Yıl 2021, Cilt 11 , Sayı 1, Sayfalar 61 - 72 2021-06-09

Investigation of microstructure, wear and mechanical properties of boronized Inconel 718 superalloy
Borlama işlemi uygulanmış Inconel 718 süperalaşımın mikroyapı, aşınma ve mekanik özelliklerinin incelenmesi

Hüseyin DURAN [1] , Derviş ÖZKAN [2] , Cahit KARAOĞLANLI [3]


In this study, the wear resistance of Inconel 718 Ni-based superalloy, which has high corrosion and creep resistance but has limited use in tribological applications due to its low surface roughness was improved via boriding method. Pack-boriding process was applied on Inconel 718 substrate material at 950°C using Ekabor 2 powder for 4, 8 and 16 hour boriding periods. Scanning electron microscopy (SEM), optical microscopy analysis, X-ray diffraction (XRD) analysis, microhardness measurements and tribological tests were performed to assess the effect of resulting phases and coating layer on the metallographic and mechanical properties of the borided speciments. In this study, Inconel 718 superalloy substrate was pack borided with boron and coal dust at 950° C for 4, 8 and 16 h. The phases formed in the samples as a result of the boronizing process and the effects of boron layer on the mechanical properties of the material were investigated. Reciprocating wear tests were applied under varying loads (3N, 5N, 10N and 15N) on the non-borided and borided samples and their wear performances were comparatively evaluated. The specimens’ hardness ranking was determined. As a result of the characterization studies, layers consisting of Ni2Si, Ni4B4 and FeB were detected. The sample with the best wear resistance was the one subjected to a boronizing time of 4 h at 950°C. This result was further supported by the finding that, the hardest layer exhibiting the best diffusion behavior belonged to this sample. This was attributed to the formation of a uniform boride layer in the vertical direction from the surface and the high hardness of this layer.
Bu çalışmada, yüksek korozyon direnci ve sürünme dayanımı olan ancak düşük yüzey sertliğinden dolayı tribolojik uygulamalarda kullanımı sınırlı olan Inconel 718 Ni-esaslı süperalaşımının borlama ile aşınma dirençlerinin iyileştirilmesi çalışılmıştır. Inconel 718 altlık malzemesine 950°C’de EKabor 2 tozu ortamında 4, 8 ve 16 saatlik süreli periyotlarda kutu borlama işlemi uygulanmıştır. Borlama prosesi sonucunda numunelerde oluşan fazlar ve meydana gelen kaplama tabakasının malzemenin metalografi ve mekanik özelliklerine olan etkisinin incelenmesi amacıyla taramalı elektron mikroskobu (SEM), optik mikroskop analizi, X-ışınları difraksiyonu (XRD) analizi, mikrosertlik ölçümleri ve aşınma testleri gerçekleştirilmiştir. Aşınma testleri işlemsiz Inconel 718 ve farklı sürelerde borlanmış numunelere farklı yükler (3N, 5N, 10N ve 15N) altında, ileri-geri (reciprocating) aşınma testi uygulanarak aşınma yüzey profilleri elde edilmiş ve aşınma performansları karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Numunelerin sıralı sertlik değerleri belirlenmiştir. Karakterizasyon incelemeleri sonucunda Ni2Si, Ni4B4 ve FeB fazından oluşmuş kaplama tabakaları elde edilmiştir. Aşınma testleri sonucunda aşınma dayanımı en iyi olan numunenin 950°C’de 4 saatlik borlama süresine tabi tutulan numune olduğu ve aşınma mekanizmalarının abrasif aşınma olduğu tespit edilmiştir. En iyi aşınma direncinin 950°C’de 4 saat süre ile borlanan numunede elde edilmiş olması en sert ve en iyi nüfuziyet gösteren kaplama tabakasının bu parametrede elde edilmesinin bir sonucu olarak ortaya çıkmıştır.
  • Akca, E., Gürsel, A., 2015. A review on superalloys and IN718 nickel-based Inconel superalloy. Periodicals of engineering and natural sciences, 3(1): 15-27. http://dx.doi.org/10.21533/pen.v3i1.43
