OKSİT DİSPERSİYON SERTLEŞTİRMESİ YAPILMIŞ NiCr8020 (2.4869) NİKEL ESASLI SÜPER ALAŞIMIN TERMOMEKANİK YORULMA DAVRANIŞININ BELİRLENMESİ

OKSİT DİSPERSİYON SERTLEŞTİRMESİ YAPILMIŞ NiCr8020 (2.4869) NİKEL ESASLI SÜPER ALAŞIMIN TERMOMEKANİK YORULMA DAVRANIŞININ BELİRLENMESİ Volkan KOVAN Nisan 2006 DENİZLİ

OKSİT DİSPERSİYON SERTLEŞTİRMESİ YAPILMIŞ NiCr8020 (2.4869) NİKEL ESASLI SÜPER ALAŞIMIN TERMOMEKANİK YORULMA DAVRANIŞININ BELİRLENMESİ Pamukkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Doktora Tezi Makine Mühendisliği Anabilim Dalı Volkan KOVAN Danışman: Prof. Dr. Mehmet YÜKSEL Nisan 2006 DENİZLİ

i DOKTORA TEZİ ONAY FORMU Volkan KOVAN tarafından Prof. Dr. Mehmet YÜKSEL yönetiminde hazırlanan OKSİT DİSPERSİYON SERTLEŞTİRMESİ YAPILMIŞ NiCr8020 (2.4869) NİKEL ESASLI SÜPER ALAŞIMIN TERMOMEKANİK YORULMA DAVRANIŞININ BELİRLENMESİ başlıklı tez tarafımızdan okunmuş, kapsamı ve niteliği açısından bir Doktora Tezi olarak kabul edilmiştir. Pamukkale Üniversitesi Fen Bilimler Enstitüsü Yönetim Kurulu nun... tarih ve... sayılı kararıyla onaylanmıştır. Prof. Dr. Mehmet Ali Sarıgöl Müdür

ii Bu tezin tasarımı, hazırlanması, yürütülmesi, araştırılmalarının yapılması ve bulgularının analizlerinde bilimsel etiğe ve akademik kurallara özenle riayet edildiğini; bu çalışmanın doğrudan birincil ürünü olmayan bulguların, verilerin ve materyallerin bilimsel etiğe uygun olarak kaynak gösterildiğini ve alıntı yapılan çalışmalara atfedildiğini beyan ederim. İmza : Öğrenci Adı Soyadı : Volkan KOVAN

iii TEŞEKKÜR Her şeyden önce, nikel esaslı süper alaşımlar ile ilgili bu tezi yapmam için beni yönlendiren ve tezin her aşamasında benden yardımlarını esirgemeyen tez danışmanım, Prof. Dr. Mehmet Yüksel e ve bu çalışmanın deneysel bölümündeki yardımları ve tavsiyelerinden dolayı da Prof. Dr.Ing Joachim Hammer e teşekkür borçluyum. Bu çalışmanın önemli bir bölümü FH Regensburg a ait Malzeme Teknolojisi ve Metalografi Laboratuarlarında (LWM, Labor für Werkstofftechnik und Metallographie) gerçekleştirilmiştir. Başta Ronny Mai olmak üzere, bu projeye katkıda bulunan tüm LWM personeline teşekkür ederim. Ayrıca tez izleme komitesi üyeleri Prof. Dr. Süleyman Karadeniz e ve Yard. Doç. Dr. Cemal Meran a, bu projeye Yurt İçi Yurt Dışı Bütünleştirilmiş Doktora Burs Programı (BDP) kapsamında verdiği destekten dolayı da TÜBİTAK a teşekkür ederim. Son olarak, bu çalışma sırasında gösterdiği destek ve anlayıştan dolayı nişanlıma, hayatım boyunca gösterdikleri destekten dolayı da anne ve babama teşekkürü bir borç bilirim. Volkan KOVAN

iv ÖZET OKSİT DİSPERSİYON SERTLEŞTİRMESİ YAPILMIŞ NiCr8020 (2.4869) NİKEL ESASLI SÜPER ALAŞIMIN TERMOMEKANİK YORULMA DAVRANIŞININ BELİRLENMESİ KOVAN, Volkan Doktora Tezi, Makine Mühendisliği ABD Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Mehmet YÜKSEL Nisan 2006, 126 Sayfa Modern gaz türbinlerinin başlangıç ve duruş işlemleri esnasında türbin disk ve kanatları eş zamanlı yüksek birim uzama tekrarları ve sıcaklık farklılıklarına maruz kalırlar. Bu kompleks termomekanik yorulma (TMY) yükleri türbin disk ve kanatlarında çatlak oluşumuna, ilerlemesine ve beklenmedik şekilde erken hasarlara neden olurlar. Bu tür elemanlarda doğru bir ömür tahmini için, işletme yükleri altında gerçekleştirilen izotermal yorulma (IY) deneyleri tasarım için güvenilir veriler sağlayamazlar. Çünkü TMY şartları altında; gerilme birim uzama davranışları, çatlak oluşma davranışları ve çatlak ilerleme hızları IY şartları altındakinden farklıdır. TMY davranışı üzerine pek çok çalışma; çelikler, nikel esaslı süper alaşımlar veya titanyum matrisli kompozitler üzerinedir ve toz metalürjisi ile üretilmiş yüksek sıcaklık malzemelerinin TMY davranışları üzerine sınırlı veriler mevcuttur. Bu çalışmada, toz metalürjisi ile imal edilmiş nikel esaslı süper alaşım PM 1000 in TMY davranışı 450 850 C sıcaklık aralığında incelenmiştir. Mekanik birim uzama ve sıcaklık arasındaki faz açısı uçak motorlarındaki işletme şartlarına en uygun koşul olan 135 alınmıştır. Anahtar Kelimeler: Termomekanik yorulma, nikel, süper alaşım, TMY Prof. Dr. Mehmet Yüksel Prof. Dr. Joachim Hammer Prof. Dr. Süleyman Karadeniz Prof. Dr. Wulf Beßlein Yard. Doç. Dr. Cemal Meran

v ABSTRACT THERMOMECHANICAL FATIGUE BEHAVIOR OF OXIDE DISPERSION STRENGTHENED NICKELBASE ALLOY NiCr8020 (2.4869) KOVAN, Volkan Ph. D. Thesis in Mechanical Engineering Supervisor: Prof. Dr. Mehmet YÜKSEL April 2006, 126 Pages During the start and shutdown phase of modern gas turbines the disks and blades are subjected to high mechanical strain cycles superimposed by thermal transients. This complex thermalmechanical fatigue (TMF) loading induces crack formation and propagation and is combined with unexpected early failure of these components. For an accurate lifetime prediction of these components under service loading pure isothermal lowcycle fatigue (LCF) experiments do not provide reliable data for the design of these parts. In most cases the lifetime is predicted nonconservative, because stressstrain response, crack initiation behavior or crack growth rate under TMF conditions are different from those under isothermal conditions. Many studies of TMF behavior address steels, nickelbase superalloys, or fiberreinforced titanium alloys, but only rough data are available for powder metallurgical high temperature materials. In this work, the TMF behavior of the powder metallurgical nickel base superalloy PM1000 is investigated in the temperature range from 450 to 850 C. The phase angle between the mechanical strain and the thermal cycle (135 ) is closely related to the appropriate operating conditions in aero engines. Keywords: Thermomechanical fatigue, nickel, superalloy, TMF Prof. Dr. Mehmet Yüksel Prof. Dr. Joachim Hammer Prof. Dr. Süleyman Karadeniz Prof. Dr. Wulf Beßlein Asst. Prof. Dr. Cemal Meran

vi İÇİNDEKİLER Sayfa Doktora Tezi Onay Formu...i Bilimsel Etik Sayfası...ii Teşekkür...iii Özet...iv Abstract...v İçindekiler...vi Şekiller Dizini...viii Çizelgeler Dizini...x Simge ve Kısaltmalar Dizini...xi 1. GİRİŞ...1 1.1. Tezin Amacı...3 1.2. Tezin İçeriği...4 2. LİTERATÜR ÖZETİ...5 2.1. Termomekanik Yorulmanın Etkisi...6 2.2. Sünmenin Etkisi...13 2.3. Oksidasyonun Etkisi...15 2.4. Sıcaklığın Etkisi...18 2.5. Yük Değişim Frekansının Etkisi...20 2.6. Deney Sıcaklığında Bekletme Süresinin Etkisi...21 2.7. Birim Uzama Oranının (R) Etkisi...24 2.8. Kaplamanın Etkisi...26 2.9. Yorulma Dayanımına Etki Eden Diğer Faktörler...30 2.10. Çatlak Oluşma ve İlerleme Mekanizması...32 3. NİKEL VE NİKEL ALAŞIMLARI...35 3.1. Nikel Esaslı Süper Alaşımlar...36 3.2. Alaşımların Tarihçesi...37 3.3. Alaşımların Kimyasal Bileşimi...42 3.4. Nikel Esaslı Süper Alaşımların Kullanım Alanları...44 3.5. Nikel Esaslı Süper Alaşımların Sınıflandırılması...47 3.5.1. Yüksek sıcaklık dayanımlı alaşımlar...47 3.5.2. Korozyon dayanımlı alaşımlar...50 3.5.3. Elektriksel alaşımlar...51 3.5.4. Yumuşak mıknatıs alaşımları ve düşük genleşme katsayılı alaşımlar...52 3.5.5. Şekil hafızalı alaşımlar...54

