Search

In this study, densification of TiB2 with the addition of 316L grade stainless steel powder by using the vacuum arc melting (VAM) process was investigated. 316L and TiB2 powders were mixed in predetermined amounts and pressed to form pellet shaped samples which were later heated in the VAM. Microstructures of the samples were examined by SEM and an optical microscope. It was observed that TiB2 grains in the samples were wetted by the molten stainless steel phase. Furthermore, it was noted that the sample composition and arc current in the VAM affected the densification behavior of the samples. This kind of a material processing technique can be used to build up a composite layer over different substrates as well as over selected surfaces of machine parts.

Hava ve uzay araçlarıyla ilgili konular ülkemizde önem kazanan araştırma ve geliştirme alanlarıdır. Hava ve uzay araçlarında kullanılacak malzemelerin seçimi, üretimi ve ömürlerinin uzatılması, çalışılabilecek araştırma konularındandır.Havacılıkta verimin artırılması, yakıt tasarrufu nedenleriyle, mekanik dayanımına rağmen metalik malzeme kullanımı sınırlı kalmış, hafif kompozitlerin kullanımı artmıştır. Fakat motor gibi yüksek sıcaklık sistemlerinde yüksek ergime sıcaklıklı metal alaşımlarından vazgeçilememektedir. Hava aracı tasarımında yüksek sıcaklık korozyonu hızlı ilerleyen bir tehdittir. Gaz türbinleri, sıcak akışkan taşıyan boru hatlarında sık görülen bu durum; bakım- onarım sıklığını arttırarak, parça değiştirerek veya parçayı alaşımlandırıp korozyona dayanıklı hale getirerek önlenebilmektedir.Günümüzde enerji ve havacılık alanlarında kullanılan Nikel süper alaşımları yaklaşık 1200oC sıcaklıkta çalışma sınırına gelmiş ve mevcut alaşımları geliştirme gereksinimi artmıştır. Ergime sıcaklıklarının 2000oC'nin üzerinde olması nedeniyle refrakter metaller gelecek nesil yüksek sıcaklık alaşım malzemeleri olarak düşünülmektedir. Fakat bunlar, hava ortamında koruyucu oksit tabakası oluşturamazlar. Korozyon dirençlerini artırmak amacıyla üzerlerine yüksek sıcaklığa da dayanan kaplamalar yapılması gerekmektedir.Tezin amacı, havacılıkta kullanılan sistem ve taşıtların metalik parçalarının yüksek sıcaklıktaki hava gibi oksitleyici ortamlarda oksidasyon hasarını geciktirecek, ömrünü artıracak kaplamaların üretilmesidir. Bu çalışmada; yüksek sıcaklık oksidasyonuna dayanımı bilinen alaşımların, metal yüzeyine kaplanma yöntemleri araştırılmıştır. Niyobyum refrakter metali üzerine sementasyon yöntemiyle, belirlenen kompozisyonlarda kaplamalar yapılmış, kısa ve uzun süreli oksidasyon testleri uygulanmıştır. Geliştirilen kaplamalar karakterizasyon cihazlarıyla incelenmiştir. Tüm kaplamalarda niyobyum alüminat fazı ve ortak biriktirmeli kaplamalarda, niyobyum silikat meydana gelmiştir. Elde edilen tüm kaplama bileşimleri, niyobyumun oksidasyon direncini arttırmıştır. The subjects related to air and space vehicles are important research and development areas in our country. Selection of materials to be used in air and space vehicles, production and extension of their life, are among the research topics that can be studied.Despite the mechanical strength, the use of metallic materials was limited and the use of light composites increased due to the efficiency and fuel saving in aviation. However, in high temperature systems such as motors, metal alloys with high melting temperatures are indispensable. In aircraft design, high temperature corrosion is a rapidly progressive threat. This is seen in gas turbines and pipelines carrying hot fluids; It can be prevented by increasing the frequency of maintenance and repair, changing parts or alloying the part and making it resistant to corrosion.Nickel superalloys used in energy and aerospace fields have reached working limit at 1200oC and the need to develop alloys has increased. Due to the melting temperature above 2000°C, refractory metals are