LEE- Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Lisansüstü Programı

Bu topluluk için Kalıcı Uri

http://hdl.handle.net/11527/19388

Gözat

Cold sintering process on molybdenum disilicide and graphite composite electrodes

( 2020) Nayir, Selda ; Arslan, Cüneyt ; 635746 ; Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

Sintering is a compaction process of particulate matters with a diffusional process that minimizes surface energy to densify particles against the competitive force of coarsening (Dejonghe and Rahaman 2003; German 1996; S.-J L Kang 2005). In a conventional aspect, effective consolidation is usually accomplished at 50-75% of melting temperatures of sintered materials and with an occasional aid of pressure. The primary driving force behind the consolidation process is a reduction of surface free energy. In order to improve the effect of sintering, some of the processing techniques, such as hot isostatic pressing, field-assisted sintering (FAST), utilize pressure up to 200 MPa (German 1996; S.-J L Kang 2005; Li, Liao, and Hermansson 1996; Stanciu, Kodash, and Groza 2001). Although, the application of pressure improves the performance of densification in the particle-particle level, densification is still highly dependent on high temperature, due to the slow solid-state diffusional process. Cold sintering process (CSP) is a densification process at a low-temperature provides an opportunity to sinter a wide range of ceramic materials at extremely low temperatures (<300˚C) with the aid of transient acidic or basic aqueous solutions. As it is reported on many occasions, the aid of liquid media, preferentially water, amplifies consolidation during the sintering process (H. Guo, Baker, et al. 2016b, 2016a; H. Guo, Guo, et al. 2016; J. Guo et al. 2016; Hirano and Somiya 1976). The other advantage of cold sintering is bringing together the materials that have different melting temperatures during the sintering process, which used to be a challenge. Since densifications happen at very low temperatures, co-sintering of the different types of materials is possible such as polymer and ceramic (PET and PC with Li2MoO4 to produce a capacitor) is co-sintered with this method as reported earlier (Baker et al. 2016; de Beauvoir et al. 2019; Guo et al. 2017; J. Guo et al. 2016). The successful implementation of CSP in different types of materials provided an opportunity to shift its focus to a covalently bonded structure, which is studied within this thesis context. The covalently bonded structures, Molybdenum disulfide, and graphite are cold sintered with the aid of water, and a slurry at very low temperatures. The slurry able to produce micron size MoS2 flakes that grow onto the surface of the pristine MoS2 flakes and enables the bonding of the mixed constituents. The approach provides the fabrication of highly dense and electrochemically active MoS2/Graphite (MG) composites at an extremely low processing temperature of ~140˚C. The process offers an opportunity to sinter covalently bonded materials effectively to produce either dense or near dense pellets or thick films. The composites that include up to 20 wt% graphite, as well as a solid electrolyte, could be easily integrated and densified using this method. The composites with varying weight proportions of Graphite and the solid electrolytes are cold sintered under 520 MPa pressure at 140°C for 60 min to achieve dense pellets. The densification of the pellets is tested with calculating their relative densities based on theoretical densities for MoS2, Graphite AHM, and Thiourea, which are 5.06, 2.26, 2.49, and 1.43 g/cm3, respectively. Production of electrode film is started after achieving ~88% relatively dense pellets, with following general production procedure of the pellet. The electrode film production differentiates from the pellets where at tape casting of the prepared slurry. The slurry, which includes the principle constituents (MoS2, Graphite) besides of binder materials, is used to produce a flexible tape that can endure the subsequent processes. The binder mixture was tape cast on a copper foil with 2.5 mg/cm2 active material loading and binders removed from the system with a heat treatment in a tube furnace at 180˚C. Afterward, a transient liquid (water), is included in the system with humidifying the films, and they were cold sintered with under a uniaxial pressure of 90 MPa at 120°C. The microstructural characterization of both pellet and film of MoS2 composites conducted with, X-ray diffraction (XRD), Scanning electron microscope (SEM), Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDS), Electron backscatter diffraction (EBSD), Thermal gravimetric analysis and mass spectroscopy (TGA-MS), and Raman spectroscopy. The XRD results revealed that cold sintered film and pellet showed consistent peaks of hexagonal structure that matched with reference ICDS card. In addition, pellets and film showed a strong (002) basal plane reflection, which is a strong indication of stacked planes along the loading direction. The results also showed a strong textural intensity