vii 4. MATERYAL VE METOD...56 4.1. Malzeme...56 4.2. Deney Düzeneği...62 4.2.1. Üniversal deney cihazı...63 4.2.2. Isıtma düzeneği...64 4.2.3. Sıcaklık ölçümü...66 4.2.4. Kontrol sistemi...66 5. DENEYSEL ÇALIŞMALAR...69 5.1. Termomekanik Yorulma Deneyleri...69 5.2. Gerilme Birim Uzama Davranışları...74 5.3. Numunedeki Sıcaklık Dağılımı...86 5.4. Kırık Yüzeyi İncelemeleri...89 6. YORULMA ÖMRÜNÜN MODELLENMESİ...91 6.1. Yapay Sinir Ağları...94 6.2. YSA Modeli...99 7. SONUÇ VE ÖNERİLER...106 7.1. Sonuçlar...107 7.2. Öneriler...110 8. KAYNAKLAR...112 ÖZGEÇMİŞ...126

viii ŞEKİLLER DİZİNİ Sayfa Şekil 1.1: Skelton a (2002) göre TMF deneylerinde uygulanan sıcaklık birim uzama davranışları... 3 Şekil 3.1: Jet motorunda işletme şartlarında oluşan basınç ve sıcaklıkların dağılımı... 37 Şekil 3.2: Kimyasal kompozisyona ve sıcaklığa bağlı olarak (γ) ve (γ ) faz bölgelerinin değişimi... 39 Şekil 3.3: γ ve γ fazlarının kafes yapıları (Sarı atomlar nikeli, kırmızı atomlar alüminyum veya titanyumu temsil etmektedir)... 39 Şekil 3.4: Nikel esaslı süper alaşımda γ ve γ fazlarının görünümü... 40 Şekil 3.5: Bazı nikel esaslı süper alaşım ve çelikler için çekme dayanımı ve akma sınırı değerlerinin sıcaklık ile değişimi... 41 Şekil 3.6: MA6000 alaşımının iç yapısı ve oksit taneleri... 44 Şekil 3.7: Mono kristal, yönlenmiş ve eş eksenli tanelerin sünme dayanımları... 45 Şekil 3.8: Mono kristal, yönlendirilmiş ve eş eksenli tanelerden imal edilmiş türbin kanatları... 45 Şekil 3.9: Türbin kanatlarına uygulanan soğutma tekniğinin gelişimi... 46 Şekil 4.1: Mekanik alaşımlama ile PM 1000 alaşımının üretimi... 57 Şekil 4.2: PM 1000 alaşımında bulunan Y 2 O 3 tanelerinin görünümü... 57 Şekil 4.3: PM 1000 alaşımının boyuna kesitinin görünümü... 58 Şekil 4.4: PM 1000 alaşımının enine kesitinin görünümü... 59 Şekil 4.5: PM 1000 alaşımında tane sınırlarında bulunan karbürler... 59 Şekil 4.6: PM 1000 alaşımının sünme dayanımı... 61 Şekil 4.7: PM 1000 alaşımından imal edilmiş türbin kanatları... 61 Şekil 4.8: PM 1000 alaşımından imal edilmiş deney numunesi... 62 Şekil 4.9: Deney düzeneğinin şematik görünümü... 63 Şekil 4.10: Deney düzeneğinin görünümü... 64 Şekil 4.11: TMY deneylerinin yapıldığı numune, indüksiyon bobini düzeni... 65 Şekil 4.12: TMY deneyleri esnasında termal kamera ile sıcaklık ölçümü... 67 Şekil 4.13: LabView programında hazırlanmış programın kullanıcı ara yüzü... 68 Şekil 5.1: Ön deneyden elde edilen, sıcaklık ile elastisite modülünün değişimi... 70 Şekil 5.2: Komut sıcaklığına göre, kontrol sıcaklığı sapmasının değişimi... 71 Şekil 5.3: Termal birim uzamanın sıcaklık ile değişimi... 72 Şekil 5.4: Termomekanik yorulma deneylerinde uygulanan toplam birim uzama sıcaklık değerleri... 73 Şekil 5.5: % 0,05 birim uzama genliğine ait, gerilme birim uzama histeriz eğrisi (N = 400 900)... 75 Şekil 5.6: % 0,2 birim uzama genliğine ait, gerilme birim uzama histeriz eğrisi (N = 1 550)... 75 Şekil 5.7: % 0,4 birim uzama genliğine ait, gerilme birim uzama histeriz eğrisi (N = 1 100)... 76

Şekil 5.8: % 0,05 birim uzama genliğine ait, gerilme birim uzama histerezis eğrisi (N = 1000 2530)... 77 Şekil 5.9: % 0,2 birim uzama genliğine ait, gerilme birim uzama histerezis eğrisi (N = 650 730)... 77 Şekil 5.10: % 0,4 birim uzama genliğine ait, gerilme birim uzama histerezis eğrisi (N = 300 330)... 78 Şekil 5.11: Termomekanik yorulma deneylerinde elde edilen maksimum gerilme değerinin değişimi... 79 Şekil 5.12: PM 1000 alaşımı için, termomekanik yorulma koşulları altında elde edilen wöhler eğrisi... 80 Şekil 5.13: PM 1000 alaşımı için, termomekanik ve izotermal yorulma koşulları altında elde edilen wöhler eğrisi... 81 Şekil 5.14: İzotermal yorulma (850 C) koşulları altında elde edilen ortalama gerilme eğrisi... 83 Şekil 5.15: Termomekanik yorulma (450 850 C) koşulları altında elde edilen ortalama gerilme değerleri... 83 Şekil 5.16: İzotermal ve termomekanik yorulma deneylerinde uygulanan sıcaklık ve toplam birim uzama tekrarları... 87 Şekil 5.17: İzotermal ve termomekanik yorulma deneylerinde oluşan sıcaklık farkları. 88 Şekil 5.18: Taramalı elektron mikroskobu ile çekilmiş kırık yüzeyleri... 90 Şekil 6.1: Ağırlıkların değişimi ile fonksiyonun matematiksel görünümü... 98 Şekil 6.2: Yapay sinir hücresinin çalışması örneği... 98 Şekil 6.3: YSA modelinin girdileri de içeren şematik görünümü... 100 Şekil 6.4: YSA modelinin eğitimden sonraki performansı... 101 Şekil 6.5: YSA modelinin eğitimden sonra, test verilerindeki performansı... 102 Şekil 6.6: YSA modeli ile elde edilen TMY ömrü tahmini... 103 Şekil 6.7: YSA modeli ile elde edilen IY (850 C) ömrü tahmini... 104 Şekil 6.8: YSA modeli ile elde edilen IY (1000 C) ömrü tahmini... 104 Şekil 6.9: YSA modeli ile elde edilen, ısıtma/soğutma hızının TMY ömrüne etkisi... 105 ix

