Ni-bazli süperalasimlarin çökelme sertlesmesi davranisinin thermo-calc simülasyonu ile incelenmesi

Abstract

Yeni nesil güç sistemlerinde artan performans gereksinimi üstün mekanik özelliklere sahip yenilikçi malzemelerin kullanımını gerektirmektedir. Gelişmiş enerji santrallerinde veya kara tabanlı gaz türbinlerinde, çalışma sıcaklığının arttırılması doğrudan verimliliğin artmasına neden olur ve bu nedenle işletme maliyetinde önemli tasarruf sağlar. Bu kapsamda, çok kristal Ni-bazlı süperalaşımlar, üst düzey yüksek sıcaklık dayanımı, korozyon-oksidasyon direnci ve yüksek sıcaklık sürünme direncinin bir kombinasyonunu gerektiren uygulamalar için tercih edilen malzemeler olmuştur. Geleneksel türbin parçaları (rotor, ayırıcı, kanatçıklar) gibi enerji uygulamalarında kullanılan Ni-esaslı süperalaşımların tasarımı ve geliştirilmesinde çeşitli alaşım bileşimlerinde çeşitli alaşım elementleri bulunmaktadır. Ni-bazlı süperalaşımlar çoğunlukla, Ni3Al bileşimine sahip ve YMK-L12 düzenli kristal yapıdaki γ' çökeltilerinin bir YMK γ (Ni) matrisine gömüldüğü iki fazlı bir γ/γ' mikro yapısı sergilemektedir. γ' çökeltileri, mukavemete önemli katkı sağlarken alaşımın fiziksel özellikleri ise, Al, Ti, Ta ve Nb gibi elementlerin bölümlenme (parçalanma) davranışları ile kontrol edilmektedir. Cr, Co, Mo ve W gibi γ (Ni) matrisi tercih eden diğer alaşım elementleri katı çözelti güçlendirmesi veya korozyon direnci ile kafes uyumsuzluğu gibi özellikleri iyileştirmek için ilave edilmektedir. Ayrıca tane büyüklüğünü kontrol etmek veya tane sınırlarını güçlendirmek için eser miktarda B ve C eklenebilmektedir. Bu çalışmada Mo ve Co (%2 ve 4 at.%) alaşım elementi ilavesinin üçlü Ni-11Al-9Cr süperalaşımlarının katılaşma davranışı (solvus, solidus ve likuidus sıcaklıkları), yoğunluk, dağılma davranışı (γ matrisinde veya γ' fazında bulunma) çökelti yarıçapı, çökelti hacim oranı ve çökelti boyut dağılımı üzerine etkisi, hesaplamalı malzeme bilimi ile ayrıntılı olarak incelenmiştir. Hesaplamalı malzeme mühendisliği tasarımı Thermo-Calc 2022a CALPHAD (Faz Diyagramlarının Hesaplanması) yaklaşımı kullanılarak ve faz diyagramları için TCNi11 termodinamik veri tabanı ile gerçekleştirilmiştir. Mo ilavesinin solvüs sıcaklığını arttırdığı, γ' çökelti boyutunu düşürdüğü ve çökeltilerin hacim oranını arttırdığı görülmüştür. Öte yandan Co ilavesi ile solvüs sıcaklığı az da olsa azalmış, çökelti boyutunda az bir azalma hacim oranında ciddi azalmalar meydana gelmiştir. Ayrıca Mo ve Co elementlerinin γ-Ni matris fazını tercih ettiği de görülmüştür.

The augmenting performance conditions of new generation power systems involve innovative materials with improved high-temperature mechanical properties. In advanced power plants or land-based gas turbines, increasing the service temperature results directly in enhanced efficiencies, and thus, provides important operational cost savings. Polycrystalline Ni-based superalloys are considered as strategic materials for applications requiring a best combination of strength, corrosion-oxidation resistance, melting point and creep resistance at high temperatures. The various alloying elements are present in the chemical compositions in order to design and develop Ni-based superalloys having specific properties for energy applications including steam turbines or traditional land-based gas turbines (rotor, spacers, airfoils, etc.). Ni-based superalloys commonly exhibit a two phase γ/γ' microstructure, in which ordered γ' precipitates, of Ni3Al composition and FCC-L12 crystal structure, are embedded in a FCC γ (Ni) matrix. The γ' precipitates provide significant contribution to the strength to and their physical characteristics can be controlled through partitioning behavior of elements such as Al, Ti, Ta and Nb. Other alloying elements that partition to the matrix, such as Cr, Co, Mo and W, can also be added for solid-solution strengthening or to improve properties such as corrosion resistance and lattice misfit. Moreover, B and C can be added trace amount in order to control grain size or strengthen the grain boundaries. In this study, the effect of alloying element, Mo and Co (2 and 4 at. %), additions on solidification behavior (solvus, solidus and liquidus temperatures), density, partitioning behavior (partition in either in γ matrix or γ' phase), precipitate radius, precipitate volume fraction and precipitate size distribution of Ni-11Al-9Cr superalloys is investigated in detail with computational materials science. Computational design was first performed using a CALPHAD (Calculation of Phase Diagrams) approach with Thermo-Calc 2022a and the TCNi11 thermodynamic database for phase diagrams. It was shown that Mo addition increased the solvus temperature, decreased the γ' precipitate radius and increased the volume fraction of γ' precipitates. On the other hand, Co addition slightly increased solvus temperature, slightly decreased precipitate radius and decreased the γ' volume fraction. In addition, Mo and Co atoms tended to occupy γ-Ni matrix phase.