LEE- Malzeme Mühendisliği-Yüksek Lisans

Bu koleksiyon için kalıcı URI

http://hdl.handle.net/11527/19379

Gözat

Yazar "Çiçek, Cem" ile LEE- Malzeme Mühendisliği-Yüksek Lisans'a göz atma
  • Öge
    Mekanik alaşımlama ve basınçsız sinterleme yöntemleri ile WNbMoVAlxCry (x, y = 0 – 1,0) refrakter yüksek entropi alaşımlarının sentezlenmesi ve ilişkin karakterizasyon çalışmaları
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-12-26) Çiçek, Cem ; Öveçoğlu, Mustafa Lütfi ; 506201410 ; Malzeme Mühendisliği
    Malzemeler ve malzemelerdeki yenilikler, insanlık tarihinin gelişmesinde ve ilerlemesinde önemli bir rol oynamaktadır. Günümüzde ise metaller, seramikler, kompozitler ve polimerler gibi sayısız malzeme bulunmaktadır. Antik çağlarda ilk insanlar kil, ahşap, taş gibi doğal malzemeleri ve bakır, altın, gümüş, demir, kurşun, çinko gibi metalleri günlük hayatta kullanmışlardır. Geçmişten günümüze kadar yeni elementler keşfedilmiş ve keşfedilen bu elementler sayesinde yeni mühendislik malzemeleri ve farklı alaşım sistemleri geliştirilmiştir. Alaşımların tasarlanması zorlu ve karmaşık bir konudur. Geleneksel alaşımlar, bir veya iki ana elementi içermektedir. Genelde bu elementlerden bir tanesi baskındır ve alaşımın kimyasal yapısı ile özelliklerini belirlemektedir. Diğer eklenen element veya elementler ise baskın olan element nedeniyle sınırlı etki göstermektedir. Alaşım elementleri mikroyapıyı kontrol etmek, mekanik, fiziksel ve kimyasal özellikleri değiştirmek veya geliştirmek amacıyla eklenmektedir. Gelişen ve değişen dünya düzeniyle beraber, üstün özelliklere sahip alaşımlara duyulan ihtiyaç ve talep artmıştır. Bu yüzden, geleneksel iki alaşımlı elementler yerine, ikiden fazla sayıda element içeren alaşımlar tasarlanmış ve üretilmiştir. Yüksek entropi alaşımları, dört veya daha fazla elementin eşmolar oranda bir araya getirilmesi ile oluşturulmaktadır. Geleneksel alaşımların aksine, birden fazla alaşım elementi içermesine rağmen, yüksek entropi alaşımları tek fazlıdır. Tek fazlı sistemle beraber, hacim merkezli kübik veya yüzey merkezli kübik yapı sergilemektedir. Ayrıca, hegzagonal sıkı paket yapısına da sahip olabileceği son yıllarda yapılan çalışmalar ile belirlenmiştir. Bir yüksek entropi alaşımının hacim merkezli kübik veya yüzey merkezli kübik yapıda olması, valans elektron yoğunluğu ile hesaplanmaktadır. Valans elektron yoğunluğuna ait değerin 8'den büyük olması durumunda yüksek entropi alaşımının yüzey merkezli kübik, 6,87'den küçük olması durumunda hacim merkezli kübik ve bu iki değerin arasında olması durumunda ise yüzey merkezli ve hacim merkezli kübik yapıların beraber oluştuğu gözlenmiştir. Yüksek entropi alaşımları, yüksek sertlik, aşınma direnci, kırılma tokluğu gibi üstün mekanik özelliklere, termal kararlılığa, iyi oksidasyon direncine, yüksek kimyasal kararlılığa sahiptir. Bu üstün özellikler alaşıma katılan elementler, elementlerin mol veya hacim fraksiyonları, elementlerin sayısı gibi durumlardan etkilenmektedir. Elementlerle beraber, yüksek entropi alaşımlarının oluşumunu sağlayan çekirdek etkileri, kristal yapı ve özellikler üzerinde önemli etkiye sahiptir. Yüksek entropi etkisi, kafes çarpılımı etkisi, yavaş yayınım etkisi ve karışım etkisi, yüksek entropi alaşımlarının oluşumunu sağlayan dört temel çekirdek etkisidir. Yüksek entropi etkisi, termodinamik etkileri açıklamasıyla beraber hem alaşım oluşumundaki en önemli faktör hem de geleneksel alaşımlarla yüksek entropi alaşımlarını birbirinden ayıran önemli bir etmendir. Katı eriyiklerin, fazların