along <001> direction in both produced pellets and films. Microscopy analysis with SEM showed that the sintered constituents were incorporated with the structure and small MoS2 flakes formed on the surface of the constituents and enabled their bonding. The chemistry information acquired with EDS also supports the incorporation with homogeneous dispersion of LAGP and graphite flakes in the structure. The EBSD analysis of both pellet and films were conducted to reveal the anisotropic feature of the samples. The pellets were scanned in both directions (c- and a-axis) while the film was only investigated on the surface, due to lack of thickness on the cross-section. The pole figure for {0001} planes of the pellets, which is measured perpendicular to the pressure loading, had shown a strong intensity along the <0001> direction, which is a strong basal orientation with ~24x randomly distributed intensity. The measurements parallel to applied pressure had a texture mainly orientated along the a-axis with ~15x randomly distributed intensity that shows an anisotropy between the two directions of cold sintered pellets. The findings are also in a consensus with the XRD results showing proof of stacked platelets along the c-axis that are arranged by applied uniaxial force. In order to evaluate the impact of Graphite in the system, electrical resistivities of the pellets were measured by a four-probe method. The resistivity measurements of samples in different graphite contents are conducted with respect to the temperature. The directional dependencies seen in the previous results were also investigated with this electrical testing with measuring samples in both directions, which are a, and c-axes. According to the results, the resistivities of a pure MoS2 pellet in a- and c-directions are 400 ohm.m and 120 ohm.m while MoS2-Graphite pellet (containing 20 wt.% Graphite) had 5 ohm.m and 1.5 ohm.m, respectively. It is believed that the preferential stacking of MoS2 planes along c-direction induced a higher resistivity along this direction. The results also suggest that the preferred orientation of the planes can create a barrier during current flow that increases the resistivity. The ratio of the resistivities between the two axes is found as~ 4.1, which is lower than the reported values (~1000) (El Beqqali et al. 1997; Hermann et al. 1973; Hippalgaonkar et al. 2017; Kam 1982; Souder and Brodie 1971). The testing of the electrodes in terms of electrochemical capabilities was conducted after preparing a half-cell in the argon-filled glove box. The results were displayed as Cyclic voltammetry (CV), and charge, and discharge profiles. The CV graphs of the MG electrode showed cathodic peaks at 0.28, 1.1, and 1.8V and anodic peaks at 0.29, and 2.5V, which are consistent with reported redox peaks of MoS2 electrodes. The cathodic peaks are signatures of Li+ insertion into MoS2 galleries and phase transformation of the structures. The first encountered anodic peak represents the lithium de-intercalation, graphite oxidation, and Mo oxidation to MoS2. The charge and discharge profiles have an agreement with CV curves, and the discharge curve depicts two visible plateaus at 1V vs. Li+/Li, the indicative formation of LixMoS2 and 0.5V vs. Li+/Li, the reduction of Mo4+ to Mo metal with Li2S formation. Cycling capability and capacity retention of the composites were significantly improved with the addition of solid electrolyte during the cold sintering process. The modified electrodes showed a first cycle capacity retention as 85.7%, and specific capacity as ~ 1000 mAh/g between 0 to 2.5 V vs. Li+/Li, after the 10th cycle. In summary, the thesis investigated the cold sintering of MoS2/Graphite composite structures, and results showed that consolidation of the composites was accomplished at low-temperatures with the aid of transient liquid-slurry, which includes AHM/Thiourea. The slurry provides a facile production of MoS2 flakes that can act as if cement between the pristine MoS2 and Graphite constituent and enables their bonding during the cold sintering process. It is believed that the uniaxial pressure, which is applied during the process, is amplified the anisotropy of the composite structure. The argument is supported by EBSD pole figures and electrical resistivity measurements, which are showed discrepancies between the a and c-directions. Another important finding is that increased graphite ratio improved both electrical conductivity electrochemical performance due to increased electron transfer during charge and discharge. The obtained charge and discharge profile in ~20-30wt% of graphite contents showed a typical plateau of MoS2 with increased capacity and cycling performance. The electrochemical performance was further increased by introducing a solid electrolyte, Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4 )3(LAGP), to the system, which is improved Li+ ion intercalation capabilities of the electrodes. As a result, electrochemically active MoS2 and Graphite electrodes are produced with ~1000 mAh/g specific capacity using the cold sintering method.