x ÇİZELGELER DİZİNİ Sayfa Çizelge 3.1: Nikel için geçerli alaşım elementlerinin üst sınır değerleri... 35 Çizelge 3.2: DIN 17740: 2002 ye göre alaşımsız dökme nikeller... 35 Çizelge 3.3: DIN 17741: 2002 ye göre az alaşımlı nikeller... 36 Çizelge 3.4: Bazı süper alaşımların kimyasal bileşimleri... 43 Çizelge 3.5: DIN 17744: 2002 ye göre nikel molibden krom alaşımların kimyasal bileşimleri... 49 Çizelge 3.6: DIN 17743: 2002 ye göre nikel bakır alaşımların kimyasal bileşimleri. 50 Çizelge 3.7: DIN 17742: 2002 ye göre nikel krom alaşımların kimyasal bileşimleri. 51 Çizelge 3.8: DIN 17745: 2002 ye göre nikel demir yumuşak mıknatıs alaşımların kimyasal bileşimleri... 52 Çizelge 3.9: DIN 17745: 2002 ye göre nikel demir düşük genleşme katsayılı alaşımların kimyasal bileşimleri... 53 Çizelge 3.10: DIN 17752: 2002 ye göre nikel alaşımlarından imal edilen çubukların mukavemet değerleri... 55 Çizelge 4.1: PM 1000 in kimyasal bileşimi... 56 Çizelge 4.2: PM 1000 in mekanik özellikleri... 60 Çizelge 4.3: PM 1000 in fiziksel özellikleri... 60 Çizelge 4.4: PM 1000 in korozyon özellikleri, (Test süresi: 140 350 h ve test sıcaklığı: 1080 C)... 60 Çizelge 4.5: En çok kullanılan termo eleman tipleri ve kullanım sıcaklıkları... 66 Çizelge 5.1: Uygulanan termomekanik yorulma deney koşulları... 73 Çizelge 5.2: TMY ve IY deneylerinde sıcaklık ve toplam birim uzamanın değişimi... 87 Çizelge 5.3: TMY ve IY deneylerinde ölçülen sıcaklık dağılımları... 89 Çizelge 6.1. Yapay sinir ağı modelinde kullanılan veriler ile minimum ve maksimum değerleri... 100

xi SİMGE VE KISALTMALAR DİZİNİ TMY Termomekanik yorulma IPTMY Eş fazlı termomekanik yorulma OPTMY Zıt fazlı termomekanik yorulma CCWDTMY Saat dönüş yönüne ters yönde elmas şeklinde termomekanik yorulma ODS Oksit dispersiyon sertleştirilmesi T ergime Ergime sıcaklığı t Bekletme süresi γ Gama γ Asal gama

1 1. GİRİŞ Newton un 3. kanununa göre, doğadaki herhangi bir etkiye karşı her zaman bir tepki vardır, yani iki cismin karşılıklı etkisi daima eşit fakat zıt özelliklidir. Günümüzde kullanılan modern jet motorları da bu prensibi kullanarak hareket ederler. En basit şekli ile ifade etmek istersek motorun ön tarafından giren hava kompresör tarafından yanma odasına kadar sıkıştırılır ve burada yakıt ile birlikte yakılır. Yanma sonucu oluşan yüksek sıcaklık ve basınçtaki atık gazlar ise türbinde genleştirilip iş elde edildikten sonra egzoz lülesi ile yüksek hızda dışarı atılır. Bu gazın yüksek hızda atılması sonucu oluşan etkiye karşılık tepki kuvveti olarak ileriye doğru oluşan kuvvet uçağa hareket verir. Günümüz askeri ve sivil uçaklarında bu prensibi uygulayan motorlar kullanılmaktadır. Nikel esaslı süper alaşımların modern uçak motorlarında bu kadar fazla kullanılmasının temel nedeni jet motoru içinde 40 atmosfere çıkabilen basınç ile 1500 C lere çıkabilen sıcaklıktaki işletme koşullarıdır. Bu koşullar altında çalışan bir uçak motorunun kompresör kısımlarında titanyum alaşımları, şaft ve benzeri elemanlarda çelik, dış gövdede alüminyum ve kompozit malzemeler kullanılmaktadır. İşletme koşullarının en yüksek basınç ve en yüksek sıcaklığa sahip olduğu türbin kanatlarında ise nikel esaslı süper alaşımlar kullanılmaktadır. Nikel esaslı alaşımların önemi de buradan gelmektedir. Çünkü modern uçak motorlarının ağırlık olarak % 50 sini nikel esaslı süper alaşımlar oluşturur. Nikel esaslı süper alaşımların yaygın kullanımı türbin giriş sıcaklığının artması ile türbin motorunun termodinamik veriminin artmasıyla ilgilidir. Nikel esaslı süper alaşımların kullanım sıcaklığının diğer malzemelerden daha yüksek olması nedeniyle türbin kanatlarında kullanılmaktadır. Bu işletme koşulları altında çalışan türbin kanatları; mekanik kuvvetler nedeni ile termomekanik yorulmaya (TMY), yüksek sıcaklıktaki korozif ortam nedeni ile de oksidasyona maruz kalır.

2 Termomekanik yorulma, TMY (Thermomechanical Fatigue, TMF), malzemenin eş zamanlı olarak değişen yük ve sıcaklıklara maruz kaldığı özel bir yorulma türüdür. Ömür tahmini için kullanılan ve sabit yüksek sıcaklıkta gerçekleştirilen, izotermal yorulma deneyleri genellikle TMY koşullarında uygulanamaz. Çünkü malzeme özellikleri sıcaklık ile değişmektedir ve TMY koşullarında farklı hasar mekanizmaları da yorulma ömrü üzerinde etkili olmaktadır. Çoğu zaman ömür tahmini için TMY koşulları altında gerçekleşen gerilme birim uzama davranışları ve çatlak başlama davranışı ile çatlak ilerleme hızları kullanılmaktadır. Gerçekte, değişken sıcaklığın etkisi ile oluşan hasar da dikkate alınmalıdır. TMY deneylerinde, termal ve mekanik birim uzamalar arasındaki faz açısını değiştirerek pek çok işletme koşuluna benzer deney koşulları elde edilebilir. Başlıca uygulanan deney koşulları; maksimum birim uzama ve maksimum sıcaklığın aynı anda uygulandığı eş fazlı termomekanik yorulma deneyleri (In Phase, IPTMY) ile maksimum birim uzama ve minimum sıcaklığın aynı anda uygulandığı zıt fazlı termomekanik yorulma deneyleridir (OutofPhase, OPTMY). Bunun dışında saat dönüş yönüne ters yönde elmas şeklinde (Counter Clockwise Diamond, CCWDTMY) yükleme de diğer bir yükleme şeklidir (Şekil 1.1). Örneğin OPTMY deney koşulunun kullanılması ile bir gaz türbininin çalıştırılması ve durdurulması esnasında, kanadın ön kısmında oluşabilecek TMY hasarı incelenebilir. TMY üzerine pek çok çalışma, çelikler, nikel esaslı süper alaşımlar ve titanyum matrisli kompozitler üzerinedir. Ayrıca pek çok çalışmada temel IPTMY ve OPTMY deneyleri gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada ise toz metalürjisi ile üretilen oksit dispersiyon sertleştirmesi (ODS) yapılmış nikel esaslı süper alaşım PM 1000 ticari alaşımının (NiCr8020, 2.4869), 450 850 C sıcaklık aralığında TMY davranışı incelenmiştir. Yükleme esnasında toplam birim uzama ile sıcaklık arasındaki faz açısı 135 olarak alınmıştır. Bu faz açısı modern uçak motorlarının işletme şartlarına en yakın açıdır.

3 0,4 0,3 OP CCWD IP Toplam Birim Uzama, % 0,2 0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 250 300 350 400 450 500 550 600 Sıcaklık, C Şekil 1.1 Skelton (2002) ye göre TMY deneylerinde uygulanan sıcaklık birim uzama davranışları 1.1. Tezin Amacı Nikel esaslı süper alaşımlar, başta türbin kanatlarında olmak üzere günümüzde pek çok alanda kullanılmaktadır. Enerji üretim tesislerinin türbin kanatlarında, jet motorlarının türbin kanatlarında ve uzay araçlarında kullanılan bu alaşımlar, çalıştıkları ortam nedeniyle yüksek sıcaklık (~0,9.T ergime ) ve yüksek yükleme koşullarına maruz kalırlar. Bu tür ortamlarda sıkça kullanılan nikel esaslı süper alaşımlarda oksidasyon ve termomekanik yorulma kaynaklı hasarlar görülmektedir. Oksidasyon kaynaklı hasarlara kaplamalar çözüm olabilirken, termomekanik yorulma kaynaklı hasarlar için önemli olan malzemenin termomekanik yorulma dayanımıdır. Bu çalışmanın amacı, termomekanik birim uzama tekrarlarının PM 1000 alaşımının yorulma ömrüne etkisinin araştırılmasıdır. Gaz türbinlerinde kanat malzemesi olarak kullanılan PM 1000 alaşımının yorulma ömrü, uygulanan toplam birim uzama ve sıcaklık altında deneysel olarak araştırılmıştır. Çalışmanın hedeflenen amacına ulaşılması ile PM 1000 alaşımı kullanılarak imal edilen türbin kanatlarında tasarım ve bakım daha basite indirgenecektir. Bunun nedeni TMY koşulları altında daha doğru ömür tahmini yapılabilmesidir.