ve kristal yapıların oluşumu bu etki ile açıklanmaktadır. Kafes çarpılması etkisi, farklı yarıçaplara sahip atomların neden olduğu kafes distorsiyonunu ifade etmektedir. Kafeste oluşan gerilmeler, sertlik veya mukavemet gibi mekanik özelliklerde artışı sağlarken, termal özelliklerde ise düşüşe neden olmaktadır. Yavaş yayınım etkisi, yüksek entropi alaşımlarında yayınım kinetiğini açıklamaktadır. Farklı atom türlerinin beraber hareket etmesinin zor olması ve farklı yayınım katsayılarına sahip olmaları yeni fazların oluşumunu engellemektedir. Karışım etkisi ise dörtten fazla elementten oluşan yüksek entropi alaşımlarında özelliklerin daha iyi hale getirilmesini ifade etmektedir. Alaşımda yer alan tüm elementler, alaşımın özelliklerini farklı şekillerde etkilemektedir. Yüksek entropi alaşımlarının sentezlenmesi için çeşitli yöntemler denenmiştir. Mekanik alaşımlama ve toz metalurjisi yöntemleri, basınçsız sinterleme, basınçlı sinterleme, ark ergitme, Bridgman yöntemi ve eklemeli imalat bunlardan başlıcalarıdır. Üretim yöntemi alaşıma uygun olarak seçilmelidir. Yüksek entropi alaşımları farklı formlar kazanmaya devam etmiştir. Sentezlenen yeni gruplarla, özellikleri de gelişmektedir. Refrakter yüksek entropi alaşımları, periyodik tablonun IV. (Hf, Ti, Zr), V. (V, Nb, Ta) ve VI. (Cr, Mo, W) grubunda yer alan refrakter metalleri ile üretilen alaşımları ifade etmektedir. Bu alaşım sistemlerine geçiş metalleri de eklenerek çeşitli özellikler kazandırılması amaçlanmaktadır. Geçiş metalleri; Al, Si, Co, Ni gibi refrakter olmayan metallere de ilave edilmektedir. Yüksek entropi alaşımlarının aksine refrakter yüksek entropili alaşımlar, yalnızca hacim merkezli kübik kristal kafes yapısına sahiptir. Alaşımda yer alan refrakter metallerin hacim merkezli kübik yapıda olması, atomik yarıçaplarının benzer olması veya benzer değerlik sayılarına sahip olması bu kafes yapısını oluşturacaklarını doğrulamaktadır. Seçilen alaşım elementlerine bağlı olarak, katı çözeltiler ve katı çözeltilere ek olarak intermetalik fazların da oluştuğu da gözlenmiştir. İntermetalik fazların oluşumu alaşım elementlerinin sayısına, mol fraksiyonuna veya çeşidine bağlı olarak değişiklik göstermektedir. Katı çözeltiler ve intermetalik fazlarla beraber, refrakter yüksek entropi alaşımları yüksek sertlik, dayanım, aşınma direnci, kırılma tokluğu; iyi korozyon direnci, yüksek oksidasyon direnci, iyi termal kararlılık ve yüksek ergime noktası, yüksek radyasyon direnci gibi özellikler göstermektedir. Üstün özelliklerinin sağladıklarıyla beraber, nükleer reaktörlerde, kesici takım uçlarında, gaz türbin motorlarında, türbin kanatlarında, havacılık ve uzay sanayisinde, parçacık hızlandırıcılarında, iyon yerleştirme uygulamalarında, denizcilik sektöründe, termal bariyer kaplamalarında, ısı eşanjör borularında, kimyasal proseslerde, yüksek sıcaklığa dayanım gerektiren uygulamalarda kullanılmaktadır. Yüksek entropi alaşımlarına benzer olarak mekanik alaşımlama ile, basınçsız sinterleme veya spark plazma sinterleme gibi basınçlı sinterleme prosesleri ile ve ark ergitme ile üretilmesi refrakter yüksek entropi alaşımlarının da mümkündür. Mekanik alaşımlama, toz metalurjisi üretim yöntemi olan katı-hal sentezleme tekniğidir. Dışarıdan herhangi bir ısıya ihtiyaç duyulmadan oda sıcaklığında gerçekleşen proseste, yüksek enerjili bilyalı değirmen içerisinde tekrarlı olarak gerçekleşen soğuk kaynaklama, kırma ve yeniden kaynaklama işlemleri gerçekleşmektedir. Diğer yöntemler ile sentezlenemeyen alaşımlar, kompozitler veya kırılgan