Taban malzeme ile emaye kaplama arasındaki difüzyon mekanizmasının araştırılması ve düşük metal migrasyonuna sahip emaye geliştirilmesi

(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2020) Işıksaçan, Özge ; Yücel, Onuralp ; 650302 ; Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

Emaye, atmosfer koşullarına karşı dirençli, korozyon dayanımı yüksek, camsı bir kaplama türüdür. Emaye kaplanmış metaller, kimyasal etkilere ve atmosfer şartlarına karşı direnç gereken, renk ve dış görünüşün önemli olduğu birçok uygulamada kendine yer bulmaktadır. Özellikle ısıl ve termal şok dayanımlarının yüksek olması ile toksik olmama özellikleri, emayelere pişirici cihazlarda, fırın tepsileri gibi pişirme kaplarında yaygın olarak kullanım fırsatı sağlamaktadır. Emaye kalitesini etkileyen en önemli özellik, emayenin taban malzemeye tutunma yeteneğidir. Emayenin kimyasal kompozisyonu, kaplamanın uygulanacağı metal yüzeyin pürüzlülüğü, çelik taban malzemenin sınıfı, emaye kaplamanın pişirileceği fırın atmosferi ve pişirim sıcaklığı gibi faktörler emaye kaplama ile metal arasındaki tutunma mekanizmalarını ve ara yüzey reaksiyonlarını doğrudan etkilemektedir. Emaye kaplamanın taban malzemeye tutunması birbiriyle ilişkili çok sayıda teoriye göre gerçekleşmektedir. Bu teorilerden en önemlileri mekanik ve kimyasal teorilerdir. Kaplama uygulaması sırasında, taban malzeme ve emaye tozlarının temas ettiği noktalar arasında elektrostatik bir çekim oluşur. Bu durum, mekanik tutunmanın temelidir. Emaye kaplama camsı faz kompozisyonunda, Ellingham Diagramı ile açıklanabilen, taban malzemedeki Fe ile reaksiyona girdiğinde indirgenerek metal hale geçen ve elektrokimyasal korozyon meydana gelmesini sağlayan CoO ve NiO gibi oksitler yer almaktadır. Pişirim sıcaklıklarında oluşan bu elektrokimyasal korozyon, taban malzeme yüzeyinden camsı faza doğru dendritler oluşturarak yüzeyin pürüzlü hale gelmesine sebep olur. Pişirme sırasında ergiyen emaye bu dendritlere dolmaya başlar, pişirim sonrası soğuma ile de emaye kaplama taban malzemeye fiziksel olarak kilitlenmiş olur. Kimyasal teoride ise metal ile camsı faz arayüzeyinde oluşan metal oksit tabakaları önemli rol oynar. Emayenin pişme sıcaklığında Fe'nin yükseltgenmesi sonucu FeO oluşması ve emaye kompozisyonunda bulunan tutunmayı destekleyici CoO ve NiO'in indirgenerek metalik Co ve Ni meydana getirmesiyle oluşan Fe-Co-Ni yapılar mekanik bağlanmayı sağlayan kimyasal reaksiyonlardandır. Emaye kaplamanın sıklıkla kullanıldığı pişirme kapları, fırın tepsileri ve sofra eşyaları, kullanım alanları ve şartları sebebiyle farklı gıda maddeleriyle sürekli temas halindedir. Bu temas sırasında, gıda maddesinin içeriğine göre emaye kaplama yüzeyinden bir takım kimyasal çözülmeler meydana gelir. Çözülmeler sonunda kaplama yüzeyinden temasta olduğu gıda maddesine metal migrasyonu adı verilen elementel geçişler gerçekleşir. Gıdalarla temas eden malzemeler için kullanıma uygunluk ve metal migrasyon limitleri, uluslararası regülasyonlar ve standartlar ile belirlenmiştir. Bu limitler ve uygunluklar 1935/2004 EC & EDQM Metals and Alloys Guidelines & 84/500 EC'de yer alan testlere göre elde edilen sonuçlar ışığında yorumlanır. 