considered to be the next generation of high temperature alloy materials. However, they cannot form a protective oxide layer in the air. In order to increase the corrosion resistance, high temperature coatings should be applied on them.The aim of the thesis; is the production of coatings which will delay the oxidation damage and increase the life of the metallic parts of the systems and vehicles used in aviation in oxidizing environments such as high temperature air. In this study; the methods of coating high temperature oxidation resistant alloys on metal surface were investigated. Coatings were made in the specified compositions on niobium refractory metal by cementation method and short - long term oxidation tests were applied. The developed coatings were examined with characterization devices. In all coatings, niobium aluminate phase and in co-deposited coatings, niobium silicate phase was formed. All the coating compositions obtained increased the oxidation resistance of niobium. 100

Otomotiv endüstrisi başta olmak üzere farklı endüstriler için üretilen parçaların hafifliği ve korozyon dayanımı gün geçtikçe önem kazanmaktadır. Aluminyum parçaların hafif, korozyon dayanımı yüksek ve farklı imalat yöntemleri ile üretilebilirliği nedeniyle üretimi gün geçtikçe artmaktadır. Bununla beraber sıvı aluminyumun korozif yapısı nedeniyle imalat sürecinde sıvı aluminyuma maruz kalan ekipmanların dayanımını azalmaktadır. Bu çalışmada sıvı ENAC-47000 serisi alaşım kullanılan sıvı aluminyum banyosunda, yüzey işlemi yapılmamış ve farklı seviyelerde borlama yapılmış 11SMnPb30+C alaşımlı çeliğin korozyon davranışları incelenmiştir. Gerçekleştirilen çalışmalar neticesinde ağırlık değişimi belirlenerek malzemedeki korozyon davranışı gözlemlenmiş, optik mikroskop, sertlik analizi, SEM ve EDS analizi ile elde edilen sonuçlar literatür bilgileri ışığında değerlendirilmiştir. The lightness and corrosion resistance of the parts produced for different industries, especially the automotive industry is becoming more and more significant day by day. The production of aluminum parts is increasing due to their lightness, high corrosion resistance and availability in different production methods. Besides, due to the corrosive nature of the liquid aluminum, it reduces the resistance of the equipment exposed to liquid aluminum during the manufacturing process. In this study, corrosion behavior of 11SMnPb30 + C alloy steel which is not surface treated and boronized at different levels was investigated in liquid aluminum, using liquid ENAC-47000 series alloy. As a result of the studies carried out, weight change was determined and the corrosion behavior of the material was observed. The results obtained by optical microscope, hardness analysis, SEM and EDS analysis were evaluated by considering the literature. 54

Yüksek ergime sıcaklığından dolayı, niyobyum (Nb) ve Nb bazlı alaşımlar geleneksel nikel bazlı süper alaşımların şu anki limitlerinden daha yüksek sıcaklıklardaki kullanım için umut vaat eden refrakter malzemelerdendir. Ancak, yüksek sıcaklık oksidasyonuna zayıf dirençlerinden dolayı Nb bazlı refrakter malzemelerin kullanımı için oksidasyon direncinde belirgin bir iyileştirme gerekir. Nb'u diğer alaşım elementleri ile alaşımlamak mekanik özelliklerini ve oksidasyon direncini bir dereceye kadar iyileştirir. Farklı yöntemlerden yararlanarak yoğun bir Al2O3 (alüminyum oksit) tabakası içeren alüminyum (Al) bazlı bir kaplama oluşturarak oksidasyon direncindeki bir iyileştirme Nb bazlı refrakter malzemelerin geliştirilmesi için olası bir yol olarak gözükmektedir.Bu çalışmada, Nb baz metal üzerinde oksidasyona dayanıklı bir kaplama oluşturmak için halojen ile aktive edilmiş kutu sementasyonu (HAPC) ve ardından plazma elektrolitik oksidasyonu (PEO) kombine edilmiştir. Sementasyon tabakasının anodik oksidasyonuyla yüzeyde oluşan olası amorf ya da çeşitli kristal