HVOF püskürtme yöntemiyle MDN 420 çelik üzerine uygulanan CoMoCrSi + Cr₃C₂ kompozit kaplamaların yüksek sıcaklık korozyonu ve döngüsel oksidasyon davranışı

Sert Isıda Metalleri Koruma

Modern motorlar, enerji santralleri ve endüstriyel kazanlar öyle yüksek sıcaklıklarda ve aşındırıcı koşullarda çalışır ki metal parçalar zamanla adeta yanıp yok olabilir. Bu parçaların değiştirilmesi hem maliyetli hem de risklidir. Bu çalışma, yaygın bir yüksek mukavemetli çeliğe püskürtülen özel bir koruyucu kaplamayı inceliyor; hedef, şiddetli ısıya ve agresif tuz birikintilerine maruz kaldığında parçaların paslanmasını, çatlamasını ve parçalanmasını önlemek.

Metallerin Neden Dağılır

Birçok türbin, kazan ve kimyasal tesiste metal parçalar yüksek sıcaklıklar ve aşındırıcı kimyasallarla karşılaşır. Havadan gelen oksijen yavaşça oksit tabakaları oluştururken, örneğin sodyum ve vanadyum içeren yakıt safsızlıklarından oluşan erimiş tuzlar bu oksitlere saldırıp daha hızlı hasar yolları açabilir. Bu koşullara çıplak çelik maruz kaldığında, kalın ve pul pul dökülen oksit ölçekleri büyüyerek önce ağırlık kazanır, sonra bu ölçekler dökülünce malzeme kaybı olur. Zamanla bu büyüme ve dökülme döngüsü incelmeye, çatlamaya ve kritik parçaların arızalanmasına yol açar.

Çeliğe Sağlam Bir Zırh

Araştırmacılar, zorlu uygulamalarda kullanılan martensitik bir paslanmaz çelik olan MDN 420 üzerine, kobalt, molibden, krom ve silikon içeren ve sert krom-karbür parçacıklarla güçlendirilmiş bir kompozit kaplama uyguladılar. Yüksek hızlı oksijen-yakıt (HVOF) püskürtme tabancasıyla bu tozu çelik plakaların üzerine süpersonik hızlarda fırlatarak yaklaşık 0,2 mm kalınlığında yoğun bir tabaka oluşturdular. Püskürtme sürecinin dikkatli kontrolü, düşük gözenekliliğe ve aşınmaya karşı direnç sağlayacak yüzey pürüzlülüğüne sahip bir kaplama üretti. Mikroskobik incelemeler iyi dağılımlı sert parçacıklar içeren kompakt bir yapıyı ve yalnızca küçük çatlaklar ile gözenekler olduğunu gösterdi; sertlik testleri ise kaplı yüzeyin temel çelikten üç kattan fazla sert olduğunu ortaya koydu.

Kaplama Isı ve Tuzla Nasıl Mücadele Ediyor

Kaplamanın etkinliğini görmek için kaplanmış ve kaplanmamış çelik numuneler, oksidasyon testi için havada veya sıcak korozyon testi için erimiş sodyum sülfat ile vanadyum oksit karışımında olmak üzere tekrar tekrar 700 °C’ye ısıtılıp soğutuldu. Havada, kaplama yüzeyinde ince, sürekli krom oksit ve silika tabakalarının oluşumunu teşvik etti. Bu tabakalar içe doğru oksijen difüzyonunu yavaşlatan ve püskürtme sıçratmaları arasındaki mikro boşlukları mühürleyen sıkı bir deri gibi davrandı. Sonuç olarak, kaplanmış numuneler çıplak çeliğe göre çok daha az ağırlık kazandı; yani çok daha az oksit birikimi oldu ve oksidasyon hızı 50 döngü boyunca düşük ve istikrarlı kaldı.

Tuz Banyosunda Neler Oluyor

Erimiş tuz testleri çok daha agresifti ve sodyum ile vanadyum bileşiklerinin eriyip sıcak metal yüzeyleri ıslattığı yakıtla çalışan kazanlar ve türbinlerdeki koşulları taklit ediyordu. Burada kaplama hâlâ çıplak çelikten daha iyi performans gösterdi: ağırlık kazanımları ve korozyon hızları önemli ölçüde daha düşüktü. Ancak ayrıntılı analizler, tuzun sadece yüzeyde durmadığını gösterdi. Tuz, kaplama içindeki molibden ve krom oksitleriyle reaksiyona girerek karmaşık tuz-oksit bileşikleri oluşturdu. Sodyum molibdat ve sodyum vanadat gibi yeni fazlar gözenekli ve kolayca kırılabilen ölçekler yarattı. Uçucu molibden oksitlerinin buharlaşması ve koruyucu derinin yerel olarak ayrılmasıyla çatlaklar ve çukurlar oluştu; böylece taze malzeme daha fazla saldırıya maruz kaldı.

Güç ile Uzun Ömür Arasında Denge

Genel olarak, bu kaplama çıplak MDN 420 çeliğe kıyasla hem oksidasyon hem de sıcak korozyon hızlarını önemli ölçüde azalttı—ölçülen hız sabitleri birkaç kat daha düşüktü. Sert bir kobalt matrisi, sert karbür parçacıkları ve kendiliğinden oluşan koruyucu oksitlerin birleşimi, kaplı çeliğin yüksek sıcaklıklar ve aşındırıcı tuzlara karşı daha uzun süre dayanmasını sağlıyor. Yine de çalışma, bu korumanın sınırlarını da gösteriyor: Tuz kaynaklı reaksiyonların ve uçucu oksitlerin gözenekler ve zayıf ölçekler oluşturduğu bölgelerde hasar zamanla birikir. Halk için çıkarılacak sonuç, akıllıca tasarlanmış kaplamaların sıcak metal parçalar için yanmaya ve kimyasal etkilere karşı dirençli bir zırh işlevi görebileceği ve arıza öncesi çalışma süresini önemli ölçüde uzatabileceği, ancak bu zırhın en sert tuzlu ortamlara dayanması için örneğin gözenekleri mühürleme veya bileşimi ayarlama gibi ek iyileştirmelere ihtiyaç duyacağıdır.

Atıf: S, S., Prasad, C.D., Kumaraswamy, G.N. et al. Hot corrosion and cyclic oxidation behavior of CoMoCrSi + Cr₃C₂ composite coatings on MDN 420 steel by HVOF spray process. Sci Rep 16, 10677 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45658-z

Anahtar kelimeler: yüksek sıcaklık kaplamaları, sıcak korozyon, oksidasyon direnci, termal püskürtme, paslanmaz çelik koruması