2013 yılına kadar emaye kaplamalardan gerçekleşen metal migrasyonu için sadece Pb ve Cd ölçülürken, 2013 yılından sonra yapılan regülasyon güncellemesi ile artık eser element olarak adlandırılan Ag, Al, Co, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Mo, Ni, Sn, Ti, V, Zn, As, Be, Cd, Li, Pb, Hg, Sb gibi 21 elementin migrasyonu takip edilmektedir. Emayenin de içinde bulunduğu camsı kaplamalar grubunda migrasyon, gıda-emaye kaplama temas yüzeyinde gerçekleşmektedir. Kaplamaların gıda ile temas halinde bulundukları yüzey alanı, gıda maddelerinin özellikleri, temas süresi ve ortam sıcaklığı metal migrasyon oranını doğrudan etkilemektedir. 84/500/EEC regülasyonuna göre gıda maddelerini simüle edebilecek en yakın kimyasallar hacimce %4 asetik asit ve %0,5 sitrik asit içeren çözeltiler olarak belirlenmiştir. Tez kapsamında gerçekleştirilen tüm deneysel çalışmalarda, 100x100x8 mm ebatlarında, Arçelik A.Ş. Bolu Pişirici Cihazlar İşletmesi'nden temin edilen DC 04 EK emaye kalite saclar kullanılmış olup, kaplama uygulamalarında kullanılan tüm emaye fritleri ticari kuruluşlardan kullanıma hazır olarak satın alınmıştır. Emaye kaplamalar 810°C-850°C arası sıcaklıklarda ve 1-6 dakika arası sürelerde pişirilmiş, sonuçlar karşılaştırılarak yorumlanmıştır. Migrasyon testleri için istenilen kalitede kaplamalar elde edilene kadar denemelere devam edilmiştir. Standartlara uygun kaplamaların eldesi ile de emaye kaplamadan gıda benzeri sıvıya geçen eser elementlerin ölçüm testleri gerçekleştirilmiştir. Çalışmalara taban malzeme olarak kullanılacak çelik yüzeylerin temizlenmesi ile başlanmış olup, emaye kaplamaya uygunluğunun tespiti için de kimyasal bileşimi, yüzey pürüzlülüğü, sertlik ve ıslatma açısı ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Kaplamalar, taban malzeme yüzey karakterizasyon işlemlerinin tamamlanmasının ardından, emaye toz karışımlarının metal altlıklara elektrostatik toz püskürtme yöntemi ile uygulanması yoluyla üretilmiştir. Çift kat tek pişirim (2K1P) olarak gerçekleştirilen ilk çalışmalarda astar kat daldırma yöntemi ile, üst kat ise elektrostatik toz püskürtme yöntemi ile tatbik edilmiştir. Bu deneyler sonucunda standartlara uygun yüzey kalitesi elde edilememesi nedeniyle kaplama işlemi tek kat tek pişirim olarak revize edilmiştir. Tek kat tek pişirim (1K1P) uygulamalarında öncelikle kaplama kalınlığının endüstriyel üretimlerde de tercih edilen 150±10 µm mertebesinde sabitlenmesi üzerine çalışılmıştır. Daha sonra emaye kaplamaların pişirme süresi ve sıcaklığı optimize edilerek, arayüzdeki mikroyapılar ve bu mikroyapıların kaplamanın tutunma kalitesi üzerindeki etkisi incelenmiştir. Bu incelemelerde, tutunma