayılmasını hızlandırmakta ve sonunda kırılmaya neden olmaktadır. Bu bakımdan, Ni esaslı süperalaşımlar, oksidatif bir ortama maruz kaldıklarında, yüzeylerinde yoğun, kompakt ve koruyucu oksit ürünlerinin oluşması gerekmektedir. Bu yüzden, yüksek sıcaklık mukavemeti, mikroyapısal kararlılık, oksidasyon direnci ve dökülebilirliğin en iyi kombinasyonunu sağlayan Ni esaslı bir süperalaşımın geliştirilmesi oldukça önemlidir. Yapılan literatür araştırmasında, mikroyapısal gelişim, irileşme kinetiği, mekanik özellikler ve Ni esaslı süperalaşımların oksidasyon direncini içeren kapsamlı çalışmalar bulunmamaktadır. Bu tez çalışmasında iki temel amaç hedeflenmiştir: (i) üçüncül alaşım elementi (X = Nb ve Y, n = 2 ve 4 at. %) ilavesinin Ni85Al15-nXn süperalaşımların yaşlandırma süresine bağlı olarak mikroyapısal gelişimi, irileşme kinetiği ve mikrosertliğe etkisinin incelenmesi, (ii) Ni85Al15-nXn süperalaşımların yüksek sıcaklık oksidasyon davranışlarının alaşım elementi ilavesi ve uygun ısıl işlem yöntemleri ile geliştirilmesidir. Bu amaçla Ni85Al15-nXn süperalaşımları üretilmiş ve çeşitli tekniklerle karakterize edilmiştir. Üçüncül alaşım elementi ilavesinin L12 düzenindeki γ′ çökeltilerinin mikroyapısına, irileşme kinetiğine, mikrosertlik değerlerine ve yüksek sıcaklık oksidasyon davranışına etkisi hem döküm hem de ısıl işlem görmüş numunelerde detaylı olarak incelenmiştir. Üçüncül alaşım elementinin cinsi ve miktarının uygun yaşlandırma koşulları ile birlikte incelenen özelliklere önemli etkisinin olduğu saptanmıştır. Üretilen süperalaşımların mekanik özellikleri, YMK yapıya sahip γ (Ni) matris içinde dağılmış L12 düzenindeki γ′ (Ni3Al) çökeltilerinin boyut ve boyut dağılımı, hacim oranı, şekli ve yönelimi ve γ (Ni) matris fazının kanal genişliğine bağlı olduğu gösterilmiştir. Çevrimsel oksidasyon testleri ve test sonrası oluşan oksit tabakası yüzeysel ve kesit analizi yapılarak incelenmiştir. Bu analizlere göre, filmin dış tabakasında NiO oluştuğu, oksidasyon/metal arayüzeyine yakın iç oksidasyon bölgesinde Al2O3 oluştuğu tespit edilmiştir.