  • Aytekin, H., Akçin, Y., 2013. Characterization of borided Incoloy 825 alloy. Materials Design, 50, 515-521. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2013.03.015
  • Barkat, A., Hammou, A.D., Allaoui, O., 2017. Effect of Boriding on the Fatigue Resistance of C20 Carbon Steel. Acta Physica Polonica A, 132, 813-815. 10.12693/APhysPolA.132.813
  • Baştürk, S., Erten, M., 2006. Borlama ile Yüzey Sertleştirme Çalışmaları. Mühendis ve Makine, 47 (563), 57-74. Bochenek, K., Basista, M., 2015. Advances in processing of NiAl intermetallic alloys and composites for high temperature aerospace applications. Progress in Aerospace Sciences, 79: 136-146. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2015.09.003
  • Bose, S., 2007. High Temperature Coatings, 1.st Edition, Butterworth-Heinemann, Burlington, 299 pp. https://doi.org/10.1016/B978-0-7506-8252-7.X5000-8
  • Cataldo, J., Galligani, F., Harraden, D., 2000. Boriding of nickel by the powder-packmethod. Adv. Mater. Process, 157: 35–38.
  • Campos-Silva, I., Contla-Pacheco A.D., Ruiz-Rios, A., Martínez-Trinidad J., Rodríguez-Castro, G., Meneses-Amador, A., Wong-Angel, W.D., 2018. Effects of acratch tests on the adhesive and cohesive properties of borided Inconel 718 superalloy. Surface and Coatings Technology, 349: 917-927. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.05.086
  • Deng, D.W., Wang, C.G., Liu, Q.Q., Niu, T.T., 2015. Effect of standard heat treatment on microstructure and properties of borided Inconel 718. Trans. Nonferrous Metals Soc. China, 25:437-443. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(15)63621-4
  • Dinc, H., Motellabzadeh, A., Baydogan, M., Cimenoglu, H., 2013. Thermochemical boriding of Inconel 718 superalloy. Academic Journal of Science, 2(2).
  • Donachie, M.J. and Donachie, S.J., 2002. Superalloys: a technical guide, Materials Park, 2nd Edition, USA, ASM International, 439. 10.31399/asm.tb.stg2.9781627082679
  • Dwivedi, G., Viswanathan, V., Sampath, S., 2013. Multilayer thermal barrier coatings for gasified coal based turbine engines. Advanced Materials and Processes, 171: 49-51.
  • Günen, A., 2020. Properties and high temperature dry sliding wear behavior of boronized Inconel 718. Metallurgical and Materials Transactions A, 51(2): 927-939. https://doi.org/10.1007/s11661-019-05577-3
  • Günen, A., Kanca, E., 2017. Farklı bor kimyasalları ile borlanmış Inconel 625 alaşımının karakterizasyonu. Pamukkale Univ. Muh. Bilim Dergisi, 23(4): 411-416. http://dx.doi.org/10.5505/pajes.2017.56689
  • Gunes, I., Kayali, Y., 2014. Investigation of mechanical properties of borided Nickel 201 alloy. Materials Design, 53, 577-580. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2013.07.001
  • Güneş, E., Demirel Ç., Toprak, G., Çetin, M., Gül, F., 2011. GGG50 Malzemenin Abrasif Aşınma Davranışına Borlamanın Etkisi, In 6th International Advanced Technologies Symposium, 1-5, Elazığ.
  • Joshi, A.A., Singh, R.P., Hosmani, S.S., 2017. Microstructure evolution in boronized inconel 718 superalloy. Journal of Metallurgy and Materials Science, 59(1): 11-21.
  • Kaplanskii, Y.Y., Levashov, E.A., Korotitskiy, A.V., Loginov, P.A., Sentyurina, Zh.A., Mazalov A.B., 2020. Influence of aging and HIP treatment on the structure and properties of NiAl-based turbine blades manufactured by laser powder bed fusion. Additive Manufacturing, 31: 100999. https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.100999
  • Kuo, C.M., Yang, Y.T., Bor, H.Y., Wei, C.N., Tai, C.C., 2009. Aging effects on the microstructure and creep behavior of Inconel 718 superalloy. Materials Science and Engineering:A, 510-511: 289-294. https://doi.org/10.1016/j.msea.2008.04.097
  • Makuch, N., Kulka, M., 2016. Fracture toughness of hard ceramic phases produced on Nimonic 80A-alloy by gas boriding. Ceramics international, 42(2): 3275-3289. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2015.10.119