yapılardaki Al2O3 fazları daha sonra 1000oC'de (santigrat derece) 2 saat argon gazı altında tavlanarak oksidasyona dayanıklı α-Al2O3 (korundum) fazına çevrilmiştir.Kombinasyonların performansını karşılaştırmak için tüm numuneler 4 saat süre ile 800, 900, 1000 ve 1100oC'de 4 saat süre ile havada oksitlenmişlerdir. Kaplamaların içyapı, morfoloji ve özelliklerini incelemek için stereo ve taramalı elektron mikroskopları (SEM) ve x-ışınları difraktometresi (XRD) kullanılmıştır. Niobium and niobium-based alloys are candidate refractory materials for use at temperatures higher than those currently used by conventional nickel-based super alloys because niobium has a very high melting point. However, due to the weak resistance of niobium to high temperature oxidation, its oxidation resistance has to be increased. Alloying of niobium with other elements improves its high temperature strength, fracture toughness and oxidation resistance to some extent. Its seems that forming an Al-based coating at the surface is the preferable way for the development of niobium-based refractory materials. In the current study, halide activated pack cementation and plasma electrolytic oxidation methods were used together to form an oxidation-resistant coating on the niobium base metal. First, amorphous Al2O3 (aluminium oxide) was formed by anodic oxidation of the cementation layer, then annealing in argon gas at 1000oC (celsius degree) for 2 hours was conducted in order to increase the oxidation resistance of α-Al2O3 ( corundum) layer. The coated and treated samples were oxidized in air at 800oC, 900oC, 1000oC and 1100oC for 4 hours to compare the oxidation behavior of the samples. Stereo microscopy, scanning electron microscopy and X-ray diffractometry were used to study the microstructure, morphology and properties of the coatings. 123

Sivil hava taşıtlarında, gaz türbinlerinde, sıcak gaz ve boru taşıyan boru hatlarında, elektrik enerjisi üretim sistemlerinde ve savunma amaçlı taşıtlarda kullanılan yüksek mukavemete ve oksitlenme direncine sahip Nikel ve Kobalt esaslı süper-alaşımlar, kullanım sıcaklık sınırlarına ulaşmışlardır. Şu an çalışılan sıcaklıklardan daha yüksek sıcaklıklarda çalışabilecek ve hem mekanik özellikleri hem de oksitlenme dirençleri artırılmış Niyobyum ve Molibden esaslı malzemelerine gerek duyulmaktadır. Bu konudaki mühendislik çalışmaları 60' lı yıllarda başlamış olmasına rağmen, bu tür malzemeler henüz istenen özelliklerde değillerdir. Bu tez kapsamında niyobyum ve molibden metallerinin yüksek sıcaklık oksitlenme dirençlerinin artırılması çalışılmıştır. Yöntem olarak kutu sementasyon seçilmiş, malzeme yüzeylerine alüminyum, silisyum, bor ve krom elementleri, biriktirme ve ortak biriktirmeli olarak yapılan kaplamaların, karakterizasyonu ve oksitlenme davranışları incelenmiştir. Nickel and Cobalt-based superalloys which have high strength and oxidation resistance are getting closer to their usable limits in applications such as civil and military transportation, electrical power generation and transportation of hot gases. Thus, materials with better properties are currently being sought. In this Thesis, high temperature oxidation resistance of Niobium (Nb) and Molibdenum (Mo) metals which have high melting temperatures were investigated. For the experimental studies the `pack-cementation` method was chosen. Al, Si, B and Cr elements were deposited over the Nb and Mo substrates either as a single element or a couple of two different elements. Results of the pack-cementation and the oxidation experiments were investigated. 98

