Fabrication of Co212 Superalloy Reinforced with cBN via Spark Plasma Sintering: Insights into Mechanical, Thermal, and Corrosion Properties. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF THESIS BOOK ZAHIDUL ISLAM g202315170.pdf Restricted to Repository staff only until 28 December 2026. Download (12MB)

Arabic Abstract

يعتمد الأداء الوظيفي للسبائك الفائقة بدرجة أساسية على بنيتها المجهرية، لما لها من تأثير مباشر على الخواص الميكانيكية والمتانة على المدى الطويل. في هذه الدراسة، تم تصنيع مركبات من سبيكة Co212 الفائقة مدعّمة بنتريد البورون المكعّب (cBN)، وهو سيراميك فائق الصلادة، باستخدام تقنية التلبيد بالبلازما الشرارية (SPS)، مع إجراء تقييم شامل لخواصها الميكانيكية والحرارية وسلوك الأكسدة ومقاومة التآكل. أظهرت تحاليل حيود الأشعة السينية وجود بنية ثنائية الطور تتكوّن من الطورين ذوي الترتيب المكعّب متمركز الوجه (FCC) والسداسي متمركز القاعدة (HCP)، بالإضافة إلى ترسّبات طور α-Co عند حدود الحبيبات، مما أسهم في تعزيز آليات التقوية. وقد لوحظ أن إضافة 20٪ وزناً من cBN أدّت إلى زيادة ملحوظة في الصلادة النانوية لتصل إلى نحو 13.1 جيجا باسكال، ومعامل المرونة إلى قرابة 368 جيجا باسكال، مع تغيّر طفيف في الصلابة الكلية للمادة. كما كشفت دراسات ما بعد الأكسدة عن تكوّن طبقة أكسيد متعددة الطبقات، تتألف من طبقة أكسيد خارجية، وحاجز مستمر من أكسيد الكروم Cr₂O₃، إلى جانب أطوار غير متصلة من CoCr₂O₄ وα-Cr₂O₂․₄. وتبيّن أن درجة بدء الأكسدة تعتمد على محتوى cBN؛ إذ ظهرت بداية الأكسدة عند درجات حرارة تقارب 770°م لسبيكة Co212 النقية (P) و775°م لمركب C10، بينما أظهر مركب C20 بداية مبكرة نسبياً عند 735°م، ويُعزى ذلك إلى التغيرات في البنية المجهرية. في المقابل، أظهر مركب C30 المحتوي على 30٪ وزناً من cBN تأخيراً ملحوظاً في حدوث الأكسدة حتى 900°م، مما يدل على تحسّن واضح في الاستقرار الحراري. وأظهرت تحاليل التآكل الكهروكيميائي وجود علاقة مفاضلة بين الخواص الميكانيكية ومقاومة التآكل عند تجاوز نسبة 20٪ وزناً من تعزيز cBN، نتيجة تدهور سلامة واستمرارية مصفوفة سبيكة .Co212

English Abstract

The performance of superalloys is primarily determined by their microstructure, which affects their mechanical properties and durability. In this study, Co212 superalloy composites reinforced with cubic boron nitride (cBN), an ultrahard ceramic, were synthesized using spark plasma sintering (SPS) and thoroughly investigated for their mechanical, thermal, oxidation, and corrosion performance. X-ray diffraction indicated the presence of dual-phase structures (FCC and HCP) and α-Co precipitates at the grain boundaries, which contributed to the strengthening. Notably, adding 20 wt.% cBN significantly increased nano-hardness to approximately 13.1 GPa and elastic modulus to about 368 GPa, with little change in overall stiffness. Post-oxidation analysis revealed a multilayered oxide scale comprising an external oxide layer, a continuous Cr₂O₃ barrier, and discontinuous CoCr₂O₄ and α-Cr₂O2.4 phases. The onset of oxidation varied with cBN content: while the Co212 alloy (P) and C10 composite exhibited onset temperatures near 770°C and 775°C, respectively, the C20 composite showed an earlier onset at 735°C, likely due to microstructural modification. In contrast, the C30 composite, containing 30 wt.% cBN, delayed significant oxidation until 900°C, demonstrating enhanced thermal stability. Electrochemical corrosion analyses revealed the trade-off relationship between mechanical and corrosion properties beyond 20 wt.% of cBN reinforcement due to the compromise of the integrity of the Co212 matrix.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Chemical Engineering Mechanical
Department:	College of Chemicals and Materials > Materials Science and Engineering
Committee Advisor:	Drmosh, Qasem
Committee Co-Advisor:	Hakeem, Abbas
Committee Members:	Al-Sayoud, Abduljabar
Depositing User:	ZAHIDUL ISLAM (g202315170)
Date Deposited:	28 Dec 2025 06:41
Last Modified:	28 Dec 2025 06:41
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143907