kalitesi önce darbe testi ile ölçülmüş, ASTM B916-01(2007) standardına göre tutunması 5. derece olan numunelerin arayüzlerinde meydana gelen FeO oluşumu ve Fe-Co-Ni metalik dendritik yapıları SEM-EDS analizleri ile incelenerek yorumlanmıştır. Taban malzemeden emaye kaplamaya doğru gerçekleştirilen çizgisel analizde, Fe konsantrasyonunun düştüğü, Si konsantrasyonunun ise arttığı görülmüştür. Emayenin pişirilme sıcaklığında, emayede bulunan CoO ve NiO'in, taban malzeme yüzeyine doğru difüze olduğu ve burada Fe tarafından indirgenerek arayüz bölgesinde Fe-Co-Ni metalik yapılarını oluştururken oksitlenen demirin de emayeye doğru ilerlediği belirlenmiştir. Parametre optimizasyonu için gerçekleştirilen mavi, yeşil ve siyah 1K1P kaplamalarda tutunma ve arayüz mikroyapı kalitesi açısından en iyi kaplamalar siyah frit kullanılan, 840°C'de 6 dk pişirilen numunelerde elde edilmiştir. Bu nedenle migrasyon testlerinde kullanılacak kaplamaların bu frit ve karışımları ile hazırlanması kararlaştırılmıştır. Migrasyon testlerinde, 84/500/EEC regülasyonuna uygun olarak, hem asidik hem alkali ortamı simule edebilmesi açısından %0,5'lik sitrik asit çözeltileri kullanılmıştır. Testler, 100°C sıcaklıkta gerçekleştirilmiştir. Deney süresi 2 saat olarak belirlenmiştir. Tutunma ve arayüz karakterizasyon sonuçları olumlu çıkan kaplama numuneleri kullanılarak hazırlanan çözeltiler ICP-MS cihazı kullanılarak analiz edilmiş, emaye bileşiminden asit çözeltisine migrasyona uğrayan eser metal miktarları ölçülmüştür. Migrasyon testlerinde kullanılan kaplamaların hazırlanması için Mini Tab programında hazırlanan deney tasarımı kullanılmıştır. Değişkenler olarak pişirim sıcaklığı, pişirim süresi ve siyah emaye fritine katılacak beyaz emaye toz (bet) oranı seçilmiştir. Taban malzemeye tutunması en iyi olan %100 siyah emaye firiti ile hazırlanan numuneler kullanılarak yürütülen migrasyon testlerinde, regülasyonların sınırladığı eser element miktarlarının çok üzerinde değerler elde edilmiştir. Metal migrasyon değerlerinin limitlerin altında çıktığı beyaz emaye tozu ile gerçekleştirilen çalışmalarda ise kaliteli tutunmalar elde edilememiştir. Bu nedenle deney tasarımı kullanılarak siyah ve beyaz emaye tozları programın belirttiği oranlarda karıştırılmış %100 siyah, %20 bet katkılı siyah ve %40 bet katkılı siyah emaye tozları kullanılarak hazırlanan numuneler, 810°C, 830°C ve 850°C'lerde, 2, 4 ve 6 dk sürelerince pişirilmiştir. %40 bet içeren karışım ile hazırlanan, 850°C'de 6 dk pişirilen 52 numaralı numunenin migrasyon test sonuçlarında, incelenen tüm Ag, Al, Co, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Mo, Ni, Sn, Ti, V, Zn, As, Be, Cd, Li, Pb, Hg, Sb elementlerinin migrasyon değerleri regülasyon sınırlarının altında kalmıştır. Bu sonuçlar, gıda ile temasa uygun yeni nesil emayelerin üretiminin yeni emaye formülasyonları ile mümkün olduğunu göstermiş ve endüstriyel çalışmalar için veri sağlamıştır.
