Nial-34cr-x(fe, nb, ti) alaşımının elektrik akım destekli sinterleme (ecas) yöntemiyle üretimi ve karakterizasyonu

Abstract

NiAl, yüksek erime noktası, düşük yoğunluğu, yüksek elastik modülü ve 1300°C'ye kadar mükemmel oksidasyon direnci nedeniyle potansiyel bir yüksek sıcaklık malzemesidir. Ancak, düşük oda sıcaklığı sünekliği, zayıf kırılma tokluğu ve yetersiz yüksek sıcaklık dayanımı pratik kullanımını sınırlar. NiAl'in mekanik özelliklerini geliştirmek için, alaşımlama işlemi ya da daha sert bir faz ile birleştirme işlemi uygulanır. Geliştirilmiş mekanik özelliklere sahip olan NiAl bazlı alaşımları elde etmek için en umut verici yöntem, NiAl ve tercihen daha sünek başka bir faz ile oluşturulan ötetik yapılı kompozit yapıyı oluşturmak içinkontrollü katılaşmanın kullanılmasıdır. Son zamanlarda, yüksek sıcaklık yapısal uygulamaları için NiAl bazlı yönlü katılaşma ötektiklerinin geliştirilmesine ilgi artmıştır. NiAl üzerindeki çalışmalar, Cr, Mo, V ve Ta gibi refrakter metallerin eklenmesinin odayı ve yüksek sıcaklık tokluğunu iyileştirebileceğini ortaya koydu. NiAl ve NiAl-Cr ve NiAl-Cr (Mo) gibi refrakter metal fazlardan oluşan bir çok ötektik alaşım, tek fazlı NiAl ile karşılaştırıldığında hem geliştirilmiş tokluk hem de sürünme mukavemeti göstermiştir. Ergime yöntemi ile üretilen NiAl-34Cr ötektik alaşımları üzerine birçok çalışma yapılmıştır. Ancak açık literatürdebu ötektik alaşımın elektrik akımı destekli sinterleme ile sentezleme çalışmasına rastlanılmamıştır. Bu çalışmada NiAl-34Cr ötektik alaşımı, uygun stekiometride karıştırılmış elementel tozlardan elektrik akımı destekli sinterleme yöntemi ile başarıyla üretilmiştir. Daha sonra bu ötektik alaşıma (NiAl-34Cr-xM) 3 farklı oranda (x=at.%1, 3 ve 5) alaşım elementi (M=Fe, Ti, Nb) ilave edilerek alaşımlandırılmıştır. Üretilen numunelerin karakterizasyon işlemleri yapılmış ve alaşım elementlerinin ötektik alaşım üzerindeki etkisi incelenmiştir. Numunelerin üretiminde kullanılan elementel tozların özellikleri (toz şekli ve bileşimi) SEM-EDS analizi ile tespit edilmiştir. Elektrik akımı destekli sinterleme yöntemi ile üretilen numunelerin faz analizleri taramalı elektron mikroskobu (SEM-EDS) ve x-ışınları difraksiyon analizleri yardımıyla incelenmiştir. Ayrıca numunlerin karakterizasyonu için Archimed yoğunluk, sertlik, sıcak korozyon ve oksidasyon özellikleri tespit edilmiştir. Bu analizler yardımıyla Fe, Ti ve Nb alaşım elementlerinin ötektik alaşım üzerindeki etkisi incelenmiştir. Metalografik incelemelerda üretilan numunlerin ötektik reaksiyona uygun olarak cift fazlı yapıda olduğu gözlenmiş olup XRD analizi ile bu fazların NiAl ve αCr olduğu tespit edilmiştir. İlave edilen alaşım elementleri genel olarak korozyon ve oksidasyon dirençlerini 800-1000°C sıcaklık aralığında düşürdüğü gözlenmiştir.

NiAl is a potential high-temperature material due to its high melting point, low density, high elastic modulus and excellent oxidation resistance up to 1300°C. But, its low room-temperature ductility, poor fracture toughness and inadequate high-temperature strength limit its practical use. To improve the mechanical properties of NiAl, either alloying or combining process it with a tougher phase are applie. A promising method of obtaining NiAl-based alloys having improved mechanical properties is the use of controlled solidification of eutectic alloys, which would generate a composite structure formed by NiAl and another phase, preferably more ductile. Recently, there has been renewed interest in developing NiAl based directional solidification eutectics for high temperature structural applications. Studies on NiAl revealed that the addition of refractory metals like Cr, Mo, V and Ta, can improve the room and elevated temperature toughness. A number of eutectic alloys consisting of NiAl and refractory metal phases, such as NiAl–Cr and NiAl–Cr(Mo), showed both improved toughness and creep strength compared to single-phase NiAl. Many studies have been carried out on NiAl-34Cr eutectic alloys produced by melting processes, but no studies on the alloys of synthesized by electric current assisted sintering have been detected in the open literature. In this study, NiAl-34Cr eutectic alloy has been successfully produced by electric current assisted sintering method from elemental powders mixed in appropriate stockiometry. Then, this eutectic alloy (NiAl-34Cr-xM) was alloyed by adding 3 different ratios (x = at. 1, 3 and 5%) of the alloying element (M = Fe, Ti, Nb). The characterization of the produced samples was carried out and the effect of alloying elements on eutectic alloy was investigated. The properties of the raw powders (form and composition) were determined by SEM-EDS analysis. Phase analyzes of the samples produced by electric current assisted sintering method were examined by scanning electron microscopy (SEM-EDS) and x-ray diffraction analysis. In addition, Archimed's density, micro-hardness, hot corrosion and oxidation properties were investigated for characterization of the samples. The effects of Fe, Ti and Nb alloying elements on the eutectic alloy were determinedwith the help of these analyzes. It was observed that the produced samples were at the double phase structure in accordance with the eutectic reaction, and these phases were determined to be NiAl and αCr by XRD analysis. It has been observed that the alloying elements generally reduce their corrosion and oxidation resistance in the temperature range of 800-1000°C.