  • Makuch, N., 2020. Nanomechanical properties and fracture toughness of hard ceramic layer produced by gas boriding of Inconel 600 alloy. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 30(2): 428-448. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(20)65224-4
  • Makuch, N., Kulka, M., 2014. Microstructural Characterization And Some Mechanical Properties of Gas-Borided Inconel 600-Alloy. Applied Surface Science, 314: 1007-1018. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.06.109
  • Medvedovski, E., Chinski, F.A., Stewart, J., 2014. Wear‐and Corrosion‐Resistant Boride‐Based Coatings Obtained through Thermal Diffusion CVD Processing. Advanced Engineering Materials, 16 (6), 713-728. https://doi.org/10.1002/adem.201400090
  • Monceau, D., Oquab, D., Estournes, C., Boidot, M., Selezneff, S., Ratel-Ramond N., 2010. Thermal barrier systems and multi-layered coatings fabricated by spark plasma sintering for the protection of Ni-base superalloys. Materials Science Forum, 654: 1826-1831. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.654-656.1826
  • Mu, D., Shen, B. L., Yang, C., Zhao, X., 2009. Microstructure analysis of boronized pure nickel using boronizing powders with SiC as diluent. Vacuum, 83(12), 1481-1484. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2009.06.048
  • Saman, S., 2011. Microstructure, Oxidation and mechanical properties of assprayed and annealed HVOF and VPS CoNiCrAlY coatings, Phd Thesis, University of Nottingham, 259 pp.
  • Schulz, U., Menzebach, M., Leyens, C., Yang, Y. Q., 2001. Influence of substrate material on oxidation behavior and cyclic lifetime of EB-PVD TBC systems. Surface and Coatings Technology, 146 117–123. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(01)01481-5
  • Sklenička, V., Kvapilov, M., Král, P., Dvořák, J., Svoboda, M., Podhorná, B., Zýka, J., Hrbáček, K., Joch, A., 2018. Degradation processes in high-temperature creep of cast cobalt-based superalloys. Materials Characterization, 144:479–489. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2018.08.006
  • Subaşı, E., Kayalı, E., Baydoğan, M., 2016. Inconel 718 süper alaşımının farklı gerilme ve sıcaklıklarda yüksek sıcaklık sürünme davranışının incelenmesi. Sakarya University Journal of Science, 20(1): 47-54. 10.16984/saufenbilder.29235
  • Sista, V., Kahvecioglu, O., Kartal, G., Zeng, Q.Z., Kim, J.H, Eryilmaz, O.L., Erdemir, A., 2013. Evaluation of electrochemical boriding of Inconel 600. Surface and Coating Technology, 215, 452-459. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.08.083
  • Topuz, P., 2016. DIN 1.2842 çeliğinin borlanması ile oluşan borür tabakası üzerine borlama sıcaklık ve süresinin etkileri. Bor Dergisi, 1(1), 15-19.
  • Yang, X., Li, S., Qi, H., 2015. Effect of high-temperature hot corrosion on the low cycle fatigue behavior of a directionally solidified nickel-base superalloy. International Journal of Fatigue, 70: 106-113. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2014.08.011
  • Yıldız, İ., Güneş, İ., 2020. Borlanmış% 5 Mg katkılı Ni-Mg alaşımının yüzey özelliklerinin incelenmesi. Politeknik Dergisi, 23(1), 97-104. https://doi.org/10.2339/politeknik.512600
  • Yılmaz, R., Özyürek, D., Kibar, E., 2013. Yeniden çözeltiye alma parametrelerinin 7075 alüminyum alaşımlarının sertlik ve aşınma davranışlarına etkisi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 27 (2).
  • Yu, B., Li, Y., Nie, Y., Mei, H., 2018. High temperature oxidation behavior of a novel cobalt-nickel-base superalloy. Journal of Alloys and Compounds, 765: 1148–1157. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.06.275
Birincil Dil tr
Konular Mühendislik
Bölüm Araştırma Makaleleri
Yazarlar

