Kobalt esaslı hayness 25 süperalaşımı yüzeyinde oluşturulan bor ve alüminyum kaplamaların karakterizasyonu

Abstract

Kobalt (Co) esaslı süperalaşımlar, yüksek sıcaklıklara kadar mekanik özelliklerini sürdürmekle birlikte düşük yüzey sertlikleri dolayısıyla aşındırıcı ortamlardaki aşınma dirençleri tatmin edici değildir. Bu hususun geliştirilmesinde termokimyasal yüzey işlemlerinden yararlanılır. Bu işlemler vasıtasıyla kobalt esaslı süperalaşımların yüzey sertlikleri artırılarak aşınma, korozyon ve oksidasyon özellikleri iyileştirilebilir. Bu amaçla bu tez çalışmasında Co-esaslı Haynes 25 süperalaşımı üzerine uygulanan üç farklı termokimyasal kaplamanın (borlama, alüminyumlama ve boro alümünyumlama) karakteristik özellikleri ve bu alaşımın yüksek sıcaklık aşınma davranışlarına etkisi incelenmiştir. Kaplama işlemleri 950 °C’de 3 saat süre ile kontrollü atmosfer ortamında yapılmıştır. Karakterizasyon çalışmaları taramalı elektron mikroskobu (SEM), enerji dağılım spektroskopisi (EDS), X-ışınları (XRD) analizi, mikrosertlik ve yüksek sıcaklık aşınma testleri ile gerçekleştirilmiştir. Karakterizasyon çalışmaları sonucunda elde edilen borür, alüminde ve borür-alüminde kaplama tabakalarının kalınlık değerlerinin sırasıyla 140±1.50 µm, 37.58±2.85 µm, ve 14.73±1.71 µm, sertlik değerlerinin ise 12.23 ± 0.9 GPa, 26.34 ± 2.33 GPa, and 23.46 ± 1.29 GPa olduğu belirlenmiştir. Kaplama tabakalarının sertliği hem oda sıcaklığı hem de 500 °C’de aşınma hacim kayıplarında azalma sağlamıştır. En iyi aşınma direnci oda sıcaklığında yüksek sertliği dolayısıyla borlanmış numunede elde edilmiş iken 500 °C’deki en iyi aşınma direnci ise boroalüminit tabakasının içeriğindeki Al'nin oksidasyonu azaltma ve bor’un yağlayıcı etkisiyle boro alüminyumlanmış numunede elde edilmiştir. Bu durum borür tabakalarının içeriğinde bir miktar Al bulunmasının borür katmanların yüksek sıcaklık aşınma dirençlerini iyileştireceğini göstermektedir. Kaplanmış numuneler oda sıcaklığında abrasive aşınmaya maruz kalmış iken 500 °C’deki aşınma mekanizmasının oksidatif destekli adhesive aşınma mekanizmasına dönüşmüştür.

Cobalt (Co) based superalloys maintain their mechanical properties up to high temperatures; however, their low surface hardness leads to unsatisfactory wear resistance in abrasive environments. Thermo-chemical surface treatments are utilized to improve this aspect. Through these processes, the surface hardness of cobalt-based superalloys can be increased, enhancing their wear, corrosion, and oxidation characteristics. In this thesis, three different thermal chemical coatings (boronizing, aluminizing, and boron-aluminizing) applied on Co-based Haynes 25 superalloy are examined for their characteristic properties and their effects on high-temperature wear behavior. Coating processes were conducted at 950°C for 3 hours in a controlled atmosphere. Characterization studies were carried out using scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive spectroscopy (EDS), X ray diffraction (XRD) analysis, microhardness, and high-temperature wear tests. The thickness values of the obtained boride, aluminide, and boride-aluminide coating layers were determined as 140±1.50 µm, 37.58±2.85 µm and14.73±1.71 µm, respectively, with hardness values of 12.23±0.9 GPa, 26.34±2.33 GPa, and 23.46±1.29 GPa. The hardness of the coating layers resulted in reduced wear volume losses at both room temperature and 500°C. The best wear resistance at room temperature was achieved in the boronized sample due to its high hardness, while at 500°C, the best wear resistance was obtained in the boron-aluminized sample due to the reduction of aluminum oxidation within the boron-aluminide layer and the lubricating effect of boron. This indicates that the presence of some aluminum in the boride layers enhances their high-temperature wear resistance. While the coated samples experienced abrasive wear at room temperature, the wear mechanism at 500°C shifted to oxidative-assisted adhesive wear.