4 Erdem ve Akmandor (2004) çalışmalarında, ODS (Oxide Dispersion Strengthtened = Oksit Dispersiyon Sertleştirilmesi) alaşımlarının önümüzdeki yıllarda jet motorlarda kullanılması muhtemel iki grup malzemeden birisi olduğunu, ancak bu malzemeler üzerindeki yetersiz çalışmalardan dolayı henüz güvenilirliklerini temin edememiş olduklarını da belirtmişlerdir. 1.2. Tezin İçeriği Bu tez aşağıda belirtildiği gibi 7 bölümden oluşmaktadır: 1. bölümde termal ve termomekanik yorulma ile ilgili genel bilgiler, tezin konusu ve amacı belirtilmektedir. 2. bölümde termal ve termomekanik yorulma üzerine daha önce yapılmış olan çalışmalara yer verilmiştir. 3. bölüm nikel ve nikel esaslı alaşımlar hakkında bilgiler vermek üzere hazırlanmıştır. 4. bölümde deney düzeneği ve kullanılan malzemenin özellikleri hakkında detaylı bilgiler bulunmaktadır. 5. bölüm ise üç kısımdan oluşmaktadır. İlk kısımda gerçekleştirilen TMY deneylerinin sonuçlarını içermektedir İkinci kısımda TMY deneyi esnasında numunenin sıcaklık dağılımının saptanmasına yer verilmiştir. Son kısım ise deney sonrası kırık yüzeylerinin incelenmesini içermektedir. 6. bölümde yorulma ömrü tahmininde kullanılan modeller ve yeni geliştirilen yorulma ömrü tahmin modeli bulunmaktadır. 7. bölümde ise sonuçlar, değerlendirmeler ve gelecek dönemlerde yapılabilecek çalışmalar anlatılmıştır.

5 2. LİTERATÜR ÖZETİ Park vd. (2002) J69T25 türbin motorunda meydana gelen hasarı inceledikleri çalışmalarında, hasarın yorulma kaynaklı olduğunu belirtmişlerdir. Ayrıca yorulma çatlağının, kanat yüzeyinden başladığını ve kırık türbin kanadının sıcak gaz akışından kaynaklanan oksidasyondan da şiddetle etkilenmiş olduğunu belirtmişlerdir. Broomfield vd. (1997) maksimum güçte çalışan bir ticari turbofan motorun türbin giriş sıcaklığının 1650 C ye ulaştığını bildirmişlerdir. Bu sıcaklıkta çalışan bir türbin kanadının güvenilirliği içinde, soğutma tekniklerinin, uygun bir tasarımın, mono kristal döküm tekniklerinin, kaplamaların ve termomekanik yorulma dayanımı artırılmış yeni alaşımlar geliştirilmesinin önemine değinmişlerdir. Askeri ve sivil havacılıkta maliyetleri düşürme isteği ve toz metalürjisi ile üretilen alaşımların mukavemetlerinde ve sıcaklık dayanımlarındaki iyileşmeler, bu alaşımların kullanılabilirliğini gündeme getirmiştir. Banik vd. (2004) düşük maliyetli toz metalürjisi ile üretilmiş türbin elemanlarının askeri ve sivil havacılıkta kullanılabilirliklerini araştırmışlar ve olumlu sonuçlar almışlardır. Remy vd. (2000) gerçekleştirdikleri termomekanik yorulma deneyleri sonucu hasarın oksidasyon, sünme ve yorulmanın ortak sonucu olduğunu belirtmişlerdir. Pernot vd. (1992) % 24 Al ve % 11 Nb içeren titanyum alaşımının termomekanik yorulma ve izotermal yorulma koşulları altında çatlak ilerleme hızlarını incelemişler ve nikel esaslı süper alaşımlar ile kıyaslamışlardır. Bu alaşımın çatlak ilerleme mekanizmasının, nikel esaslı alaşımlarda olduğu gibi; yorulma, oksidasyon ve sünmeyi içerdiğini, ayrıca frekans, sıcaklık ve bekletme süresi ile de etkilendiğini çalışmalarında belirtmişlerdir. Ancak alaşımın termomekanik yorulma dayanımının nikel esaslı alaşımlar ile kıyaslanamayacağı sonucuna varmışlardır. Aşağıdaki bölümlerde, metallerin yüksek sıcaklık yorulma dayanımı ile ilgili yapılan

6 çalışmalar anlatılmıştır. Gerçekleştirilen sınıflandırma ile termomekanik yorulma ömrü üzerinde öncelikli olarak etkili olan yorulma, sünme ve oksidasyonun etkisi ayrı ayrı anlatılmıştır. Ayrıca termomekanik yorulma ömrü üzerinde etkili olan, sıcaklık, yük değişim frekansı v.b. faktörlere de ayrı başlıklar altında değinilmiştir. 2.1. Termomekanik Yorulmanın Etkisi Zhou vd. (2003) TMS75 ve TMS113 ticari nikel alaşımlarının termomekanik yorulma davranışlarını incelemişlerdir. İki alaşım aynı kimyasal kompozisyona sahip olmasına rağmen asal gamanın hacimsel oranı farklıdır (TMS75 % 60, TMS113 % 70). Bu alaşımların 900 C de üstün bir sünme davranışı gösterdiğini, ancak 400 900 C sıcaklık aralığında zıt fazlı termomekanik yorulma davranışlarının kalitesiz olduğunu tespit etmişlerdir. Zhou vd. (2005) TMS75 ve TMS82+ nikel esaslı mono kristal alaşımlarının zıt fazlı termomekanik yorulma davranışlarını incelemişlerdir. Öncelikle bu alaşımların farklı kimyasal bileşimlerinin termomekanik yorulma özelliklerini etkilediğini bulmuşlardır. TMS82+ farklı bekletme süreleri için TMS75 den daha uzun yorulma ömrü gösterirken, t (bekletme süresi) = 0 için TMS75 daha uzun yorulma ömrü göstermektedir. Deneylerde elde edilen farklı termomekanik yorulma davranışlarının, TMS82+ alaşımının 400 ve 900 C deki daha yüksek çekme dayanımı ile ilgili olduğunu belirtmişlerdir. Ayrıca iki alaşımın kayma bandları ve γ/γ yapıları arasında da bazı farklar olduğu gözlenmiştir. Bu çalışma sonunda TMS82+ alaşımının, özel koşullar altında gaz türbinlerinde kullanım için daha uygun olduğu belirtilmiştir. Moalla vd. (2003) yanma odası malzemesi olarak kullanılan NiCr22Co12Mo9 malzemesinin yorulma davranışını incelemişlerdir. Toplam birim uzama kontrollü olarak eş fazlı ve zıt fazlı termomekanik yorulma deneylerini gerçekleştirmişlerdir. Minimum sıcaklık olarak 200 C kullanırken, maksimum sıcaklığı 750 1200 C aralığında seçmişlerdir. Deney sonunda NiCr22Co12Mo9 malzemesinin yorulma eğrilerini elde etmişlerdir. Zang vd. (2002) K417 nikel esaslı dökme süper alaşımın eş fazlı ve zıt fazlı termomekanik yorulma davranışlarını incelemişlerdir. Deneyleri toplam birim uzama

7 kontrollü şartlarda, 400 850 C sıcaklık aralığında gerçekleştirmişlerdir. Deneylerinden elde ettikleri Zıt fazlı termomekanik yorulma ömrü eş fazlı termomekanik yorulma ömründen daha uzundur. Bunun nedeninin oksidasyon olduğunu belirtmişlerdir. Ayrıca yaptıkları kırık yüzey incelemeleri sonucu tüm kırılmaların taneler içi olduğu gözlemlemişlerdir. Arakere ve Orozco (2001) yüksek performans gerektiren uçak ve roket motorlarında kullanılan mono kristalli PWA1493/1480 ve SC 7146 nikel esaslı süper alaşımların yorulma davranışlarını 23 982 C sıcaklık aralığında incelemişler ve malzemenin yorulma eğrilerini elde etmişlerdir. Liu vd. (2003) DD8 nikel esaslı mono kristal alaşımın termomekanik yorulma davranışını ve mikro yapısal değişimlerini incelemişlerdir. Eş fazlı termomekanik yorulmanın, zıt fazlı termomekanik yorulmaya göre çok daha düşük yorulma ömrü verdiği çalışmalarında ayrıca termomekanik yorulma hasar mekanizmasını mikro yapısal değişimleri esas alarak tartışmaya açmışlardır. EnglerPinto ve RezaiAria (2000) SRR99 süper alaşımın 200 1100 C aralığında zıt fazlı termomekanik yorulma deneylerini yapmışlar ve malzemenin yorulma eğrilerini elde etmişlerdir. Zamrik ve Renauld (2000) NiCoCrAlY kaplaması yapılmış IN738LC süper alaşımın termomekanik yorulma deneylerini gerçekleştirmişlerdir. 482 871 C sıcaklık aralığında ve birim uzama kontrollü gerçekleştirdikleri deneyler sonucu, eş fazlı termomekanik yorulma ve izotermal yorulma ile kıyaslandığında en düşük yorulma ömrünü zıt fazlı termomekanik yorulma deneyinde elde etmişlerdir. Ziebs vd. (2000) IN 738 LC ve SC 16 süper alaşımların 450 950 C, 450 760 C ve 600 850 C sıcaklık aralıklarında termomekanik yorulma deneylerini gerçekleştirmişler ve malzemelerin yorulma eğrilerini elde etmişlerdir. Beck vd. (1997) nikel esaslı dökme süper alaşım IN 792 CC nin termomekanik yorulma davranışlarını incelemişlerdir. Maksimum sıcaklığın 800 C nin altında olduğu durumlarda; zıt fazlı termomekanik yorulmanın, eş fazlı termomekanik yorulmaya göre