Havacılık ve uzay taşıtlarında, enerji dönüşüm sistemlerinde günümüzde kullanılmakta olan Nikel (Ni) ve Cobalt (Co) esaslı süper alaşımların kullanım sıcaklıkları limitlerine yaklaşmışlardır. Termodinamik açıdan incelendiğinde ısı enerjisinin işe dönüştürülmesinde, artan sıcaklıkla birlikte verimin ve performansın artacağı açıktır. Bu yüzden hem mekanik açıdan yüksek mukavemetlere sahip hem de yüksek sıcaklıklarda oksitlenme dirençleri arttırılmış malzemelere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalışmada, yüksek sıcaklıktaki hava ortamında oksitlenme dirençleri düşük olan Niyobyum (Nb) ve Molibden (Mo) gibi refrakter metallerin, bu tür dirençlerini artırma amacıyla, yüzeylerine uygulanan, silisyum ve alüminyum içerikli kaplamalar incelenmiştir. Benzer türdeki kaplamalar, oksitlenme direnci düşük bir karbon çeliğine de (AISI 1040) uygulanmıştır. Kutu sementasyon yöntemiyle yapılan kaplamaların içyapıları ve oksitlenme davranışları bu tez kapsamında irdelenmiştir. The nickel and cobalt-based super-alloys which are favored in applications related to space/aviation systems as well as the energy conversion systems are very close to their high-temperature limits. From the thermodynamic point of view, increases in temperature results in higher efficiencies for combustion systems. Thus, materials which are resistant to high temperatures with respect to strength as well as to oxidation are required.In this study, application of silicon and aluminum-containing coatings to refractory metals such as niobium and molibdenum, which have low oxidation resistance, are investigated. Similar type of coatings are also applied to a carbon steel (AISI 1040) samples. Internal structures as well as the oxidation behaviours of the coatings, produced by the pack-cementation technique, are discussed in this Thesis work. 93

Endüstriyel uygulamalar, enerji üretimi ve taşımacılık alanlarında kullanılan günümüz Nikel ve Kobalt-esaslı süperalaşımları kullanım sıcaklık sınırlarına(~1200 Santigrat derece) yaklaşmıştır. Bu sebeple, hem korozif ortamlarda hem de yüksek sıcaklıkta kullanılabilecek yeni metalik yapısal malzemeler aranmaktadır. 2000 Santigrat derecenin üzerinde ergime sıcaklıklarına sahip olmaları nedeniyle refrakter metaller gelecek nesil yüksek sıcaklık alaşımları için istenilen malzemeler olarak düşünülmektedir. Fakat hava gibi ortamlarda, refrakter metaller ve alaşımları koruyucu oksit tabakaları oluşturamazlar. Bu çalışmanın amacı, 1000 Santigrat derece üzerindeki sıcaklıklarda havada oksitlenmeye dayanıklı refrakter metal esaslı malzemelerin üretimi ve karakterizasyonudur.Bu çalışmada, katı ve toz hammaddeler kullanılarak, Vakum Ark Ergitme (VAM) metodu ile ikili ve üçlü Niyobyum alaşımları üretilmiştir. Tozlar ile üretilen alaşımlar ?döküldüğü? durumlarında bile daha iyi homojenliğe sahiptir. Krom (Cr), Mo ve Ti gibi alaşım elementlerinin mikroyapıya ve oksitlenme davranışına etkileri taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve X-ışınları difraksiyonu (XRD) ile gerçekleştirilen geniş çaplı karakterizasyon çalışmaları yoluyla incelenmiştir. Üretilen alaşımların oksitlenme dirençleri alaşımların çok-fazlı yapılarına bağlıdır. Yüksek sıcaklıklarda uzun süre kullanılabilmeleri için alaşımların çeşitli şekillerde kaplamalara ihtiyaçları vardır. Yüzey modifikasyon yöntemi olarak borlama saf Nb ve Mo refrakter metallerine uygulanmıştır ve oksitlenme dirençlerini arttırdığı görülmüştür. Isıl işlemin alaşım kompozisyonu üzerindeki etkisi ve oksitlenmeye dirençli kaplamaların geliştirilmesi gelecekte yapılması düşünülen çalışmalardır. Operating temperatures of the current Nickel and Cobalt-base superalloys used in industrial applications, energy production and transportation are getting closer to their limits (~1200 degree Celcius). Thus, there is a search for new metallic structural materials that can be utilized in high temperature as well as corrosive environments. Because of their melting temperatures above 2000 degree Celcius, refractory metals can be considered as candidate materials for the next generation high temperature alloys. However, in environments such as air, refractory metals and their alloys cannot develop protective oxide