Nikel alüminyum bileşiklerinin mikroyapısını kontrol ederek mekanik özelliklerinin geliştirilmesi

Abstract

Nikel-Alüminyum bileşiği (NiAl) yüksek ergime sıcaklığı, yüksek ısıl iletkenliği ve oksitlenme direnci, düşük yoğunluk gibi cazip özelliklere sahip olmasına rağmen, düşük sıcaklıklardaki yetersiz süneklik ve tokluğu ve yüksek sıcaklıklardaki düşük dayanımı NiAl bileşiğinin yapısal malzeme olarak kullanımını sınırlamaktadır. Bundan dolayı, bu tezin amacı, alaşım elementleri ile NiAl bileşiğinin düşük ve yüksek sıcaklık mekanik özelliklerini ötektik yapı, katı eriyik çözeltisi ve ikincil fazlar (Heusler ve Laves fazları) oluşturarak iyileştirmek olarak belirlenmiştir. Ötektik yapı oluşturmak için Cr ve Mo, katı eriyik çözeltisi oluşturmak için demir (Fe), Heusler ve Laves fazlarını oluşturmak için titanyum (Ti) ve niyobyum (Nb) elementleri kullanılmıştır. Her bir alaşım elementi (Fe, Ti ve Nb) üç veya dört farklı oranda NiAl-28Cr(6Mo) ötektik alaşımına ilave edilerek etkileri araştırılmıştırAlaşımlar vakumlu ark ergitme yöntemiyle üretildikten sonra, mikroyapı incelemeleri taramalı elektron mikroskobuyla (SEM), fazların kimyasal analizleri enerji dağılım spektroskopisi (EDS) kullanılarak yapılmıştır. Alaşımların oda sıcaklığındaki sertlikleri mikro ve makro sertlik ölçüm yöntemleriyle tespit edilmiş ve yoğunlukları Arşimet prensibine göre ölçülmüştür. Alaşımların oda sıcaklığı ve 1000 °C'deki faz analizleri ve mekanik özellikleri sırasıyla X-Işınları kırınımı (XRD) metodu ve basma testleriyle belirlenmiştir. Yapılan incelemeler sonucunda NiAl-28Cr(6Mo) alaşımının hücresel ötektik yapıdan oluştuğu, alaşım elementleri ilave edildiğinde yapıda beklenen fazların oluştuğu (katı eriyik çözeltisi, Heusler ve Laves fazları gibi) taramalı elektron mikroskop görüntüleri, kimyasal analizler ve XRD grafiklerinden belirlenmiştir. Fe elementinin NiAl-28Cr(6Mo) alaşımının sertliğini kısmen düşürdüğü, Ti ve Nb elementlerinin ise sertliği artırdığı belirlenmiştir. En yüksek sertlik değeri Ti içeren alaşımlarda görülmüştür. Yoğunluk ölçümlerinden ise alaşım elementlerinin yoğunluğu artırdığı ve en yüksek yoğunluğu Nb içeren alaşımların sergilediği belirlenmiştir. Basma deney sonuçlarına göre NiAl bileşiği dışındaki tüm alaşımların oda ve yüksek sıcaklık süneklik, tokluk ve akma dayanımlarının oldukça yüksek olduğu belirlenmiştir. İncelenen tüm alaşımlar içerisinde, oda sıcaklığında ve 1000 °C'de en yüksek mekanik özelliklere, Ti içeren alaşımların sahip olduğu görülmüştür.

Although Nickel-Aluminium (NiAl) compound has attractive properties such as high melting temperature, high thermal conductivity and oxidation resistance, low density, etc., the disadvantages such as inadequate ductility and toughness at low temperatures and low strength at high temperatures limit its application as a structural material. Therefore, the aim of this thesis is to improve the low and high temperature mechanical properties of NiAl with alloying elements by forming eutectic structure, solid solution and secondary phases (Heusler and Laves phases). Cr and Mo are used to form eutectic structure, Fe is used to form solid solution, Ti and Nb are used to form Heusler and Laves phases respectively. Each alloying element (Fe, Ti and Nb) is introduced in three or four different ratios into NiAl-28Cr(6Mo) eutectic alloy and their effects are investigated. After processing the alloys by vacuum arc melting technique, the microstructure and chemical analyses of the phases are done by using scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive x-ray spectrum (EDS). The room temperature hardness of the alloys are determined by micro and macro hardness measurements and the densities of the alloys are measured according to the Archimedes principle. Phase analyses and mechanical properties of the alloys are respectively determined by x-ray diffraction spectrum and compression tests at room temperature and 1000 oC. After experimental investigations, it is determined that NiAl-28Cr(6Mo) alloy has cellular eutectic structure, expected phases (formation of solid solution, Heusler and Laves phases) formed in microstructure after addition of alloying elements from SEM images, chemical analyses and XRD graphics. It is seen that the Fe element decreases the hardness of NiAl-28Cr(6Mo) alloy slightly, while Ti and Nb increase the hardness. Among the alloys, the highest hardness is observed in Ti containing alloys. From density measurements, it is observed that alloying elements increase the density and the highest density is seen in Nb containing alloys. It is determined that all alloys except NiAl have very high ductility, toughness and yield strength at room temperature and 1000 oC. It is seen that Ti containing alloys have the highest room and high temperature mechanical properties among the alloys were studied.