intermetalik bileşikler mekanik alaşımlama ile üretilebilmektedir. Başlangıç hammaddeleri, öğütücü tipi ve hızı, bilya-toz oranı, öğütücü kaplar ve bilyaların malzemeleri, öğütücü kapların doluluk oranı gibi pek çok parametre mekanik alaşımlamayı etkilemektedir. Basınçsız sinterleme prosesinde ise sinterleme işlemi, yüksek sıcaklıklarda, inert ortamda fakat basınç uygulanmadan tamamlanmaktadır. Bu çalışmada WNbMoVAlxCry (x, y = 0 – 1,0) refrakter yüksek entropi alaşımı elementel tozlardan mekanik alaşımlamayı takip eden basınçsız sinterleme prosesi ile üretilmiştir. İlk olarak WNbMoV baz alaşımı, 2 sa, 4 sa, 6 sa ve 8 sa boyunca mekanik olarak alaşımlanmıştır. İkinci aşamada Cr değişimi gözlenmeden, 0,25 mol, 0,5 mol, 0,75 mol ve 1 mol Al ilave edilmiş ve 2 sa, 4 sa, 6 sa ve 8 sa boyunca alaşımlanmıştır. Son olarak Al ve Cr beraber artırılarak (0,1-1) 2 sa, 4sa, 6 sa ve 8 sa boyunca öğütülmüştür. Süreye bağlı inceleme yapıldığında ise kristalit boyutta 6 sa ve 8 sa arasında yaklaşık %10 azalma yaşanırken 2 sa ile 6 sa arasında yaklaşık %35 ile %50 arasında azalma görülmüştür. Bu durum 6 saatlik süreden sonra boyutun azalma oranının azaldığını göstermektedir. Mekanik alaşımlama sonrasında X-ışınları ile faz analizi, taramalı elektron mikroskobu/enerji dağılım spektrometresi ile mikro yapı analizi, partikül boyut analizi ve piknometre ile yoğunluk ölçümü karakterizasyon çalışmaları olarak tamamlanmıştır. Mikroyapı görüntüleri ve faz analizleri beraber incelendiğinde, refrakter yüksek entropi alaşımının 4 saatlik mekanik alaşımlama süresinden sonra homojen yapı oluşturmaya başladığı, 8 saat sonunda artan mekanik alaşımlama süresi nedeniyle aglomerasyonun artış gösterdiği anlaşılmaktadır. Yapılan karakterizasyon çalışmalarında; kristalit boyutun 6 saatten itibaren düşüş hızının azaldığı, partikül boyut dağılımının 6 saatten itibaren homojen dağıldığı, partiküllerin küresel morfolojiye 6 saatten itibaren dönüşmeye başladığı ve XRD analizinde HMK yapının oluşması nedeniyle optimum süre 6 saat olarak belirlenmiştir. Piknometre ile yoğunluk ölçüm sonucunda tozlara ait göreceli yoğunluk değerlerinin %90'nın üzerinde olduğu görülmüştür. Daha sonra, 1650℃'de basınçsız sinterleme prosesi tamamlanmıştır. Baz alaşım, WNbMoVAl ve WNbMoVAlCr alaşımlarına ait tüm öğütme süreleri, diğer alaşım gruplarında ise optimum süre olarak seçilen 6 saat öğütme koşulları sinterlenmiştir. Sinterleme sonrasında ise X-ışınları ile faz analizi, taramalı elektron mikroskobu/enerji dağılım spektrometresi ile mikroyapı analizi, Arşimet yöntemi ile yoğunluk ölçümü ve Vickers metodu ile sertlik ölçümü tamamlanmıştır. Sinterleme işlemi sonrası faz analizleri incelendiğinde tek fazlı hacim merkezli kübik yapı ile beraber karbür fazlarının da oluştuğu görülmüştür. Sinterleme işlemi sonrası Arşimet prensibi ile görece yoğunluğa ait en yüksek değerin %97,64 ile WNbMoVAl0.75 bileşiminde en düşük değerin ise %79,67 ile WNbMoVAl0.25Cr0.25 bileşiminde olduğu görülmektedir. Tüm numunelerin sertlik değerlerine bakıldığında ulaşılan en yüksek sertlik değeri 14,29 ± 0,58 GPa ile WNbMoVCr0,4Al0,4 bileşimine sahip numuneye aittir. En düşük sertlik değeri ise 7,53 ± 0,51 GPa ile WNbMoVAl0,25 bileşimine sahip numuneye aittir. Yapılan aşınma testinde ise artan süreye bağlı olarak sürtünme katsayısı %25 oranında azalırken geçiş elementinin eklenmesiyle %12 oranında azalma hem mekanik alaşımlamanın hem de element katkılarının aşınma dayanımını arttırdığı tespit edilmiştir. SEM görüntülerinde ise aşınma izleri görülmüştür.