Production and characterisation of bond coat on nickel based superalloy

Gaz türbinleri, teknolojinin birçok alanında, enerji üretiminde kullanılmak üzere tasarlanmış ve enerji ihtiyacıyla doğru orantılı olarak gelişimleri devam etmiştir. Türbin içerisindeki çalışma ortam sıcaklığının günden güne artırılması ve aşındırıcı atmosfer, bu ortamda çalışabilecek, dayanıklı bıçak ve kaplamalara olan gereksinimini de artırmaktadır. Bu sebeple gaz türbinlerinde kaydedilecek yeni teknolojik gelişmeler, bu türbinlerin önemli parçaları olan bıçak, kanatçık (vane) gibi elemanlarında yapılacak olan gelişmelere birebir bağlıdır. Türbin motoru içerisine beslenen gaz, türbin disklerinin daha hızlı dönmesini dolayısıyla uçak üzerinde itme gücü (thrust) oluşmasını sağlar. Beslenen gaz sebebiyle türbin parçalarının yüksek sıcaklık (1090°C'yi aşan sıcaklıklar) ve basınca maruz kalır ve bu elemanlar üzerinde erozyon, oksidasyon, korozyon ve termal yorulma çatlakları gibi hasarlara yol açıp parçaların servis sürelerinin kısalmasına neden olur. Bu aşındırıcı etkilerden parçaları korumak için çevreye-dirençli kaplamalar (environment-resistant coating) ve termal bariyer kaplamalar kullanılır. Yüzey kaplamalarında üzerinde yapılan çalışmalar sonucu, yüksek oksidasyon direnci, nikel esaslı süper alaşımlara uygulandığında kararlı bir yapı sergilemesi ve diğer mekanik ve fiziksel özellikleri sebebiyle difüzyon alüminat (aluminides) kaplamalar en çok tercih edilen kaplama tipi olmuştur. Aluminat difüzyon kaplamaları, türbinin sıcak bölümlerinde kullanılan nikel esaslı olan bıçakların yüzeylerinde kullanılıp yüksek sıcaklıkta meydana gelen oksidasyon ve korozyona karşı bıçakları korurlar. Bu kaplamalar, yüksek sıcaklıklarda (900°C'nin üstünde) koruyucu ve yavaş yavaş büyüyen oksit (Al2O3) filmleri oluşturma özelliklerine sahiptirler. Bu sebeple Al2O3için bir bakıma rezervuar görevi üstlenirler. Süperalaşımlar üzerine uygulanan difüzyon aluminat kaplamaları, içe doğru (inward) ve dışa doğru (outward) difüzyon süreçleri sonucu oluşan mikroyapılara göre sınıflandırılmıştır. İçe doğru difüzyon, alüminyum aktivitesinin nikel aktivitesinden daha yüksek olduğu durumlarda meydana gelip alüminyum uygulandığı yüzeyden süperalaşımın içine doğru olan difüzyon hızı, nikelin süperalaşımdan kaplamaya doğru olan hızından daha yüksektir. Alüminyumun yüksek aktivitesi sonucu, en dış yüzeyde kırılgan yapıda δNi2Al3 oluşur. Aluminuymun yüksek difüzyonu sırasında bir kısım nikelde difüzyona uğrayarak δNi2Al3 hemen altında β-NiAl arametalik (intermetallic) fazı oluşur. Bu tür bir kaplama, hem kırılgan hem de düşük erime sıcaklığına sahip olup, kırılgan δNi2Al3 fazını daha az kırılgan yapıda olan ve alüminyum miktarınca zengin βNiAl (Al >50 at. %) fazına dönüştürmek için ek bir ısıl işleme ihtiyaç vardır. Dışa doğru difüzyon, alüminyum aktivitesinin nikel aktivitesinden düşük olduğu yüksek sıcaklık işlemlerinde (980-1090°C) gerçekleşir. İçe doğru difüzyonla oluşan kaplama ile karşılaştırıldığında, altlık bünyesinde bulunan refrakter elementler daha yavaş bir şekilde altlıktan kaplamaya doğru difüzyona uğrar ve burada oluşan NiAl fazı içerisinde alüminyum miktarı düşüktür (hypostoichiometry -Al <50 at. %). Bu sebeple daha sünek yapıda bir kaplama elde edilir. Bu kaplamanın tipik yapısı, dış kısımda NiAl fazı içeren bir kuşak (zone), altta ise refrakter metallerin (W, Mo, Ta gibi), nikelin oranının azalması nedeniyle oluşturduğu, karbürler ile σ-(Cr,Fe) fazı gibi kırılgan yapılar yer alır. Difüzyon alüminat kaplamaları geniş bir uygulama alanı yakalamasına rağmen, farklı türdeki türbin bıçağı çalışma koşullarına uyarlanamamaları, her türden bıçağın kompozisyonuna uygun olarak hazırlanabilecek