8 daha düşük yorulma ömrü verdiği deneylerde, maksimum sıcaklığın 800 C yi aşmasıyla tam tersi bir durum görüldüğünü belirtmişlerdir. Kraft ve Mughrabi (1996) CMSX6 mono kristal nikel esaslı süper alaşımın 600 1100 C sıcaklık aralığında termomekanik yorulma deneylerini gerçekleştirmişlerdir. Birim uzama ile sıcaklık arasındaki faz açısının yorulma ömrünü ve mikro yapıdaki değişiklikleri önemli şekilde etkilediğini belirtmişlerdir. Deneyler sonucu en kısa yorulma ömrünü zıt fazlı termomekanik yorulma deneyinde, en uzun yorulma ömrünü ise eş fazlı termomekanik yorulma deneyinde elde etmişlerdir. Goswami (2002) Nimonic 75 A süper alaşımı için dönerek eğme yüklemesi altında termomekanik yorulma deneyi gerçekleştirmiş ve malzemenin yorulma eğrilerini elde etmiştir. Ayrıca kırık yüzeylerini de inceleyerek çalışmasında sunmuştur. Kalluri ve Bonacuse (1997) çalışmalarında çekibası ve burulma yüklerini aynı anda uygulayabilen bir termomekanik yorulma deney düzeneği geliştirmişlerdir. Eksenel yüklerin, burulma yüklerinin ve sıcaklığın eş zamanlı olarak değiştiği bu düzenekte nikel esaslı bir süper alaşım olan Haynes 188 alaşımının 316 760 C sıcaklıkları arasında termomekanik yorulma deneylerini gerçekleştirmişler ve malzemenin yorulma eğrilerini elde etmişlerdir. Chen vd. (1995) gaz türbinlerinde yaygın olarak kullanılan IN738LC alaşımının termomekanik yorulma davranışını 750 950 C sıcaklık aralığında incelemişler ve malzemenin yorulma eğrilerini elde etmişlerdir. Kullandıkları ısıtmasoğutma hızı 6 15 C/min arasındadır. Vasseur ve Remy (1994) çalışmalarında MA 760 oksit dispersiyon sertleştirilmesi yapılmış nikel esaslı süper alaşımın termomekanik yorulma deneylerini 550 1050 C ve 600 1100 C sıcaklık aralıklarında gerçekleştirmişlerdir. Deneyler sonucu, yorulma ömrünün birim uzama genliği, sıcaklık ve faz açısından etkilendiğini belirtmişlerdir. Bakis vd. (1993) Hastelloy X nikel esaslı süper alaşımın termomekanik yorulma dayanımını burulma yükü altında incelemişler ve yorulma eğrisini elde etmişlerdir.

9 Marchionni vd. (1993) yüksek dayanımlı, renyum içeren ikinci nesil nikel esaslı süper alaşım CMSX4 + Y nin termomekanik yorulma dayanımını 500 1100 C aralığında incelemişler ve yorulma eğrisini elde etmişlerdir. Halford vd. (1992) nikel esaslı dökme süper alaşım B1900 + Hf ve biçimlenebilir kobalt esaslı süper alaşım Haynes 188 için termomekanik yorulma deneylerini gerçekleştirmişler ve yorulma eğrilerini elde etmişlerdir. Zhang vd. (2005), toz metalürjisi ile üretilen nikel esaslı FGH95 alaşımının yüksek sıcaklıklardaki yorulma davranışlarını incelemişlerdir. Bu deneylerde 600 C de üçgensel birim uzama tekrarları uygulamışlardır. Ayrıca 350 600 C aralığında eş fazlı termomekanik yorulma deneyi uygulamışlardır. Minimum ve maksimum birim uzamalar arasındaki oranı 1 aldıkları çalışmalarında bu iki yüklemenin gerilme davranışına, kırılma mekanizmalarına ve yorulma ömrüne etkileri incelenmiştir. Aynı gerilme genliği için, eş fazlı termomekanik yorulma ömrünün, izotermal yorulma ömrüne göre daha düşük olduğunu belirtmişlerdir. FGH95 alaşımının yüksek sıcaklıktaki yorulma davranışının sadece yükleme şekline değil aynı zamanda birim uzama miktarına da bağlı olduğunu ayrıca rapor etmişlerdir. Çalışmada ayrıca yüksek sıcaklıktaki yorulmanın mikro yapıdaki hasar davranışını incelemişler ve yüksek sıcaklıktaki yorulma esnasında, yorulma, sünme ve oksidasyonun eş zamanlı olarak oluştuğu sonucuna varmışlardır. Kırıkların eş fazlı termomekanik yorulma altında taneler arası (interkristalin) ve taneler içi olduğunu (transkristalin), izotermal yorulma koşulları altında ise çatlak başlangıcının ve ilerleme yolunun taneler içi olduğunu gözlemlemişlerdir. Chen vd. (2004), HAYNES HR120 nikel esaslı süper alaşımın termomekanik yorulma deneyini toplam birim uzama kontrollü bir deney sistemi kullanarak 24 982 C sıcaklık aralığında ve tam değişken % 0,4 2,4 birim uzama aralığında gerçekleştirmişlerdir. Çalışmalarında 24 C den 982 C ye artan sıcaklık ile yorulma ömrünün düştüğünü belirtmişlerdir. Alaşım sıcaklık ve toplam birim uzama miktarına bağlı olarak değişken pekleşme (cyclic hardening), değişken yumuşama (cyclic softening) veya sabit bir gerilme davranışı (saturation zone) göstermektedir. Ek olarak gelişmiş bir termal kamera kullanarak 24 C de yaptıkları yorulma deneyinde sıcaklık artışını ölçmüşlerdir. Sıcaklığın, birim uzama miktarı ve yorulma ömrüne bağlı olarak

10 oda sıcaklığına göre 2 120 C arttığını gözlemlemişlerdir. Buradan hareketle ölçülen sıcaklık ile yorulma ömrünün tahmin edilebileceği teorisini ortaya atmışlardır. Enerji dönüşümü ve tek boyutlu ısı iletimi esaslı bu model ile yorulma deneyi esnasında oluşan sıcaklık artışını tahmin etmişlerdir. Bonacuse ve Kalluri (2003) çeki/bası burulma yüklerini aynı anda uygulayarak Haynes 188 nikel esaslı süper alaşıma termomekanik yorulma deneyleri uygulamışlar ve yorulma eğrilerini elde etmişlerdir. Buradan elde ettikleri sonuçları 316 C ve 760 C de gerçekleştirdikleri izotermal yorulma deneyleri ile kıyaslamışlardır. Liu vd. (2003a) K417 nikel esaslı süper alaşımın hem eş fazlı hem de zıt fazlı termomekanik yorulma deneylerini yapmışlardır. Deney sonuçları hem eş fazlı hem de zıt fazlı termomekanik yorulmanın izotermal yorulmaya kıyasla daha düşük yorulma ömrüne sahip olduklarını göstermiştir. Bunun yanında, eş fazlı termomekanik yorulmanın zıt fazlı termomekanik yorulmaya göre daha düşük yorulma ömrüne sahip olduğunu belirtmişler, nedenini de sünme ve oksidasyona bağlamışlardır. Okazaki vd. (2003) mono kristal CMSX4, yönlenmiş tanelere sahip CM247LC ve eş eksenli tanelere sahip IN738LC nikel esaslı süper alaşımlara, CoNiCrAlY kaplama yaparak termomekanik yorulma ve izotermal yorulma deneylerini yapmışlar ve yorulma eğrilerini elde etmişlerdir. Deneyler, birim uzama oranı R = 1 de ve 400 900 C sıcaklık aralığında gerçekleştirilmiştir. Liu vd. (2002) K417 nikel esaslı dökme süper alaşımın termomekanik yorulma davranışını 400 850 C aralığında gerçekleştirdikleri eş fazlı ve zıt fazlı termomekanik yorulma deneyleri ile incelemişler ve deneyler sonucu, aynı birim uzama miktarı için termomekanik yorulma ömrünün izotermal yorulma ömrüne göre daha düşük olduğunu bulmuşlardır. Ayrıca eş fazlı termomekanik yorulma ömrünün de zıt fazlı termomekanik yorulma ömründen daha düşük olduğunu belirtmişlerdir ve gerçekleştirdikleri mikroskobik incelemeler sonucu eş fazlı termomekanik yorulma altında gözlenen taneler arası kırılmanın yorulma ömründe azalmaya neden olduğunu öne sürmüşlerdir. Skelton vd. (2000) IN100, Nimonic 90, IN738 ve CM247LCDS nikel esaslı süper alaşımları için, 400 1000 C arasında termomekanik yorulma deneyleri yapmışlar ve

