LEE- Malzeme Mühendisliği Lisansüstü Programı

Bu topluluk için Kalıcı Uri

http://hdl.handle.net/11527/19378

Gözat

Yazar "Göller, Gültekin" ile LEE- Malzeme Mühendisliği Lisansüstü Programı'a göz atma
  • Öge
    B4c + Si ilaveli Tzm alaşımlarının spark plazma sinterleme (SPS) yöntemi ile tek adımda üretimi, karakterizasyonu ve oksidasyon direncinin geliştirilmesi
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-04-26) Coşkun, Mert ; Göller, Gültekin ; 506171434 ; Malzeme Mühendisliği
    Ergime noktaları 1850 °C'den yüksek olan metaller, refrakter metaller olarak adlandırılırlar. Yüksek ergime noktalarının haricinde refrakter metaller diğer avantajlı özellikleriyle de ön plana çıkarlar. Bu özellikler sırasıyla; yüksek elektrokimyasal korozyon direnci, yüksek sıcaklık altında gösterdikleri dayanım, yüksek termal şok direnci, yüksek aşınma direnci, iyi elektriksel iletkenlik ve ısıl iletkenlik özellikleri olarak özetlenebilir. Refrakter malzemelerin yüksek sıcaklık dayanımları alaşımlama yöntemiyle arttırılabilir. Önemli refrakter malzemeler arasında bulunun molibden (Mo) göstermiş olduğu özelliklerle yüksek sıcaklık uygulamalarında kendine geniş bir kullanım alanı bulmuştur. Molibden ve molibden esaslı alaşımlar, yüksek sürünme mukavemetleri nedeniyle termal çevrimlerden sonra mekanik özelliklerini korumayı başarırlar. Bu sebeple roket endüstrisinde ve havacılık endüstrisinde yapısal parçalarda sıklıkla tercih edilirler. Molibden ve alaşımlarının diğer kullanım alanları, nükleer, kimya ve cam endüstrileri olarak sıralanabilir. Ancak yüksek sıcaklık uygulamalarında, örneğin 1000 °C'den yüksek olan sıcaklıklarda, saf molibdenin kullanımı kısıtlanmaktadır. Bu kısıtlı kullanımın nedeni saf molibdenin sahip olduğu ergime noktasına oranla düşük yeniden kristalleşme sıcaklığı ve yüksek olan sünek-gevrek geçiş sıcaklığıyla beraber göstermiş olduğu yetersiz mekanik özelliklerdir. Saf molibdenin yüksek sıcaklıklardaki mekanik özelliklerini arttırmak için kullanılan en önemli yöntemlerden biri alaşımlama işlemidir. Molibden alaşımları arasında TZM, yüksek dayanım ve yüksek kullanım sıcaklığıyla popüler alaşımlar arasında yer almaktadır. TZM alaşımı ilk olarak Climax Molybdenum, USA şirketi tarafından 1954 senesinde üretilmiştir. Kimyasal bileşimi ağırlıkça %0.5 titanyum, %0.008 zirkonyum ve %0.03 karbon olacak şekildedir. TZM üretimi esnasında oluşan karbürlü bileşimler, TiC ve ZrC, tane içinde ve tane sınırlarında çökerler. Aynı zamanda bu bileşimler dispersiyon mukavemetlendirmesi ve katı eriyik oluşumunu sağlayarak malzeme dayanımını arttırır ve yeniden kristalleşmeyi geciktirici olarak davranırlar. Molibden ve alaşımlarının kullanım koşullarını nispeten kısıtlayan bir unsur; farklı sıcaklık aralıklarında göstermiş oldukları düşük oksidasyon direncidir. Molibden alaşımlarının oksidasyon eğilimi 400 °C ve altında düşüktür. 400 – 650 °C arasında ise oksitlenmeyle birlikte oluşan MoO2 ve benzer oksitli bileşikler (MoOZ), 2 ≤ Z ≤ 3, yapıda ağırlık artışı meydana getirir. Sıcaklık 650 °C'nin üzerine çıktığında ise MoO3 bileşiği oluşur, buharlaşarak sistemden ayrılır ve ağırlık kaybını meydana getirir. Bu durum malzemenin yapısal özelliklerini aniden kaybederek; işlevini yerine getirememesine sebep olur. Sonuç olarak, molibden ve alaşımlarının oksidasyon direncinin yükseltimesi için koruyucu kaplamalar geliştirmek ve oksidasyon direncini arttıran alaşımlar geliştirmek mutlak çözümler olarak değerlendirilebilir. TZM alaşımı, ticari kullanımda genel olarak vakum ark ergitme ve toz metalurjisi yöntemleri ile hazırlanır. Havacılıkta, enerji üretiminde ve nükleer endüstrisinde kullanılan; yüksek saflık, homojenlik, arttırılmış yorulma ve kırılma tokluğuna sahip malzemeler, vakum ark ergitme yöntemiyle tekrarlı şekilde ergitilerek üretilir. TZM üretiminde kullanılan bir diğer üretim yöntemi olan toz metalurjisi yöntemi ise geleneksel yöntemler (sıcak pres ve izostatik pres) ve spark plazma sinterleme (SPS) olarak iki grupta ele alınabilir. Toz metalurjisi prosesleri, refrakter metallerin imalatında önemli bir rol oynamaktadır. 