yeni tip kaplamanın zorunluluğunu beraberinde getirmiştir. Elektron-ışın, elektrik-ark plazma metotlarının geliştirilmesi, farklı türdeki bıçaklar üzerine uygulanabilen ve örtü (overlay) tabakaların geliştirilmesini hızlandırmıştır. Difüzyon alüminat kaplamanın aksine örtü kaplama, kompozisyonunu, kalınlığını ve fiziksel-kimyasal- mekanik özelliklerini kontrol edebilen ve motor türlerine göre opsiyonları mevcuttur. Örtü kaplama, difüzyon kaplamanın modifiye edilmiş bir versiyonu olup, kaplama içerisinde bulunan yüksek alüminyum oranının kırılganlığı artırması sebebiyle, kaplama içerisinde ki alüminyum miktarının düşürülüp daha sünek bir yapıda kaplama oluşturulur. Örtü kaplama, önceden alaşımlandırıldığı için, altlıktan kendisine olacak difüzyona ihtiyaç duymayıp, içindeki alaşımlarla, hem mikroyapısı kontrol edilir hem de altlığa doğru olan difüzyonlarla, altlığa yapışmasını sağlanır. Termal bariyer kaplamanın (TBC) örtü kaplamaya daha iyi yapışması sağlayıp altlığı oksidasyon ve termal etkilere karşı daha iyi korumak maksadıyla örtü kaplama ve TBC arasına ince bir flaş kaplama (flash coat) uygulaması da yapılabilir. Örtü kaplamalar yüzeye termal kaplama yöntemleriyle; vakum plasma spray (VPS),düşük basınçlı plazma sprey (LPPS) ya da yüksek hızlı oksy-fuel (HVOF) yöntemleriyle uygulana gelmiştir. VPS ve LPPS yöntemiyle yüzeyde biriktirilen kaplamada bazı erimemiş tanecikler kalabilmektedir. Özellikle HVOF yöntemiyle yapılan kaplamada, önemli miktarda mikro boyutta porozite ve oksitlerin varlığı birbirine bağlı yollar oluşturmaktadır. Dolayısıyla, yüksek sıcaklık ve oksidasyon uygulamalarında yüksek oksitlenme hızı ve altlığın korozyona uğraması kaçınılmaz hale gelmektedir. Fakat soğuk püskürtme yöntemiyle (cold spray coating), gözenek ve oksit barındırmayan üstün oksidasyon direnci özelliğine sahip kaplamalar geliştirilmektedir. Soğuk püskürtme yöntemiyle, ince tanecikli yapıdaki tozlar 500-1000m/s, süpersonik inert gaz jetleriyle kaplama yapılacak yüzeye çarparak beslenir. Çarpma sırasında oluşan plastik deformasyon ile atlık ve kapla arasında yoğun ve güçlü bir bağ oluşturulur. Yukarıdaki bilgiler ışığında çalışma konusunun temel amacı, nikel esaslı süperalaşım malzemesi üzerinde soğuk püskürtme yöntemiyle aluminat kaplama oluşturmaktır. Hernekadar, güncel kaplamalar içinde bağ kaplama yönelimi örtü tipi kaplama olmasına rağmen, çalışma esnasında aluminat difüzyon kaplama incelenmiştir. Çalışma temel olarak, püskürtülen toz tipine göre, iki tip kaplamayı esas almıştır. İlk tip kaplamada sadece aluminyum altlık üzerine püskürtülmüş ve hazırlanan numuneler 500°C, 600°C, 700°C, 850°C ve 900°C'lerde 24 saat, 950°C, 1000°C ve 1050°C ise 1 saat olmak üzere atmosfer kontrolü olmayan fırında, havada, tavlanmıştır. Tavlanan numuneler, gerekli metalografik işlemlere tabi tutulduktan sonra X-ışını difraktometresi ile x-ışını desenleri elde edilmiştir. İkinci kaplamada ise altlık öncelikle Alüminyumla kaplanıp ardından üzerine Nikel püskürtülmüştür. Bu numuneler ise 850°C ve 900°C'lerde 24 saat, 950°C, 1000°C ve 1050°C ise 1 saat olmak üzere havada tavlanmıştır. Tavlana numunelere benzer şekilde uygun metalografik işlemlerden geçirilip X-ışını difraktometresi ile x-ışını desenleri elde edilmiştir. İlgili numune grupları, Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ve Enerji dağınımlı x-ışınları çözümleyicisi (EDS) incelemelerine tabi tutularak elde edilen x-ışını desenleri yorumlanmıştır. Buna göre 500°C ve 600°C'de 24 saat tavlanan numunelere beklendiği üzere, kaplama ile tabaka arasında dıştan içe doğru, Al3Ni, Al3Ni2 tabakaları oluşmuştur. 