11 aldıkları sonuçların ışığında termomekanik yorulma sıcaklık aralığında ve birim uzama genliklerinde izotermal yorulma deneylerini gerçekleştirmişlerdir. Daha sonra elde ettikleri izotermal yorulma sonuçları ile termomekanik yorulma davranışlarını tahmin edecek bir model geliştirmişlerdir. Geliştirdikleri model IN100 alaşımında uygun sonuçlar verirken, diğer alaşımlar için ancak küçük uyarlamalar sonucu uygun sonuca ulaşılabilmektedir. Francois ve Remy (1991) 600 1050 C aralığında gerçekleştirdikleri deneyler ile MARM 509 alaşımının termomekanik yorulma davranışını incelemişler ve yorulma eğrisini elde etmişlerdir. termomekanik yorulma ömrünün önemli bir bölümünün çatlak oluşumu için harcandığını belirttikleri çalışmalarında ayrıca termomekanik yorulma sonuçlarını izotermal yorulma deneyi sonuçları ile kıyaslamışlardır. Liu vd. (2001) nikel esaslı dökme K417 alaşımının termomekanik yorulma davranışını belirlemek için 400 850 C sıcaklık aralığında toplam birim uzama kontrollü tam değişken yorulma deneyi olarak hem IP ve hem de OPtermomekanik yorulma deneylerini gerçekleştirmişlerdir. Karşılaştırmalı değerlendirme için ise aynı alaşıma 850 C de izotermal yorulma deneyi uygulamışlardır. Aynı mekanik birim uzama ve sıcaklık değerleri için izotermal yorulma ile kıyaslandığında termomekanik yorulma, zıt fazlı ile kıyaslandığında ise eş fazlı termomekanik yorulma daha kısa yorulma ömrü göstermiştir. Kırık yüzeyi incelemeleri sonucu ise eş fazlı termomekanik yorulmada çatlağın tane sınırlarında başladığını ve taneler arası ilerlediğini, zıt fazlı termomekanik yorulma ise tanede başladığını ve taneler içi ilerlediği gözlemlemişlerdir. Merckling vd. (1993) nikel esaslı süper alaşımın (NiCr22Co12Mo9), 20 1200 C sıcaklık aralığında gerilme ve birim uzama kontrollü çeki bası izotermal yorulma deneylerini gerçekleştirmişler ve yorulma eğrisini elde etmişlerdir. Maier ve Christ (1996) AISI 304 L paslanmaz çeliği, IMI 834 titanyum alaşımı ve IN 100 nikel esaslı süper alaşımın termomekanik yorulma deneylerini yapmışlar ve sonuç olarak da bu alaşımların gerilme birim uzama davranışlarını belirlemişlerdir. Miller vd. (1993) iki farklı nikel esaslı süper alaşımın termomekanik yorulma ömrünü tahmin edebilmek için bir model geliştirmişler ve bu model ile mikro

12 çatlakların ilerlemesine bağlı olarak termomekanik yorulma ömrünü tahmin etmeye çalışmışlardır. Önerilen model yüksek sıcaklıklarda yorulma hasar mekanizmasını oluşturan yorulma, sünme ve oksidasyonun toplamından oluşmaktadır. Zamrik ve Renauld (1997) deneysel ve analitik olarak gaz türbin kanatlarında kullanılan nikel esaslı süper alaşımların termomekanik yorulma davranışlarını incelemişlerdir. Geliştirilen ömür tahmin modeli IN 738 için oldukça uygun zıt fazlı termomekanik yorulma sonuçları vermiştir. Santacreu vd. (2003) özellikle egzoz manifoldlarında kullanılan paslanmaz çeliklerin termomekanik yorulma davranışlarını incelemişlerdir. Kullandıkları deney düzeneği, termomekanik yorulma deneyi esnasında paslanmaz çelik levhalara eğme yüklemesi yapacak şekilde geliştirilmiştir. Deneysel çalışmalarında ise yaptıkları termomekanik yorulma deneyleri ile bazı ferritik ve ostenitik paslanmaz çeliklerin yorulma eğrilerini elde etmişlerdir. Yang vd. (2003) K40S kobalt alaşımının yorulma davranışını 700 C ve 900 C de, % 0,1 1 toplam birim uzama aralığında incelemişlerdir. Deneyler sonucu alaşım, 700 C de değişken pekleşme, 900 C de ise değişken pekleşmeyi takip eden değişken yumuşama gösterdiği belirlenmiştir. Buna ilave olarak her iki sıcaklık için de artan birim uzama genliği ile yorulma ömrü azalırken, değişken pekleşmenin arttığı gözlemlenmiştir. Moalla vd. (2001) toplam birim uzama kontrollü deney koşulları altında CoCr22Ni22W14 alaşımının zıt fazlı termomekanik yorulma deneylerini gerçekleştirmişler ve yorulma eğrisini elde etmişlerdir. Deneyler için seçtikleri minimum sıcaklık 200 C iken maksimum sıcaklık 750 1200 C arasındadır. Lu vd. (1999) yönlenmiş tanelere sahip kobalt alaşımının yorulma davranışına sıcaklığın etkisini incelemek için oda sıcaklığında, 700 C de ve 800 C de yorulma deneyleri gerçekleştirmişlerdir. Deneyler sonucu artan sıcaklık ile yorulma dayanımının azaldığını belirlemişlerdir. Albrecht (1999) çalışmasında nikel esaslı süper alaşımlar ile düşük yoğunluğu

13 nedeniyle havacılık uygulamalarında nikel esaslı alaşımlara göre bir avantaja sahip olan titanyumun yorulma davranışlarını kıyaslamıştır. Deneyler sonucu titanyum alaşımlarının yorulma dayanımının bu tip uygulamalar için yetersiz olduğunu belirlemiştir. 2.2. Sünmenin Etkisi Manonukul vd. (2005) nikel esaslı bir süper alaşım olan C263 de sünme deformasyonu için fiziksel esaslı temeller kullanılarak geliştirilen eşitlikleri, von Mises yaklaşımını kullanarak çok eksenli gerilme durumları için genelleştirmişlerdir. Sünme hasarı oluşumu esnasında gerilme hassasiyetini araştırmak için, C263 nikel alaşımında bir dizi iki eksenli sünme testi gerçekleştirmişlerdir. Ölçülen bu hassasiyetler ile, C263 alaşımı için sünme deformasyonunu veren eşitlikler oluşturmuşlardır. Bu eşitlikleri sonlu elemanlar koduna uygulamışlar ve belirli bir gerilme aralığı için hesapladıkları sünme davranışlarını deneysel sonuçlar ile kıyaslanmıştır. Oluşturdukları sonlu elemanlar modeli ile çok eksenli gerilme bulunması durumunda sünmedeki kopma dayanımını doğru bir şekilde tahmin etmişlerdir. C263 alaşımında γ için çözünme sıcaklığı 925 C civarındadır. Bundan dolayı bu sıcaklığı geçen termomekanik yorulma yükleri γ ayrışımının çözünmesine ve sonuçta çözündürme tavlaması yapılmış malzeme oluşmasına neden olur. Bu tip malzemenin sünme davranışı ve tekrarlı yükler esnasındaki plastisite davranışı, standart ısıl işlem görmüş malzemeden biraz farklıdır. Bu nedenle çözündürme tavlaması ve standart ısıl işlem görmüş C263 alaşımı için, kinematik ve izotropik sertleşme içeren zamandan bağımsız bir plastisite modeli geliştirmişlerdir. Fiziksel esaslı temeller kullanılarak geliştirdikleri sünme modeliyle birleştirdikleri bu model ile, 20 950 C aralığında termomekanik yükleme durumunda, ömür ve deformasyon miktarını doğru şekilde tahmini etmişlerdir. Zrnik vd. (1997) çalışmalarında yüksek sıcaklıkta sünme ve sünme ile birlikte uygulanan termomekanik yorulma deneylerini biçimlenebilir nikel esaslı süper alaşıma uygulamışlar ve termomekanik yorulma ömrüne sünmenin etkilerini incelemişlerdir. Chen ve Wever (1999) çalışmalarında nikel esaslı süper alaşım IN738LC nin sünme ve yorulma özelliklerini incelemişlerdir. Artan sünme deformasyonu ile yorulma ömrünün azaldığını bulmuşlar ve tüm çatlakların başlangıcının numune yüzeyinde

