Design and development of high temperature nickel-based superalloys

Abstract

Yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılan nikel esaslı süper alaşımların dikkat çekici mekanik özellikleri, alaşım elementlerinin mikroyapı içinde yer alan L12-tipi düzenli γ'-Ni3Al intermetaliklerinde yerleştiği kafes-altı pozisyonlar ile ilişkilidir. Dolayısıyla, bu tezde, X alaşım elementlerinin (X = Co, Cr, Hf, Mo, Nb, Pt, Re, Ru, Ta ve W) Ni75Al21.875X3.125 alaşım sistemlerindeki kafes-altı pozisyonlara yerleşim tercihleri, istatistik-termodinamik teori ve alaşımların elektronik teorisinin pseudopotansiyel yaklaşımı ile birleştirilmesiyle incelenmiştir. Mevcut simülasyonlara göre, X alaşım element atomlarının tümü (Pt hariç) Ni3Al intermetaliklerinin Al pozisyonlarına yerleşme eğilimi gösterirken, Pt atomları Ni pozisyonlarını doldurmayı tercih etmektedir. Ancak, diğer elementlerden farklı olarak, Re atomlarının kafes-altı pozisyonlara yerleşme eğilimi hem alaşım kompozisyonuna hem de sıcaklığa bağlı görünmektedir. Re atomlarının kritik sıcaklıkların üzerinde hem Al'a hem de Ni'e yönelmesi Ni3Al fazının lokalize bir şekilde doygunluğa ulaşmasına ve topolojik açıdan yakın paketlenmiş (TCP) fazların çökmesine neden olabilir. Bu sonuçları doğrulamak için, yukarıda bahsedilen X alaşım elementlerinin Ni3Al fazı içindeki kafes-altı pozisyonlara yerleşme eğilimleri `first-principles ab initio` hesaplamaları ile 0 Kelvin'de araştırılmış ve sonuçların çoğunlukla tutarlılık gösterdiği görülmüştür. Ayrıca, `charge density difference (CDD)`, `electron localization function (ELF)` ve `density of states (DOS)` gibi bazı metodlar kullanılarak, X alaşım elementlerinin Ni3Al-X fazlarındaki bağ yapma özellikleri simüle edilmiştir.Nikel esaslı süper alaşımların gelişmiş mekanik özellikleri, bu malzemelerin mikroyapısal özelliklerine (γ' çökeltilerinin hacimce fraksiyonuna, boyut & boyut dağılımına, oryantasyonuna ve şekline) bağlıdır. Bu amaçla, Ni80Al15X5 alaşım sistemleri (X = Al, Co, Cr, Hf, Mo, Nb, Ta, Ti ve W) üretilmiş ve çeşitli tekniklerle karakterize edilmiştir. Tüm teorik ve deneysel verilerin ışığında, nikel esaslı süper alaşımlar için daha iyi mikro-sertlik değerlerinin yüksek örgü parametre sabiti ve yüksek hacim fraksiyonuna sahip, düşük boyuttaki Ni3Al çökeltilerine ve dolayısıyla optimum δ parametresine neden olan uygun alaşım elementi ilaveleri ve ısıl işlem prosedürleri ile elde edilebileceği sonucuna varılmıştır. Anahtar Sözcükler: Nikel Alüminidler, Pozisyon Tercihi, Kısa Mesafeli Atomik Düzen Özellikleri, `First-principles Ab Initio` Hesaplamaları, Mikroyapı Gelişimi

Remarkable high temperature mechanical properties of nickel-based superalloys are related with the arrangement of ternary alloying elements in L12-type ordered γ'-Ni3Al intermetallics. Therefore, in this thesis, high temperature site occupancy preference and energetic-structural characteristics of atomic short range ordering of ternary alloying X elements (X = Co, Cr, Hf, Mo, Nb, Pt, Re, Ru, Ta and W, respectively) in Ni75Al21.875X3.125 alloy systems have been studied by combining the statistico-thermodynamical theory of ordering and electronic theory of alloys in the pseudopotential approximation. Simulations have shown that, all ternary alloying element atoms (except Pt) tend to occupy Al sublattice sites of Ni3Al intermetallics, whereas Pt atoms prefer to substitute for Ni sublattice sites. However, in contrast to other X elements, sublattice site occupancy characteristics of Re atoms seem to be both composition and temperature dependent. Distribution of Re atoms at both Al and Ni sublattice sites above critical temperatures, Tc, may lead to localized supersaturation of the parent Ni3Al phase and makes possible formation of topologically close-packed (TCP) phases. In order to validate these results, site occupancy tendencies of afore mentioned alloying X elements have also been determined by performing first-principles ab initio calculations at 0 Kelvin and similar results have been obtained. Furthermore, by making use of charge density difference (CDD), electron localization function (ELF) and density of states (DOS) methods, the effects of alloying X elements on the bonding nature of Ni3Al-X phases have been simulated. Superior mechanical properties of nickel-based superalloys strongly depend on microstructural characteristics of these materials (i.e. γ' volume fraction, size & size distribution, orientation and shape). For this purpose, Ni80Al15X5 alloy systems (X = Al, Co, Cr, Hf, Mo, Nb, Ta, Ti and W, respectively) have been produced and characterized by various techniques. In the light of all theoretical and experimental data, it has been concluded that better micro-hardness properties of nickel-based superalloys can be obtained by appropriate alloying element additions and heat treatment procedures which lead to γ' precipitates having higher lattice parameter, higher volume fraction, smaller size and correspondingly optimum δ parameter.Keywords: Ni3Al Intermetallics, Site Preference, Atomic Short Range Ordering Characteristics, First-principles Ab Initio Calculations, Microstructural Evolution