A Study on the Oxidation Behavior of Nitrided Waspaloy Alloy

Yıl 2025, Cilt: 37 Sayı: 1, 19 - 26, 25.03.2025

Mehmet Masum Tünçay

https://doi.org/10.7240/jeps.1602473

Öz

Waspaloy, a nickel-based superalloy, is widely used in high-temperature applications such as gas turbines. Enhancing the operating temperature limits of superalloys often involves adding elements like chromium, aluminum, tantalum, and hafnium or applying surface treatments such as PVD, CVD, diffusion coatings, and thermal barrier coatings. This study investigates the oxidation resistance of Waspaloy following gas nitriding, a process that enhances hardness and wear resistance by forming a CrN phase through nitrogen diffusion. Nitrided samples were subjected to isothermal oxidation at 1175°C for 48, 96, and 288 hours, with weight gains of 0.01, 0.03, and 0.45 grams, respectively. Cross-sectional microstructures were analyzed via SEM, and surface characterization was performed using XPS. Oxidation began after 48 hours, with significant progression by 288 hours. XPS analysis of the 288-hour sample revealed Co and O peaks, suggesting the formation of cobalt-containing oxides. Interior microhardness measurements, to evaluate changes in mechanical performance after isothermal oxidation, showed reductions from 457±7 HV(0.2) pre-oxidation to 373±9 HV(0.2) and 347±7 HV(0.2) after 48 and 288 hours, respectively. This hardness decrease is linked to potential precipitate dissolution and/or precipitate depletion due to possible internal oxidation at grain boundaries. The findings suggest that gas nitriding does not sufficiently improve Waspaloy’s oxidation resistance at 1175°C. Detailed characterization of oxides and metallurgical degradation is recommended for future studies.

Anahtar Kelimeler

Waspaloy, Gas Nitriding, Oxidation, Isothermal

Nitrasyon Uygulanmış Waspaloy Alaşımının Oksidasyon Davranışı Üzerine Bir İnceleme Çalışması

Öz

Nikel bazlı bir süper alaşım olan Waspaloy gaz türbinleri gibi yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılmaktadır. Süper alaşımların kullanım sıcaklıklarının daha da arttırılması için krom, alüminyum, tantal, hafniyum gibi farklı element ilaveleri ya da fiziksel buhar biriktirme, kimyasal buhar biriktirme, difüzyon kaplama, thermal bariyer kaplama gibi yüzey işlemleri uygulanabilmektedir. Bu çalışmada, gaz nitrasyon işlemi sonrası Waspaloy’un oksidasyon direnci incelenmiştir. Gaz nitrasyonu, azot iyonlarının malzeme yüzeyine difüzyonunu sağlayarak CrN fazı oluşturmasıyla sertlik ve aşınma direncini arttırmayı amaçlar. Nitrasyon uygulanmış numuneler, 48, 96 ve 288 saat boyunca 1175°C’de izotermal oksidasyona tabi tutulmuştur ve ağırlık kazanımları sırasıyla 0,01, 0,03 ve 0,45 gram olarak ölçülmüştür. Oksidasyon sonrası mikroyapının kesit görüntüleri SEM ile incelenmiş ve yüzeye XPS işlemi gerçekleştirilmiştir. Sonuçlara göre, 48 sa numunesinden itibaren bir miktar oksitlenme başlamakla birlikte 288 sa sonunda oksidasyon şiddetinde dikkate değer bir artış olmuştur. XPS analizlerinde 288 saatlik numunede ilave Co ve O pikleri tespit edilmiştir; bu, kobalt içerikli oksit oluşumuna işaret etmektedir. İzotermal oksidasyon işlemi sonrası numunenin mekanik performansındaki değişimi gözlemlemek amacıyla iç bölgeden mikrosertlik ölçümü alınmıştır. Numunelerin oksidasyon öncesi ve 48 sa, 288 sa oksidasyon sonrası iç bölge sertlikleri ise sırasıyla 457±7, 373±9, 347±7 HV(0,2) olarak ölçülmüştür. Sertlikteki düşüş olası çökelti çözünmesi ve/veya tane sınırlarında meydana gelen ve buralardaki çökeltilerin olası iç oksidasyonu ile oluşan çökelti azalması ile ilişkilendirilebilir. Ağırlık kazanımları, SEM kesit görüntüleri ve XPS analizlerine göre gaz nitrasyonunun, 1175°C’de Waspaloy’un oksidasyon direncini artırmada yeterli koruma sağlayamadığı düşünülebilir. Bununla birlikte, gelecekteki çalışmalarda daha detaylı bir oksit karakterizasyonu ve metalurjik yapı bozunması analizi tavsiye edilmektedir.

Anahtar Kelimeler

Waspaloy, Gaz Nitrasyon, Oksidasyon, İzotermal

Etik Beyan

Herhangi bir etik kurul raporuna ihtiyaç yoktur. Çıkar çatışması bulunmamaktadır.

Teşekkür

Prof.Dr. Arif Nihat Güllüoğlu’na sunduğu alt yapı desteği için teşekkür ederim. Deneylerin gerçekleştirilmesi için proses desteği sunan Alfa Metalurji’ye, Mikrosertlik analizlerimizde desteklerini esirgemeyen Tri Mühendislik A.Ş ve AR-GE Müh. Hilal Çolak’a, XPS analizlerinin gerçekleştirilmesinde destek sunan Dokuz Eylül Üniversitesi EMUM’a, SEM analizlerinin gerçekleştirildiği Katip Çelebi Üniversitesi Merkez Laboratuvarı çalışanlarına, Marmara Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Metalografi Laboratuvarı’nda Tekniker Semih Güven’e destekleri için teşekkür ederim.