Katodik ark fbb yöntemi kullanılarak çelik yüzeylerin alüminyumlanması

( 2020) Çelikel, Tuğba ; Ürgen, Mustafa Kamil ; 625454 ; Metalurji Mühendisliği ; Metallurgical Engineering

Fe-Al alaşımları, çeliğe göre hafif olmaları, yer kabuğunda en çok bulunan iki elementten oluşmaları, alüminyumun demir içerisindeki yüksek çözünürlüğü ve düzenli yapılar oluşturabilmeleri nedenleri ile çok ilgi çekmiş bir alaşım grubudur. Ayrıca yapılarında bulunan yüksek alüminyum içeriği, bu alaşımları özellikle kükürtlü gazlar içeren ortamda gerçekleşen yüksek sıcaklık oksidasyonuna karşı dirençli kılmaktadır. Ancak bu alaşımların söz konusu avantajları göz önüne alınarak yapılan geliştirme çalışmaları (1980'li yıllardan itibaren) ne yazık ki bu alaşımların yeterli sürünme direnci göstermemeleri, şekil alma kabiliyetlerinin iyi olmaması ve hidrojen gevrekliğine çok hassas olmaları nedenleri ile başarılı olamamış ve bu alaşımların kitlesel halde kullanımı yaygınlaşamamıştır. Hâlihazırda bu malzeme döküm yolu ile üretilmekte ve değişik yüksek sıcaklık uygulamalarında (kömür gazlaştırma sistemleri, ısıtma elemanları, sıcak gaz filtreleri, gibi ) alanlarda kullanılmaktadır. Kitlesel olarak üretimleri sınırlı olan bu alaşımların, değişik yöntemler kullanılarak çeliklerin üzerine kaplanması yaygın bir uygulamadır. Kaplama yöntemleri ise iki grup altında toplanabilir. Bunlar; difüzyon gerçekleşmeyen doğrudan kaplama ve difüzyon yoluyla yapılan kaplamalardır. Doğrudan kaplama yöntemleri, fiziksel buhar biriktirme, manyetik alanda sıçratma yöntemleridir. Bu yöntemlerin ortak yönü, belli bir bileşimde olan Fe-Al fazların taban malzeme üzerinde biriktirilmesidir. Difüzyon gerçekleşerek fazların oluşturulması aşamaları gerçekleşmediğinden elde edilen kaplamanın yüzeye adezyonu da nispeten düşük olmaktadır. Difüzyon yolu ile gerçekleştirilen kaplama yöntemleri ise giydirme, sıcak daldırma, paket sementasyonu, şlam (çamur) füzyonu, kimyasal buhar biriktirme ve katodik ark fiziksel buhar biriktirme temelli difüzyon yöntemleridir. Sıcak daldırma uygulama kolaylığı sebebiyle endüstride en yaygın kullanılan yöntemdir. Çamur füzyonu kaplama için bir hazne gerektirmediğinden büyük ve karmaşık parçaların kaplanmasına olanak sağlamaktadır. Paket sementasyonu ve kimyasal buhar biriktirme yöntemlerinin çalışma prensipleri benzerdir. Katodik ark metal iyon prosesi (KA-EMIT) bu tezin konusunu oluşturan bir fiziksel buhar biriktirme yöntemidir. Yöntemde oluşturulan iyonların taban malzeme yüzeyine doğru hızlandırılması amacıyla altlık malzemeye bir hızlandırma potansiyeli (bias, HızV) uygulanır. Altlığa uygulanan bu akım doğru akım veya darbeli akım gibi çeşitlerde olabilmektedir. Ancak bu çevrimler esnasında taban malzemenin