20. yüzyılın başından beri, toz metalurjisi kullanımı istikrarlı bir şekilde artmaktadır ve günümüzde toz metalurjisi ile neredeyse her malzeme üretilebilir duruma gelmiştir. Toz metalurjisi yöntemi, vakum ark ergitme ve sıcak dövme ile karşılaştırıldığında, serbest şekil tasarımı, homojen ve ince taneli mikroyapı elde edilmesine imkan vermesiyle ön plana çıkmaktadır. Tez çalışması kapsamında numuneler spark plazma sinterleme (SPS) cihazında sinterlenmiştir. Tez çalışması kapsamında TZM alaşımının oksidasyon direncinin ve mekanik özelliklerinin arttırılması hedeflenmiştir. TZM alaşımının oksidasyon direncini arttırmak ve mekanik özelliklerini geliştirmek için tercih edilen yöntemler arasında borlama ve silika bazlı kaplamaların geliştirilmesi bulunur. Borlama, bor atomlarının malzemenin matris yüzeyine difüzyonunu temel alan termokimyasal bir yüzey sertleştirme işlemidir. Termokimyasal işlem süresince bor atomları ana malzeme ile reaksiyona girerek çok sayıda borür bileşiklerini oluşturur. TZM alaşımlarının yüzeylerinin borlanması sonrasında oluşan Mo2B gibi bileşikler, alaşımın oksidasyon atmosferindeki çalışmaları boyunca uçucu özellikte olan MoO3 bileşiğinin oluşumunu engelleyip, oksidasyon direncini arttırır. Silika bazlı kaplamalar ise, işlem esnasında oluşturduğu ara bileşiklerin oksitlenmesiyle, yapışkan ve sürekli SiO2 katmanını oluşturarak; oksijenin alt katmanlarda bulunan molibden alaşımını oksitlemesini önler ve oksidasyon direncini arttırır. Tez çalışması kapsamında ilk olarak başlangıç tozlarının miktarı ve kalıp içine yerleştirilme şekilleri belirlenmiştir. Numunelerin tek adımda, sandviç yapı şeklinde sinterlenmesi ise 20000 A kapasiteli 7.40 MK VII, SPS Syntex Inc. spark plazma sinterleme cihazında gerçekleştirilmiştir. Üst ve alt katmanlarda B4C ve Si tozları, orta katmanda ise B4C, Si ve TZM tozları olacak şekilde grafit kalıba yerleştirilmiştir. Deneysel çalışma süresince değişken basınç ve sinterleme sürelerinde çapı 50 mm, kalınlığı 6 mm olan 4 farklı numune üretilmiştir. Tozların kullanım oranlarında ise orta katmanda ağ. %95 TZM ve ağ. %5 B4C+Si tozları kullanılmıştır. Dış katmanlarda ise B4C ve Si dağılımları sırayla hacimce %90 ve %10 olacak şekilde yapılmıştır. Üretimde toz miktarları aynı kalacak şekilde 5 dakika sinterleme süresi ve 40 MPa sinterleme basıncı, 10 dakika sinterleme süresi ve 40 MPa basınç, 10 dakika sinterleme süresi ve 60 MPa basınç ve son olarak 15 dakika sinterleme süresi ve 60 MPa basınç olacak şekilde üretimler yapılmıştır. Numuneler üretildikten sonra sertlik ölçümü, yoğunluk ölçümü, XRD faz analizi, elementel analiz, oksidasyon testleri ve karakterizasyonları tamamlanmıştır. Karakterizasyon çalışması kapsamında yapılan yoğunluk ölçümlerinde en yüksek yoğunluğa sahip olan numunenin, 8,86 g/cm3 yoğunluk değeri ile, 10 dakika sinterleme ve 40 MPa basınç altında üretilen numune olduğu tespit edildiyse de basınç ve sinterleme süresinin numune yoğunluğu üzerinde kayda değer bir etkide bulunmadığı saptanmıştır. Numunelerin kesit alanlarından yapılan sertlik ölçümlerinde üst katman ve