Kaynakça

• Akande, I.G., O.O. Oluwole, O.O., Fayomi, O.S.I., Odunlami, O.A. S., (2021). Overview of mechanical, microstructural, oxidation properties and high-temperature applications of superalloys. Materials Today: Proceedings, Cilt. 43, s. 2222–2231.
• Meetham, G. W. S., (1991). High-temperature materials- a general review. Journal of Materials Science, Cilt. 26, s. 853-860.
• Bar-Cohen, Y., (2014). High-temperature Materials and Mechanisms. 1st ed., CRC Press, Boca Raton, 563s.
• Cruchley, S., Evans, H., Taylor, M., (2016). An overview of the oxidation of Ni-based superalloys for turbine disc applications: surface condition, applied load and mechanical performance. Materials at High Temperatures, Cilt. 33:4-5, s. 465-475.
• Chen, J.H., Roger, P.M., Little, J.A., (1997). Oxidation Behavior of Several Chromia-Forming Commercial Nickel-Base Superalloys. Oxidation of Metals, Cilt. 47, Sayı. 5/6, s.381-409.
• Meyer, J., Deodeshmukh, V., (2017). Long-Term Oxidation Resistance of Several Precipitation Strengthened Ni-Based Superalloys. Proceedings of ASME Turbo Expo 2017: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, GT2017, June 26-30, 2017, Charlotte, NC, USA
• Shanov, V., Tabakoff, W., Gunaraj, J.A., (1997). Erosion behavior of uncoated Waspaloy and Waspaloy coated with titanium carbide. Surface and Coatings Technology, 94-95, 64-69.
• Biava, G., de Araujo Fernandes Siqueira, I.B., Vaz, R.F., de Souza, G.B., Jambo., H.C.M., Szogyenyi, A., Pukasiewicz, A.G.M., (2022). Evaluation of high temperature corrosion resistance of CrN, AlCrN, and TiAlN arc evaporation PVD coatings deposited on Waspaloy. Surface and Coatings Technology, 438, 128398.
• Shoja-Razavia, R., (2015). Laser Beam Welding of WASPALOY for Aeronautic Engine Application. Lasers in Manufacturing Conference 2015, June 22-25, 2015, Munich ICM, Germany,
• Penna, C. D. , (2000). Development of New Nitrided Nickel-Base Alloys for High Temperature Applications. Superalloys 2000, ed. Pollock, T.M. , Kissinger, R.D., Bowman, R.R., Green, K.A., McLean, M. , Olson, S., Schirra, J.J., TMS The Minerals, Metals &Materials Society.
• Lerch, B. A. , Jayaraman, N., Antolovich, S. D., (1984). A study of fatigue damage mechanisms in Waspaloy from 25 to 800°C. Materials Science and Engineering, 66, 151-166.
• Utada, S., Sasaki, R., Reed, R. C., Tang, Y. T., (2022). Overheating of Waspaloy: Effect of cooling rate on flow stress behavior. Materials & Design, 221, 110911.
• Chen, J.H., Roger, P.M., Little, J.A., (1997). Isothermal & Cyclic Oxidation of Chromia Forming Nickel-Based Superalloys. Materials Science Forum, 251-254 , 57-64.
• Li, Y., Tan, Y., You, X., Wang, D., Hu, Y., Song, S., Qiang, J., (2023). Effect of trace impurity elements on the high-temperature oxidation resistance of a high-purity nickel-based superalloy. Corros. Sci., 211, 110904.
• Yao, H., Dong, J., Gong, Z., Zhao, J., Yang, G., (2022). Influence of Replacing Molybdenum with Tungsten on the Creep Fracture Property of Waspaloy Nickel-Based Alloy. Metals, 12(11):1842.
• Wang, M., Cheng, X., Jiang, W., Cao, T., Liu, X., Lu, J., Zhang, Y., Zhang, Z., (2023). The effect of amorphous coating on high temperature oxidation resistance of Ni-based single crystal superalloy. Corros. Sci., 213, 111000.
• Palma Calabokis, O., Nuñez de la Rosa, Y.E., Ballesteros-Ballesteros, V., Gil González, E.A., (2024). Nitriding Treatments in Nickel–Chromium-Based Superalloy INCONEL 718: A Review. Coatings, 14, 993.
• Eliasen, K. M., Christiansen, T. L., Somers, M. A. J., (2010). Low temperature gaseous nitriding of Ni based superalloys. Surface Engineering, 26(4), 248–255.
• Du, J. W., Chen, L., Chen, J., Hu, C., (2021). Influence of oxygen addition on the structure, mechanical and thermal properties of CrN coating. Surface and Coating Technology, 411, 126992.
• Forsik, S.A.J., Polar Rosas, A.O., Wang, T., Colombo, G.A., Zhou, N., Kernion, S.J., Epler, M.E., (2018). High-Temperature Oxidation Behavior of a Novel Co-Base Superalloy. Metall Mater Trans A, 49, 4058–4069.