sıcaklığı sürekli olamamaktadır. Bu sebeple taban malzemeye doğru akım (DC) yerine alternatif akım uygulanması yöntemi geliştirilmiş ve bu sayede alternatif akımın (AC) pozitif çevriminde tabanı sürekli olarak ısıtılırken negatif çevrimde kaplama gerçekleştirilmiştir. Hızlandırma potansiyeline uygulanan akımın büyüklüğü ilexxii malzemenin yüzey sıcaklığının kontrolü sağlanmaktadır. Öncel ve Ürgen, bu yöntemi katodik ark elektron metal iyonu prosesi (KA-EMİT) olarak adlandırmıştır [59,60]. Yöntemin en önemli avantajı, geri sıçratma etkisinin ortadan kaldırılarak istenilen kaplamaların yapılabilmesine olanak sağlamasıdır. Bu tez çalışmasında da KA-EMİT yöntemi kullanılarak Fe-Al fazların taban malzeme üzerinde difüzyon yoluyla oluşturulması amaçlanmıştır. Çalışmanın bu konuda yapılan diğer çalışmalardan farkı, bu yöntemin düşük karbonlu çelik (Fe)-Al sistemine ilk defa uygulanacak olmasının yanında geniş bir sıcaklık aralığında Fe ve Al arasındaki difüzyon süreçlerinin kontrollü olarak gerçekleştirme olanağını sağlamasıdır. Bu tez çalışmasında düşük sıcaklıklardan başlayarak yüksek sıcaklıklara kadar farklı sürelerde difüzyon işlemleri yapılarak katodik ark FBB yöntemi ile elde edilen fazların şeması çıkarılmıştır. Seçilen sıcaklıklar oluşturduğu fazlara bağlı olarak, düşük sıcaklıklarda uygulanan alüminyumlama işlemleri (600, 700, 800, 900⁰C) ve yüksek sıcaklıkta uygulanan alüminyumlama işlemleri (1000, 1100, 1200⁰C ) olarak iki başlıkta incelenmiştir. Elde edilen kaplamaların özellikleri XRD, SEM, EDS ve sertlik ölçümü ile karakterize edilmiştir. Kaplamada oluşan ikili faz bölgelerindeki fazları ayrıştırmak amacıyla FIB analizi kullanılmıştır. 900⁰C'ye kadar yapılan tüm düşük sıcaklık difüzyon (yayındırma) işlemleri 30 dk boyunca uygulanmış ve elde edilen kaplama yapısı esas olarak Fe2Al5 fazından oluşmuştur. Bu sıcaklıklarda oluşan yapıların üzerinde metalik alüminyuma da rastlanmaktadır, ancak işlem sıcaklığının artışı ile alüminyum katmanının kalınlığı azalmakta ve 1000⁰C sıcaklıkta oluşmamaktadır. Demir alüminit fazların oluşumunda difüzyon çiftinin fiziksel hali anahtar rol oynamaktadır. Difüzyon çifti her durumda katı olan IF çeliğinin yüzey sıcaklığına göre alüminyumun katı, sıvı ve gaz halde olmasına göre açıklanmıştır. Literatür çalışmaları incelendiğinde katı-katı ve katı-sıvı sistemlerinde ısınma ve sıcaklıkta tutma esnasında ilk olarak Fe2Al5 fazı oluşmaktayken, katı-gaz sisteminde demirce zengin fazlar elde edilmektedir. Katı-katı ve katı-sıvı sistemlerinde ısınma esnasında Fe2Al5 fazının oluşması parmaksı olarak çeliğin içerisine doğru büyümesi şeklindedir. Bu faz parmaksı şekilde oluşmaya devam ederken demir-alüminyum arayüzeyinde Fe2Al5 fazının tamamen