Effect of different surface treatments on the tensile and wear behavior of Inconel 625 superalloy and aisi 321 stainless steel

Abstract

AISI 321 stainless steel and Inconel 625 superalloy are utilized in an extensive range of applications such as aircraft engines, nuclear powerplants and industrial furnaces due to their excellent mechanical properties at high temperatures. The surface treatment of these materials is necessary due to the extreme work ing environments. Boronizing and WC coating is the most important surface hard ening processes. In the current work, the effect of boronizing and WC coating on the wear performance and tensile behavior of AISI 321 and Inconel 625 at room and high temperature were investigated. Furthermore, damage mechanisms and fracture morphologies were observed using Scanning Electron Microscopy (SEM) and optical profilometry. According to room temperature tensile test results, yield strength (YS) and ultimate tensile strength (UTS) of the samples are reduced after the boronizing process. This strength reduction may be attributed to the softening of the material throughout the boronizing process at high temperature of 1100°C. On the other hand, ductility of the Inconel 625 samples has been decreased due to dynamic strain aging at 600°C. The yield strength of the boronized samples was significantly reduced because of the decomposition of boron particles throughout tensile test at elevated temperatures. Consequently, the fracture morphology observations revealed that the main fracture mechanism of both coated and uncoated conditions at high temperature was a ductile fracture represented by deep dimples. However, the boronized sample was drastically affected by grain growth during boronizing process and decomposition of dispersed particles. In contrast, the strain to failure of the WC coated sample was decreased due to the fast fracture of the ceramic WC layer at both room and high temperature tensile tests. Furthermore, results of SEM revealed that particle decomposition occured on the fracture surface of the boronized 321 stainless steel represented by dispersed boron particles on the edges of the dimples after failure at high temperature. Due to the high hardness and heat resistance of WC coated layer, the friction coefficient of the sample was higher than that of boronized and uncoated conditions at room tempearature. It was seen that the wear rates of boronized and WC coated AISI 321 were extremely lower than that of uncoated sample. On the other hand, at 600°C, WC coated wear rate was still lower but uncoated and boronized samples’ values were similar to the room temperature results. Inspection of room temperature the wear test results revealed that the wear rates of Inconel 625 uncoated and coated samples were similar to the results of AISI 321. WC coated samples’ wear rate was tremendously lower than the others. At high temperature, the boronized Inconel 625 had higher friction coefficient than the WC coated sample. A fluctuation was also noticed, which is linked to boron particle aggregation on the surface at high temperatures.

AISI 321 paslanmaz ¸celik ve Inconel 625 s¨uper ala¸sımı, y¨uksek sıcaklıklardaki m¨ukemmel mekanik ¨ozelliklerinden dolayı u¸cak motorları, n¨ukleer santraller ve end¨ustriyel fırınlar gibi geni¸s bir uygulama yelpazesinde kullanılmaktadır. Zorlu ¸calı¸sma ko¸sulları nedeniyle, bu malzemeler ¨uzerine y¨uzey i¸slemleri uygu lamak bir gereksinim haline gelmi¸stir. Borlama ve Tungsten Karb¨ur (WC) kaplama en ¨onemli y¨uzey sertle¸stirme i¸slemlerindendir. Mevcut ¸calı¸smada, AISI 321 ve In conel 625’in oda sıcaklı˘gı ve y¨uksek sıcaklıktaki a¸sınma performansı ve ¸cekme davranı¸sı ¨uzerine borlama ve Tungsten Karb¨ur kaplamanın etkisi ara¸stırılmı¸stır. Ayrıca, Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ve optik profilometri kullanılarak hasar mekanizmaları ve kırılma morfolojileri g¨ozlemlenmi¸stir. Oda sıcaklı˘gında ¸cekme testi sonu¸clarına g¨ore borlama i¸sleminden sonra nu munelerin akma dayanımı (YS) ve nihai ¸cekme dayanımı (UTS) azalmaktadır. Bu mukavemet azalması, 1100°C’lik y¨uksek sıcaklıkta borlama i¸slemi boyunca malzemenin yumu¸samasına ba˘glanabilir. Ote yandan Inconel 625 numunelerinin ¨ s¨unekli˘gi, 600°C’de dinamik gerinim ya¸slanması nedeniyle azalmı¸stır. Borlanmı¸s numunelerin akma mukavemeti, y¨uksek sıcaklıklarda ¸cekme testi boyunca bor par¸cacıklarının ayrı¸sması nedeniyle ¨onemli ¨ol¸c¨ude azalmı¸stır. Sonu¸c olarak, kırılma morfolojisi g¨ozlemleri, y¨uksek sıcaklıkta hem kaplamalı hem de kaplamasız ko¸sulların ana kırılma mekanizmasının, derin ¸cukurlarla temsil edilen s¨unek bir kırılma oldu˘gunu ortaya koymu¸stur. Bununla birlikte, borlanmı¸s numune, borlama i¸slemi sırasında tane b¨uy¨umesinden ve da˘gılmı¸s par¸cacıkların ayrı¸smasından b¨uy¨uk ¨ol¸c¨ude etk ilenmi¸stir. Buna kar¸sılık, seramik WC tabakasının hem oda sıcaklı˘gında hem de y¨uksek sıcaklıktaki ¸cekme testlerinde ani kırılması nedeniyle WC kaplı numunenin s¨unekli˘gi azalmı¸stır. Ayrıca, taramalı elektron mikroskobu sonu¸cları, y¨uksek sıcaklıkta kırılmadan sonra ¸cukurların kenarlarında da˘gılmı¸s bor par¸cacıkları g¨or¨ulen bor lanmı¸s 321 paslanmaz ¸celi˘gin kırılma y¨uzeyinde par¸cacık ayrı¸smasının meydana geldi˘gini ortaya koymu¸stur. WC tabakasının y¨uksek sertli˘gi ve ısı direnci nedeniyle, a¸sınma testinde WC kaplı AISI 321’in s¨urt¨unme katsayısı borlanmı¸s ve kaplamasız numunelere g¨ore daha y¨uksek ¸cıkmı¸stır. Borlanmı¸s ve WC kaplı AISI 321’in a¸sınma oranı, oda sıcaklı˘gında kaplanmamı¸s numuneden ¸cok daha d¨u¸s¨ukt¨ur. Ote yandan, 600 ¨ °C’de WC kaplı numunenin a¸sınma oranı hala d¨u¸s¨ukken kaplamasız ve borlanmı¸s nu munelerin de˘gerleri, y¨uzeyin delaminasyonu nedeniyle hemen hemen aynıdır. Inconel 625’in kaplanmamı¸s ve kaplanmı¸s numunelerin a¸sınma hızı davranı¸sı AISI 321’in sonu¸clarına benzerdir. WC kaplı numunelerin a¸sınma hızının di˘gerlerinden ¸cok daha d¨u¸s¨uk oldu˘gu g¨or¨ulm¨u¸st¨ur. Y¨uksek sıcaklıkta, borlanmı¸s Inconel 625, WC kaplı numuneden daha y¨uksek bir s¨urt¨unme katsayısına sahiptir. Y¨uksek sıcaklıktaki s¨urt¨unme katsayısı grafi˘ginde y¨uzeyde bor par¸cacıklarının birikimiyle ba˘glantılı bir dalgalanma g¨ozlenmi¸stir.