14 olduğunu ve çatlağın tane sınırları boyunca ilerlediğini gözlemlemişlerdir. Bu yüzden sünme yükü altında tane sınırlarının oksidasyonu, olası sünme mekanizması olarak tanımlanmıştır. Chen vd. (1998) çalışmalarında GH4049 nikel esaslı süper alaşımın sünme yorulma ilişkisini tam değişken, toplam birim uzama kontrollü yorulma deneyi ile saptamaya çalışmışlardır. Sonuç olarak çatlak başlangıcının ve ilk aşamanın taneleri kestiğini, fakat ikinci aşamada çatlak ilerlemesinin taneler arası olduğunu belirtmişlerdir. Ayrıca doğrusal hasar toplama metodunu, sünme yorulma ömrünü tahmin etmek için kullanmışlardır. Zrnik ve Vrchovinsky (1993) çalışmalarında, nikel esaslı süper alaşım EI 698 VD nin yapısal değişiminin sünme karakteristiklerine etkisini incelemişleridir. Yapısal değişiklikler, ayrışım sertleştirmesindeki farklı sıcaklık ve süreler ile elde edilmiştir. Ayrıca asal gama ve tane sınırlarında çökelen M 23 C 6 tipi karbürlerin tane boyutlarının büyümesi ile sünme dayanımının olumsuz olarak etkilendiğini belirtmişlerdir. Zhai'an vd. (1988) çalışmalarında yedi farklı kobalt içeriğine sahip (% 0 25 arasında) nikel esaslı süper alaşımın yüksek sıcaklık sünme deneylerini gerçekleştirmişler ve sonuç olarak % 15 kobalt içeriğinin sünme dayanımı için en iyi değer olduğunu bulmuşlardır. Baldan (1992) çalışmasında IN100 süper alaşımın sünme dayanımına, asal gamanın etkisini araştırmıştır. Asal gama boyutunun hacimsel oranının ve şeklinin alaşımın yüksek sıcaklık sünme davranışını etkilediğini tespit etmiştir. En iyi sünme dayanımının yaklaşık % 50 asal gama oranında elde edildiğini belirtmiştir. Hopgood ve Martin (1986) nikel esaslı süper alaşım SRR99 a 750 C de 800 MPa gerilme altında sünme deneyi uygulamışlardır. Çalışmaları sonucu; sünmenin ilk aşamasında oldukça farklı değerler elde edilmesine rağmen, sünmenin ikinci aşamasında deneyler oldukça yakın değerler vermiştir. Rosen vd. (1993) Ta ilavesinin nikel esaslı süper alaşıma etkilerini araştırmışlardır. İki ticari alaşım (Nimonic 80A ve Waspaloy) ile kendi ürettikleri Ta içeren iki deneysel

15 alaşımı incelemişlerdir. Tantalın, alaşımın sünme dayanımını uygun yaşlandırma işlemi sonrası iyileştirildiği rapor edilmiştir. Diologent ve Caron (2003) 760 C ve 840 MPa da gaz türbin kanatları için uygun alaşımlar olan mono kristalli AM1 ve MCNG nikel esaslı süper alaşımlara sünme deneyi uygulamışlardır. İki alaşımın çekme dayanımları birbirine yakın olmasına rağmen sünme dayanımlarında önemli farklılıklar olduğunu tespit etmişlerdir. Henderson ve Lindblom (1997) CMSX4 nikel esaslı süper alaşımın 982 ve 950 C de sünme dayanımlarını incelemişlerdir. Sonuçlar bu sıcaklıklarda sünme hızının başlangıçta çok düşük olduğunu, yaklaşık % 1 kalıcı uzamaya ulaşıldığında sünme ömrünün % 50 sinin aşıldığını göstermiştir. McDowell ve Miller (1991) sünme yorulma ilişkisinde hasarın tanımını farklı yaklaşımlar ile incelemişler ve bir model oluşturmaya çalışmışlardır. Ayrıca mikro çatlağın ilerlemesinde sünme, yorulma ve ortam ilişkisini de tartışmaya açmışlardır. Daha sonra modellerini izotermal ve termomekanik yorulmada iki nikel esaslı süper alaşımda uygulamışlardır. Heilmaier ve Reppich (1996) MA 754 ve MA 6000 nikel esaslı süper alaşımların yüksek sıcaklık sünme davranışlarını 1.000 C ve yaklaşık 4.000 h ömür için incelemişler ve alaşımların sünme dayanımlarını elde etmişlerdir. Ohno ve Takeuchi (1994) çalışmalarında CMSX2 nikel esaslı süper alaşımı 900 C sünme deneyine maruz tutmuşlar ve alaşımın sünme dayanımını elde etmişlerdir. Sünme dayanımını belirlemek için, bu çalışmada boru şeklinde ince cidarlı numune kullanmışlardır. 2.3. Oksidasyonun Etkisi Matsuoka vd. (2005) termal bariyer kaplaması yapılmış MarM247 alaşımının hava ve iki farklı korozif ortam altında hasar analizini gerçekleştirmişlerdir. Statik sünme yüklemesi durumunda, termal bariyer kaplaması yapılmış MarM247 alaşımının kopma davranışının kaplama yapılmamış alaşım ile hem havada hem de korozif ortamlarda

16 benzer olduğunu tespit etmişlerdir. Bunun aksine, yorulma ve sünme/yorulma yüklemeleri, termal bariyer kaplaması yapılmış numuneler için hem havada hem de korozif ortamlarda kopma ömründe önemli düşüşlere neden olduğunu bulmuşlardır Bunun nedeninin en üst kaplamada önceden bulunan çatlakların neden olduğu yorulma çatlağı ve korozyonlu yorulma çatlağı ilerlemesi olduğunu öne sürmüşlerdir. Ergiyik tuz ortamında, çatlak ilerlemesinin geciktirilmesinde oldukça etkili olan çatlak ucunun körlenmesi ve çatlağın dallanması gibi karakteristik çatlak ilerleme davranışlarını rapor ettikleri çalışmalarında sonuç olarak korozif ortamın, yorulma çatlağının ilerlemesinde etkili olduğunu tespit etmişlerdir. Arakere (2004) uzay araçlarının ana motorunda kullanılan mono kristal nikel esaslı süper alaşımların yorulma hasarlarını incelemiştir. Çalışmasında; PWA1480 ve SC 7 146 alaşımlarının yüksek basınçlı hidrojen ve havada, yüksek sıcaklıkta (23 982 C) düşük çevrimli yorulma deneylerini gerçekleştirmiştir. Chen ve Wei (1998) Ni18Cr18Fe alaşımının yüksek sıcaklıklardaki yorulma çatlağı ilerleme davranışına ortamın etkisini araştırmak için 600, 650 ve 700 C de argon ve oksijen ortamında yorulma deneylerini gerçekleştirmişlerdir. Sonuçlar, oksijenin çatlak ilerleme hızını iki kat artırdığını göstermiştir. Miglietti ve Blum (1998) süper alaşımların yüzeyindeki oksitleri flor iyonları ile temizleme yönteminin yorulma ömrüne etkisini araştırmışlardır. Deneyler sonucu temizlenmemiş numunelerin çatlak başlangıç sürelerinin temizlenmiş numunelere göre oldukça kısa olduğunu tespit etmişlerdir. Aynı şekilde temizlenmiş numunelerin çatlak ilerleme hızlarının da daha düşük olduğu aynı çalışmada belirtilmiştir. Aghion vd. (1991) ortamın yorulma dayanımına etkisini araştırmak için MARM200 + Hf nikel esaslı süper alaşıma 975 C de ve saf azot ile saf karbondioksit ortamlarda termomekanik yorulma deneyi uygulamışlardır. Azot ve karbondioksitin inert atmosferler olmasına rağmen sonuçları etkiledikleri tespit etmişlerdir. Nedenini ise bu gazlar ile alaşım elementleri arasındaki reaksiyonlar olarak göstermişler ve bunu kırılmanın taneler içi olmasına dayandırmışlardır. Gayda vd. (1991) uzay araçlarının ana motorlarında kullanılan nikel esaslı süper