layers. The objective of this study has been the production and characterization of refractory metal-based materials that are resistant to air oxidation at temperatures above 1000 degree Celcius.In this study, production of binary and ternary Niobium alloys by the Vacuum Arc Melting (VAM) method was made by using both bulk and powder raw materials. Alloys produced from powders had better homogeneity even in ?as-cast? condition. Effects of alloying elements like Cr, Mo and Ti on alloy microstructure and oxidation behavior were investigated through extensive characterization studies conducted by scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD). Oxidation resistances of the produced alloys were moderate and depended on the multi-phase structures of the alloys. For long-term use at high temperatures alloys will require some form of coatings. Boronizing, as a method of surface modification was applied to pure refractory metals Nb and Mo and found to increase their oxidation resistance. As future work on this Thesis work, investigation of the effect of heat-treatment on alloy microstructure and development of oxidation-resistant coatings are considered. 114

Bu çalışmada, bor içerikli üç bileşiğin (titanyum diborür, zirkonyum diborür ve bor karbür) yüksek sıcaklık oksidasyon davranışları incelenmiştir. Oksidasyon çalışmaları 300 ve 1200 Celcius derece arasındaki sıcaklıklarda çoğunlukla hava ortamında yapılmıştır. Bunlara ek olarak, bor içerikli malzemelerin iki uygulaması da incelenmiştir.Titanyum diborür ve zirkonyum diborür numunelerinin yüzeylerinde yüksek sıcaklıklarda, titanyum dioksit ve zirkonyum dioksit koruyucu katı oksitlerin oluştuğu gözlenmiştir. Bu iki borürün ağırlık artışları, sıcaklığa ve oksidasyon zamanına göre değişmiştir. Bor karbür katı oksidasyon ürünü oluşturamadığından, bu bileşiğin yüksek sıcaklık oksidasyon davranışı, bu çalışmadaki deney sıcaklıklarında ergiyen sıvı bor oksit fazının oluşumu ve buharlaşması ile kontrol edilmiştir. Oksitlenmiş borür tozlarının topaklaşması ve bor karbür numunelerinin hava su buharı ortamlarında uzun süren oksidasyon deneylerinden sonra ki ağırlık azalmaları, bu sıvı fazın varlığını işaret etmektedir. Oluşan katı, sıvı ve gaz oksidasyon ürünleri de, borürlerin oksidasyonunun kinetiğini etkilemiştir.Bor içerikli malzemelerin bir uygulaması olarak, vakum ark ergitme metodu kullanarak titanyum diborür bazlı kompozit malzeme üretimi çalışılmıştır. Deneyler, bu metodu kullanarak kütlesel ürünlerin üretiminin zor olduğunu göstermiştir. Bununla beraber, bu proses malzeme yüzeylerini iyileştirmek için kullanılabilir. Diğer bir uygulamada, termokimyasal olarak oluşturulan demir borür tabakasının, 800 Celcius derecede camsı fazlar da içeren oksidasyon ürünleri oluşturarak çelik altlığın oksidasyon direncini artırdığı gözlenmiştir. In this Thesis work, high temperature oxidation behavior of three boron-containing compounds; titanium diboride, zirconium diboride and boron carbide were studied. Oxidation studies were conducted mostly in air at temperatures between 300 and 1200 Celcius degrees. Additionally, two applications of boron-containing materials were also investigated.It was observed that solid and protective oxides titanium dioxide and zirconium dioxide formed over titanium diboride and zirconium diboride, respectively, at high temperatures. Weight gains of these two borides changed with changes in both the temperature and the oxidation time. Because boron carbide could not form solid oxidation products, its high temperature oxidation behavior was controlled by the formation and evaporation of boron-containing liquid phase such as boron oxide which was molten at the test temperatures of this study. The presence of a liquid phase was indicated by the agglomeration of the oxidized boride powders and by the weight losses of the boron carbide samples after their long-term oxidaton