Orcid: 0000-0002-9042-3554
Yazar: Hüseyin DURAN
Kurum: UBM Plastik ve Ticaret LTD ŞTİ
Ülke: Turkey


Orcid: 0000-0002-4978-290X
Yazar: Derviş ÖZKAN (Sorumlu Yazar)
Kurum: BARTIN ÜNİVERSİTESİ
Ülke: Turkey


Orcid: 0000-0002-1750-7989
Yazar: Cahit KARAOĞLANLI
Kurum: BARTIN UNIVERSITY
Ülke: Turkey


Tarihler

Yayımlanma Tarihi : 9 Haziran 2021

Bibtex @araştırma makalesi { karaelmasfen811408, journal = {Karaelmas Fen ve Mühendislik Dergisi}, issn = {2146-7277}, address = {Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi}, publisher = {Bülent Ecevit Üniversitesi}, year = {2021}, volume = {11}, pages = {61 - 72}, doi = {}, title = {Borlama işlemi uygulanmış Inconel 718 süperalaşımın mikroyapı, aşınma ve mekanik özelliklerinin incelenmesi}, key = {cite}, author = {Duran, Hüseyin and Özkan, Derviş and Karaoğlanlı, Cahit} }
APA Duran, H , Özkan, D , Karaoğlanlı, C . (2021). Borlama işlemi uygulanmış Inconel 718 süperalaşımın mikroyapı, aşınma ve mekanik özelliklerinin incelenmesi . Karaelmas Fen ve Mühendislik Dergisi , 11 (1) , 61-72 . Retrieved from https://dergipark.org.tr/tr/pub/karaelmasfen/issue/62732/811408
MLA Duran, H , Özkan, D , Karaoğlanlı, C . "Borlama işlemi uygulanmış Inconel 718 süperalaşımın mikroyapı, aşınma ve mekanik özelliklerinin incelenmesi" . Karaelmas Fen ve Mühendislik Dergisi 11 (2021 ): 61-72 <https://dergipark.org.tr/tr/pub/karaelmasfen/issue/62732/811408>
Chicago Duran, H , Özkan, D , Karaoğlanlı, C . "Borlama işlemi uygulanmış Inconel 718 süperalaşımın mikroyapı, aşınma ve mekanik özelliklerinin incelenmesi". Karaelmas Fen ve Mühendislik Dergisi 11 (2021 ): 61-72
RIS TY - JOUR T1 - Borlama işlemi uygulanmış Inconel 718 süperalaşımın mikroyapı, aşınma ve mekanik özelliklerinin incelenmesi AU - Hüseyin Duran , Derviş Özkan , Cahit Karaoğlanlı Y1 - 2021 PY - 2021 N1 - DO - T2 - Karaelmas Fen ve Mühendislik Dergisi JF - Journal JO - JOR SP - 61 EP - 72 VL - 11 IS - 1 SN - 2146-7277- M3 - UR - Y2 - 2021 ER -
EndNote %0 Karaelmas Fen ve Mühendislik Dergisi Borlama işlemi uygulanmış Inconel 718 süperalaşımın mikroyapı, aşınma ve mekanik özelliklerinin incelenmesi %A Hüseyin Duran , Derviş Özkan , Cahit Karaoğlanlı %T Borlama işlemi uygulanmış Inconel 718 süperalaşımın mikroyapı, aşınma ve mekanik özelliklerinin incelenmesi %D 2021 %J Karaelmas Fen ve Mühendislik Dergisi %P 2146-7277- %V 11 %N 1 %R %U
ISNAD Duran, Hüseyin , Özkan, Derviş , Karaoğlanlı, Cahit . "Borlama işlemi uygulanmış Inconel 718 süperalaşımın mikroyapı, aşınma ve mekanik özelliklerinin incelenmesi". Karaelmas Fen ve Mühendislik Dergisi 11 / 1 (Haziran 2021): 61-72 .
AMA Duran H , Özkan D , Karaoğlanlı C . Borlama işlemi uygulanmış Inconel 718 süperalaşımın mikroyapı, aşınma ve mekanik özelliklerinin incelenmesi. Karaelmas Fen ve Mühendislik Dergisi. 2021; 11(1): 61-72.
Vancouver Duran H , Özkan D , Karaoğlanlı C . Borlama işlemi uygulanmış Inconel 718 süperalaşımın mikroyapı, aşınma ve mekanik özelliklerinin incelenmesi. Karaelmas Fen ve Mühendislik Dergisi. 2021; 11(1): 61-72.
IEEE H. Duran , D. Özkan ve C. Karaoğlanlı , "Borlama işlemi uygulanmış Inconel 718 süperalaşımın mikroyapı, aşınma ve mekanik özelliklerinin incelenmesi", Karaelmas Fen ve Mühendislik Dergisi, c. 11, sayı. 1, ss. 61-72, Haz. 2021