17 alaşım PWA 1480 in termomekanik yorulma ömrüne ortamın etkisini araştırmışlardır. Deneyler sonucu ortamda bulunan hidrojenin yorulma ömrünü düşürdüğünü tespit etmişlerdir. Defrense ve Remy (1990a) mono kristal nikel esaslı süper alaşım CMSX2 nin yorulma dayanımını 650 C de incelemişlerdir. Vakumda gerçekleştirdikleri deneyler sonucu çatlak ilerleme hızı ve kırılma modunda, özellikle düşük birim uzama genliklerinde önemli değişiklikler gözlemlediklerini rapor etmişlerdir. Hancock (1989) işletme koşullarının süper alaşımlarda yorulma çatlağı ilerlemesinde önemsiz, çatlak oluşumunda ise çok belirgin bir etkiye sahip olduğunu belirtmiştir. Ayrıca çalışmasında çatlak oluşumunun türbin kanatlarının ömrünü belirleyen ana faktör olduğunu da tespit etmiştir. Gourgues ve Andrieu (2003) Alloy 600 alaşımının yüksek sıcaklık çatlak ilerleme davranışını, 400 C ve 550 C de gerçekleştirdikleri deneyler ile incelemişlerdir. Yorulma yükleri altında 400 C ve 550 C de çatlak ilerlemesinin vakumda taneler içi iken havada taneler arası olduğunu tespit etmişlerdir. Tong vd. (2001) çatlak ilerlemesine sünme, yorulma ve oksidasyonun etkilerini, 650 C de gerçekleştirdikleri deneyler ile incelemişlerdir. Sonuçta oksidasyonun çatlak ilerlemesinde baskın mekanizma olduğunu ve sünmenin de sınırlı olarak çatlak ucunda gözlemlendiğini rapor etmişlerdir. Esmaeili vd. (1995) termomekanik yorulma oksidasyon ilişkisini araştırmak için, güç tesislerinde kullanılan türbin kanatlarının malzemesi olan yüksek krom ve düşük karbon içeren dökme IN738LC alaşımının matris oksidasyonunu incelemişlerdir. Sonuçlar süper alaşımların termomekanik yorulma ömrünün oksidasyon ile güçlü bir şekilde etkilendiğini göstermiştir. Şehitoğlu (1990) çalışmasında yüksek sıcaklıktaki oksidasyonun, izotermal yorulma ve termomekanik yorulma davranışına etkisini incelemiştir. Deneyler farklı birim uzama koşulları altında ve havada gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar termomekanik yorulma koşulları altında çeliklerin, nikel esaslı süper alaşımların ve alüminyum alaşımlarının

18 hasar mekanizması belirlenmesinde yardımcı olmuştur. Bu çalışmada 1070 çeliği, nikel esaslı süper alaşım MarM247 ve Al2xxxT4 alüminyum alaşımı kullanılmıştır. Murata vd. (2001) % 12 Cr içeren nikel esaslı süper alaşım ile sünme deneyleri gerçekleştirmişlerdir. Sünme dayanımını, güç tesislerindeki endüstriyel gaz türbinlerinin servis koşullarına oldukça yakın şartlar olan 196 MPa ve 920 C için ölçmüşlerdir. Sıcak korozyon dayanımının aksine, alaşımda Ti/Al oranı yüksek ise oksidasyon dayanımının düştüğünü rapor etmişlerdir. Hu vd. (1988) 973 K ve 430 MPa da ve % 10 SO 2 içeren ortamda GH33 alaşımının havadan daha düşük sünme dayanımına sahip olduğunu yaptıkları deneyler ile tespit etmişler ve sonuçların sünme ile ortam arasındaki etkileşimin hasar mekanizmasını hızlandırdığını belirtmişlerdir. 2.4. Sıcaklığın Etkisi Türbin elemanları, başlangıçta ortam sıcaklığından işletme sıcaklıklarına çıkarken, deneyi basitleştirmek ve deney süresini kısaltmak için minimum sıcaklık 400 C civarında alınmaktadır. Burada çekme dayanımı ve düşük çevrimli yorulma dayanımı gibi ölçülen değerlerin oda sıcaklığından 400 C ye kadar değişmediği varsayılmaktadır. Arrell vd. (2004) bu varsayımı doğrulamak için CMSX4 mono kristal alaşımına minimum sıcaklık 400 C ve 100 C olacak şekilde termomekanik yorulma deneyi uygulamışlardır. Sonuçlar bu varsayımı doğrulamamış, minimum sıcaklık 400 C den 100 C ye düştüğünde çatlak oluşma ömrünün üçte bir oranında azaldığını tespit etmişlerdir. Affeldt vd. (2003) 400 1100 C aralığında termomekanik yorulma koşulları altında, 10 C/s hız ile ısıtılıp soğutulduğunda oluşan sıcaklık dağılımlarını incelemişlerdir. Sıcaklık ölçümünü, CMSX6 nikel esaslı süper alaşım numunenin yüzeyine ve iç kısımlarına yerleştirilmiş termo elemanlarla yapmışlardır. İlave olarak yüzey sıcaklığını da termal kamera yardımıyla ölçmüşlerdir. He vd. (2002) Haynes HR120 alaşımının yorulma davranışını, 24 982 C sıcaklık ve % 0,4 2,3 toplam birim uzama aralığında incelemişlerdir. Deneyler sonucu artan

19 sıcaklık ile alaşımın yorulma ömründe önemli düşüş olduğunu tespit etmişlerdir. Ayrıca alaşımda gözlenen değişken pekleşme ve değişken yumuşamanın sıcaklık ve toplam birim uzama miktarları ile ilgili olduğu belirtilmiştir. Chen vd. (1999) GH4049 nikel esaslı süper alaşıma 500 850 C sıcaklık aralığında uyguladıkları yorulma deneyleri ile değişen sıcaklığın yorulma ömrüne etkisini araştırmışlardır. Çalışmalarında, düşük birim uzama miktarlarında artan sıcaklık ile yorulma ömrünün azaldığını belirtmişlerdir. Ayrıca gerçekleştirdikleri kırılma yüzeyi analizleriyle de kırılma modunun taneler içi olduğunu tespit etmişlerdir. Stephens vd. (1993) çalışmalarında Waspaloy alaşımının çatlak oluşumuna, sıcaklığın etkisini araştırmışlardır. Bu amaçla deney cihazı ile eş zamanlı çalışan bir elektron mikroskobu kullanmışlardır. 25, 500 ve 750 C de gerçekleştirdikleri deneyler sonucu, çatlak oluşumunun 25 ve 500 C için kayma bantlarında, 750 C için ise kayma bantları ile ikiz sınırlarında oluştuğunu belirtmişlerdir. Reger ve Remy (1988a) IN100 alaşımına 20 1000 C aralığında gerçekleştirdikleri yorulma deneyleri ile, sıcaklığın yorulma ömrü üzerine etkisini araştırmışlardır. Deneyler sonucu artan sıcaklık ile yorulma ömrünün azaldığını belirtmişlerdir. Ayrıca kırık yüzeyi incelemeleri sonucu, yorulma kırıklarının yüksek sıcaklıklarda tamamen oksitlenmiş olduğunu da tespit etmişlerdir. Zhao vd. (2001) çalışmalarında GH536 nikel esaslı süper alaşımı için 600, 700 ve 800 C de yorulma deneylerini gerçekleştirmişlerdir. Bu deneyler ile birim uzama yorulma ömrü ve gerilme yorulma ömrü ilişkilerini verilen sıcaklıklarda incelemişlerdir. Artan sıcaklık ile yorulma ömründeki değişimi tartışmaya açmışlardır. Düşük ve orta birim uzama genliklerinde yorulma ömrünün artan sıcaklık ile azaldığını rapor etmişlerdir. Ziebs vd. (2000) IN738LC nin yorulma ömrünü belirlemek için işletme koşullarını simule eden termomekanik yorulma deneylerini havada yapmışlardır. Numuneleri; 450 950 C, 450 760 C ve 600 850 C sıcaklık aralıklarında deneye tabi tutmuşlardır. Sonuçlar, yorulma ömürlerinin birim uzama sıcaklık fazları ile birbirlerinden ayrıldıklarını göstermektedir. Elmas şeklindeki birim uzama sıcaklık