orta katman arasında gözlemlenen sertlik değerleri farkı, üst katmanın orta katmana nazaran sahip olduğu gözenekli yapı ile açıklanabilmektedir. Üst katmanda gözlemlenen en düşük sertlik değeri 15,04 GPa ile TZMBSi-10-40 numunesinde olurken, orta katmanda gözlemlenen en yüksek sertlik değeri 21,85 GPa ile yine aynı numunede olmuştur. Numuneler kendi aralarında kıyaslandığında ise benzer sertlik değerlerine sahip olup, yapılarında aynı fazlar oluşmuştur. FactSage programı yardımıyla sinterleme ile oluşabilecek fazları belirlemek için reaksiyonların termodinamik hesaplamaları yapılmıştır. TZM, B4C ve Si tozları oluşan numunelerde Mo2B, MoB, Mo3Si, Mo5Si3, Mo2C, SiC ve Mo2B5 fazlarının oluşabileceği analitiksel olarak gösterilmiştir. Üretilen numunelerin XRD faz analizleri ise Rigaku Miniflex XRD cihazında tamamlanmıştır. Buna göre 4 numunede de Mo2B (JCPDS: 06-0593), Mo2C (JCPDS: 72-1683), MoB (JCPDS: 73-1768), Mo (JCPDS: 88-2331), Mo3Si (JCPDS: 04-0814), MoSi2 (JCPDS: 41-0612) fazları numuneler ile eşleşmiştir. Mikroyapı karakterizasyonu kapsamında numunelerin kesit alanları, JEOL JSM 7000F marka taramalı elektron mikroskobunun ikincil elektron ve geri saçılımlı elektron dedektörü vasıtası ile incelenmiştir. Numuneler incelendiğinde; artan sinterleme süresi ve basıncın etkisiyle difüzyon bölgesinin kalınlığının arttığı gözlemlenmiştir. TZMBSi-5-40 numunesinde difüzyon katmanının kalınlığı 100 µm, TZMBSi-10-40 numunesinde difüzyon kalınlığı 180 µm, TZMBSi-10-60 numunesinde difüzyon kalınlığı 277 µm ve TZMBSi-15-60 numunesinde difüzyon kalınlığı 515 µm olarak ölçülmüştür. Taramalı elektron mikroskobunun EDS eklentisi ile yapılan elemental analizi ile, XRD faz analizinde ve FactSage programı yardımıyla yapılan termodinamik hesaplamalarda gözlemlenen; Mo2B, MoB, Mo3Si, Mo5Si3, Mo2C, SiC ve Mo2B5 fazlarının oluştuğu ispatlanmıştır. Üretilen numunelerin oksidasyon davranışını incelemek için 600-800-1000 °C sıcaklıklarda 1 saat süreyle oksidasyon testi yapılmış ve test sonrasında spesifik ağırlık değişimleri kaydedilmiştir. Oksidasyon testi sonrası oluşan spesifik ağırlık değişimleri incelendiğinde; numuneler arasında kayda değer bir fark tespit edilmemiş olup, sinterleme basıncı ve süresinin oksidasyon dayanımına etkisinin minimum düzeyde olduğu görülmüştür. 1000 °C sıcaklıkta yapılan oksidasyon testine göre en düşük spesifik ağırlık azalışı 4,69 mg/cm2 ile TZMBSi-10-40 numunesinde gözlemlenmiştir. Yapı içerisinde ve yüzeylerde oluşan Mo2B, TiO2 ve SiO2 fazları MoO3 fazının oluşumunu engelleyerek ağırlık kaybını önlemiştir. Önceki çalışmalarla kıyaslandığında spesifik ağırlık azalımı 1000 °C'de monolitik TZM alaşımına göre %98,14, B4C-TZM sandviç yapıdaki numunelere kıyasla %96,05 ve TZM alaşımının sadece alt ve üst katmanlarına B4C ve Si ilaveleriyle elde edilmiş sandviç yapıdaki numunelere kıyasla %96,60 daha az olacak şekilde gerçekleşmiş ve TZM alaşımının yüksek sıcaklık oksidasyon dayanımı geliştirilmiştir. Çalışma grubunun yapmış olduğu güncel çalışmada homojen şekilde karıştırılmış TZM+B4C tozları, B4C tozları arasında kalıplanarak sinterlenmiştir ve 1000 °C sıcaklıkta gerçekleştirilen oksidasyon testinde elde edilen en düşük spesifik ağırlık kaybı 12,51 mg/cm2 olarak kaydedilmiştir. TZMBSi-10-40 numunesi bu çalışmaya oranla TZM alaşımının spesifik ağırlık değişimini %62,51 oranında azaltmayı başarmış ve TZM alaşımının yüksek sıcaklıklardaki oksidasyon dayanımını geliştirmiştir. Sonuç olarak, tez çalışmasında elde edilen sonuçlarla TZM alaşımının yüksek sıcaklıklardaki kullanım kabiliyetlerinin geliştirildiği gösterilmiştir.