The study of heat treatment process parameters in Ni-based single crystal CMSX-4 superalloys

Abstract

Tek kristal (SX) süperalaşımlar havacılıkta kullanılan türbinli motorların parçalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Genellikle, CMSX-4 alaşımları, yüksek sıcaklıkta gösterdikleri mekanik özellikleri ve iyi ısıl oksitlenme direnci nedeniyle turbofan motor kanatlarında en yaygın kullanılan SX alaşımlardır.Bu alaşımlarda düşük difüzyon hızlarına sahip çeşitli refrakter ve nadir toprak elementleri; daha iyi mekanik özellik, korozyon direnci ve sürünme özelliklerini geliştirmek amacıyla alaşım elementi olarak kullanılırlar. Bu nedenle, bu alaşımların ısıl işlem prosedürleri daha karmaşık olup, diğer yüksek sıcaklık alaşımlara uygulanan ısıl işlem proseslerine göre daha uzun sürmektedir.Bu tez çalışmasında, CMSX-4 yüksek sıcaklık süperalaşımların ısıl işlem proses parametreleri uygun ısıl işlem sıcaklık aralığı göz önüne alınarak çeşitli prosesler uygulanarak, mikro-yapısal analiz ve mekanik testlerle belirlenmiştir. Bu çalışmada, CMSX-4 süperalaşımına iki farklı ısıl işlem prosesi uygulanmıştır ve bu ısıl işlemlerin numune üzerinde gösterdiği morfolojik ve mekanik etkileri belirlenmiştir. Uygulanan standart ısıl işlem sonrası ötektik bölgelerin tamamen çözündüğü tespit edilmiş olup, uyarlanan ısıl işlem sonrasında ötektik fazların varlığı gözlenmiştir. Bu ısıl işlemler sonrasında γ ve γ' çözeltilerinin uygun boyutta dağılım gösterdiği belirlenmiştir. Yapılan mekanik testler sonucunda, oda sıcaklığı için uyarlanmış ısıl işlem uygulanmış malzemenin daha iyi dayanım gösterdiği belirlenmiştir. 982 °C sıcaklıkta yapılan testlerde numuneler, 1038 °C'de yapılan testlere nazaran daha düşük uzama göstermesine karşılık, daha yüksek dayanım gösterdiği belirlenmiştir. Gerilim-kopma test sonuçlarında standart ısıl işlem uygulanmış numunelerden daha iyi dayanım verileri elde edilmiştir.Sertlik deneyleri sonucunda, iki ısıl işlem uygulanmış numuneler arasında önemli bir farklılık gözlenmemiştir fakat standart ısıl işlem uygulanmış numunelerde daha iyi bir sertlik verileri elde edilmiştir. Uyarlanmış ısıl işlem sonrası yapıda bulunan ötektik bölgelerden alınan sonuçlar ile döküm hali numunelerinin ötektik bölgelerinden alınan sertlik değerleri arasında önemli bir farklılık gözlenmemiştir.

Single crystal (SX) superalloys are widely used in the core engine parts of aircraft turbofan engines. Generically, CMSX-4 alloys are the most common SX alloys used in these turbofan engine blades due to their high temperature mechanical properties and thermal oxidation resistance.In these alloys, various refractory and rare earth elements which have low diffusion rates are used as an alloying element to enhance mechanical properties, corrosion resistance and creep properties. Hence, heat treatment processes are more complex and take more time than the usual heat treatment processes for other high-temperature alloys.In this thesis, the heat treatment process parameters for CMSX-4 high-temperature superalloys are subsequently determined by several processes, microstructural analysis, and mechanical tests. Two heat treatment processes are performed to observe the effects of eutectic regions in CMSX-4 superalloys. The eutectic regions are completely dissolved after the standard heat treatment (SHT) process, while these eutectic regions remain as undissolved after the modified heat treatment (MHT) process. The morphological and mechanical properties of CMSX-4 are determined for each heat treatment process applied to the specimens. SHT process, it is determined that the eutectic regions are completely dissolved after SHT process while undissolved γ/γ' eutectics are observed in MHT specimens. After the heat treatment processes, γ and γ' precipitates are distributed at the appropriate size.After mechanical tests, it is determined that the MHT specimens show higher resistance at room temperature. The tests at 982°C showed higher strength compared to the tests applied at 1038 °C. No significant difference is observed in terms of yield strengths of both heat-treated specimens at 982 °C. In comparison to the tensile test results, SHT specimens show higher strength in stress rupture tests than the MHT specimens. No significant difference is observed on hardness of specimens and the eutectic regions.