500°C'de tavlanan numunede alüminyumun tamamen tüketilmediği göze çarpmıştır, 600°C'de ise alüminyumun büyük bir kısmının, oluşan fazlar tarafından tüketildiği fark edilmiştir. Oluşan fazlar ve çalışılan sıcaklık, alüminyumun altlık içine doğru olan difüzyonuna kanıt niteliğindedir. 700°C, 850°C ve 900°C'de 24 saat tavlana numunelerde AlNi fazı kendini, kaplama içerisindeki yoğunluğunu artırarak göstermiştir. Bu sıcaklıklarda oluşturulan kaplamanın en temel özelliği ayırt edilir şekilde üç tabakadan oluşmasıdır. Kaplamanın dış yüzeyinden içe doğru, ilk kuşak Cr, Fe gibi refrakter elementlerinin çökeltilerini (α-Cr,Fe precipitates) içermekte olup matris AlNi yada Al3Ni2 fazlarından oluşmaktadır ve bu kuşak alüminyumun içe doğru difüzyonun (inward diffusion) en önemli kanıtıdır. Orta kuşakta ise yekpare AlNi fazı göze çarpmakta olup diğer refrakter elementler katı çözelti içerisinde çözünmüş durumdadır. Bu kuşağın oluşumunda hem alüminyumun içe doğru (inward) hem de Nikelin dışa doğru (outward) difüzyonu söz konusu olduğu için yekpare AlNi fazı elde edilmiştir. En alt kuşak ise Nikelin dışa doğru dizfuzyonu nedeniyle oluştuğu için nikelce fakirdir bu sebeple Nikel içerisinde daha fazla çözünemeyen refrakter elementler (Ti, Nb) karbür (MC, M23C6), diğer elementler ise σ-(Cr, Mo) fazını yaparak mekanik olarak zayıf bir katman oluştururlar. Bu üç kuşak, enerji dağınımlı x-ışınları çözümleyicisine (EDS) göre incelendiğinde şunlar elde edilmiştir. Alüminyumun aktivitesinin çok yüksek olması sebebiyle alüminyumun difuzyon hızı (DAl) Nikelin hızından (DNi) daha yüksektir. Bu sebeple atlık içine difüze olurken Cr, Fe gibi bazı elementlerin alfa fazı oluşturarak bu kısımda çökelmesine neden olur. Bunun sebebi ayrıca, Buradaki AlNi fazının alüminyum açısından doygunluk seviyesinde olması ve bu sebeple bu elementleri içinde çözememesidir. Ara kuşağın oluşumunda hem alüminyumun hem de nikelin difüzyonu bunu sağlamaktadır, bu sebeple iç kuşak (alt kuşak) nikelce fakir krom ve diğer elementlerce zengindir. Bu iç kuşakta da nikelin difüzyonu, kromun daha fazla nikel içinde çözünmemesine neden olur ve krom çökelir. Ayrıca bu kısımda, nikelin azalması sebebiyle biriken Titanyum, Niyobyum, Molibden gibi elementler karbür yaparak başka fazlara dönüşür. Bu karbürler ve sigma fazı alt kuşağı, çökelen refrakter elementeler ise üst kuşağı, mekanik olarak zayıf kırılgan yapıya büründürür. Bu tür kuşaklar ise kaplama içerisinde tercih edilmemektedirler. 950°C, 1000°C ve 1050°C ise 1 saat tavlanan numunelerde de kaplama kalınlığının değişmesi dışında, 900°C tavlanan numune ile benzer mikro yapı elde edilmiştir. Bu sıcaklıkların denenmesinin sebebi hem AlNi'yi daha kısa süre oluşturmak hem de mikro yapıda olması muhtemel değişimleri daha kısa sıcaklık aralıklarında gözlemleyip doğru çıkarımlar elde etmektir. Alüminyumla kaplanıp ardından üzerine Nikel püskürtülen ver 850°C, 900°C'lerde 24 saat, 950°C, 1000°C ve 1050°C ise 1 saat tavlanan numunelerde, alüminyumla altlık arasında, yukarıdaki numunelerde oluşan benzer üç kuşaklı yapı elde edilmiştir. Nikel ile alüminyum arasında aluminat fazlar oluşmasına rağmen bu iki oluşum arasında (Al-altlık ve Al-Ni) boşluklu ve mekanik olarak zayıf bir bölge meydana gelmiştir. Bunun sebebi, aktivitesi hayli yüksek olan alüminyumun altlık ve nikele doğru hızla giderek arada gerekli bağı oluşturamadan tükenmesi ve belirgin şekilde iki ayrı bölgenin oluşmasıdır. Bu sebeple alüminyum üzerine uygulanan nikel, mekanik özellik açısından uygun bir kaplama türü değildir. Çalışmanın son uygulaması olarak, kaplama içerisinde oluşan üç kuşaklı yapının sertliklerini belirmek amacıyla sertlik testi uygulanmıştır. Buna göre, üst ve alt kuşakların sertlikleri, içlerinde bulunan refrakter çökeltileri ve karbürler sebebiyle yüksek çıkmıştır.