in both air and water vapor. Formation of the solid, liquid or gasesous oxidation products also affected the kinetic aspects of the boride oxidation.As an application of boron-containing materials, titanium diboride-based composite production by using the vacuum arc melting method was investigated. Experimental results conducted showed that processing of bulk products by this method will be difficult. However, the process can be applied to modify material surfaces. In the other application, thermochemically formed iron boride layer was observed to decrease the oxidation attack of the steel substrate at 800 Celcius degrees, in air, by forming protective oxidation products containing glassy phases. 109

Bu çalısmada, %10'dan (agırlık olarak) fazla refrakter metal Molibden (Mo) içeren ikiticari Ni alasımının düsük (T1000oC) sıcaklık oksidasyondavranısları incelenmistir. Bu amaçla, Hastelloy C-22 ve C-276 alasımlarından hazırlanannumuneler, durgun hava ortamındaki bir fırın içerisinde belli sıcaklıklarda önceden belirlenensürelerde tutulmustur. Alasımların oksitlenme özellikleri, nicel olarak, numunelerin deneysonrasındaki agırlık degisimleriyle ölçülmüstür. Bunun yanı sıra, geri saçılmıs elektron (BE)detektörü ve enerji dagılım spektroskopuna (EDS) sahip bir taramalı elektron mikroskobu(SEM) ile X-ısınları difraktometresi (XRD) kullanılarak, deneyler sonrasında numuneyüzeylerinde olusan oksit tabakalarının morfolojileri, kimyasal kompozisyonları ve kristalyapıları incelenmistir. Çalısmanın önemli sonuçları sunlardır: Alasımlarda kayda degermiktarlarda bir oksitlenme 1000oC'nin üzerindeki sıcaklıklarda olmustur. Yüzeyde olusanoksit tabakalarının mikroyapı ve kimyasal kompozisyonları benzer olmasına karsın, Moiçerigi daha fazla olan C-276 numunesinin yüzeyinden dökülen oksit tabakaları daha fazladır.Dökülmelerin oldugu oksit bölgelerinin Molibdence daha zengin oldugu gözlemlenmistir.Yüksek sıcaklık deneyleri sonrasında, Mo elementinin, numuneleri barındıran seramikkapların iç yüzeylerinde de saptanması, Mo'nin yüksek sıcaklıklarda buharlasma yoluylanumuneden ayrıldıgını göstermistir. Dolayısıyla, yüzey tabakalarının dökülmesinde alasımınMo miktarının etkisi oldugu anlasılmıs, bu nedenle yüksek miktarda Mo gibi refrakter metaliçeren alasımların yüksek sıcaklık oksitlenme dirençlerinin düsük olacagı görülmüstür. In this study, both low (T1000oC) oxidation behaviorof two commercial Ni alloys containing more than 10% Mo, a refractory metal, isinvestigated. For this purpose, Hastelloy C-22 ve C-276 alloy samples were exposed to thestagnant air environment of a high temperature furnace for predetermined times. Extent ofalloy oxidation was determined from sample mass change measurements while morphologiesand chemical compositions of the product oxide scales were investigated with a scanningelectron microscope (SEM) equipped with a backscattered electron (BE) detector and anenergy dispersive spectroscopy (EDS) detector. A x-ray diffractometer (XRD) was also usedto identify the crystalline phases in the scales. Important findings of this study can besummarized as follows: Significant mass changes was observed only at temperatures above1000oC. Although oxide scales with similar microstructures and chemical compositionsformed over both alloy samples, the C-276 alloy sample with the higher Mo content hadlarger amount of scale spallation. Furthermore, Mo-rich areas were found at scale locationswhere spallation took place. Detection of Mo over the inner surfaces of the ceramic cruciblecontaining the C-276 sample indicated that Mo was preferentially removed, by evaporation,from the alloy sample during the high temperature tests. This observation suggested that Moin the alloy affected scale spallation. These results clearly showed that presence of a largeamount of refractory elements in an alloy can decrease its oxidation resistance at hightemperatures. 80