oluşup birleştiği andan itibaren difüzyon sınırlanmaktadır. Soğuma esnasında alüminyum tabakası varlığında difüzyon yön değiştirir ve Fe2Al5 fazı alüminyuma doğru çözünerek FeAl3 oluşturur. Bu tez çalışmasında yapılan deneylerde, düşük sıcaklık numunelerinde difüzyon sınırlandığı için oluşan kaplamanın kalınlığı artırılamamıştır. Ancak arayüzey varlığında oluşması beklenen FeAl3 fazları bu tez çalışmasında 800⁰C ve 900⁰C sıcaklıklarında noktacıklar halinde yapının içerisine dağılmıştır. Elde edilen katmanların sertlik değerleri düşük sıcaklık numuneleri için karşılaştırıldığında Fe2Al5 fazı üzerinden ortalama 1280 HV sertlik değeri ölçülürken, yapıya dağılmış halde FeAl3 fazı içeren Fe2Al5 fazının sertliği ortalama 1050 HV olmuştur. Dağılmış halde bulunan FeAl3 fazının, daha sert olan Fe2Al5 fazının sertliğini düşürdüğü görülmektedir. 1000⁰C'de 30 dakika boyunca yapılan difüzyon işlemi sonrası difüzyon sistemi katı- gaz olmuştur. En üst katman olarak boşluklu FeAl+FeAl2 ikili faz bölgesi elde edilmiştir. Bu katmanın altında sırası ile kimyasal bileşim olarak Fe3Al, Fe3Al+α-Fe ve α-Fe fazlarına tekabül eden katmanlar gözlenmiştir. Toplam katman kalınlığı ortalama 15µm'dir. Katmanların kalınlığı ortalama birkaç μm mertebesindedir. Ancak süre 60 dakikaya çıkarıldığında en üstte oluşan kalın (30 μm) birxxiii Fe2Al5+FeAl3 katmanın altında α-Fe yapısı gözlenmiştir. Süre 90 dakikaya çıkarıldığında ise 45 μm kalınlığında Fe2Al5+FeAl3'den oluşan üst katmanın altında Fe3Al+α-Fe ve α-Fe katmanları oluşmuştur. Toplam kalınlıkta artış olmuş ve bununla beraber Fe3Al+α-Fe katmanı görülebilir olmuştur. Difüzyon sıcaklığı 1100⁰C'ye çıkarıldığında yapıda 30 dakikada birkaç μm kalınlığında FeAl fazını takiben Fe3Al, Fe3Al+α-Fe ve α-Fe katmanları oluşmuştur. Toplamda 1000/60 numunesi ile benzer kalınlıkta (40-45 µm) kaplama elde edilmiş ancak, farklı olarak Fe2Al5 yapıda yer almamıştır. Süre 60 dakikaya çıkarıldığında toplam kalınlık ~80 µm olmuş, fazlar sırasıyla FeAl, FeAl+Fe3Al, Fe3Al+ α-Fe, α-Fe olmuştur. FeAl fazının kalınlığı artarken FeAl+Fe3Al ikili faz bölgesi de kalın bir katman oluşturmuştur. 90 dakika tutma süresinde ise yapıda kalınlığı 55 µm'yi bulan Fe2Al5+ FeAl3 fazı oluşmuştur. Ardından sırasıyla Fe3Al+α-Fe, α-Fe oluşmuştur. 1200⁰C sıcaklık Fe2Al5 ergime sıcaklığı üzerindedir. Yapılan deneylerde FeAl+FeAl2 faz bölgeleri ve FeAl fazı elde edilmiştir. Bu nedenle, 1200⁰C sıcaklık demirce zengin FeAl ve Fe3Al fazlarının oluşturulabilmesini daha mümkün kılmıştır. 30 dakika boyunca yapılan deneylerde toplamda 65 µm derinliğinde sırasıyla FeAl2+FeAl, FeAl, FeAl+Fe3Al, Fe3Al+α-Fe, α-Fe fazları oluşmuştur. Alüminyumlama süresi 60 dakikaya çıkarıldığında toplam 100 µm derinliğinde olan kaplamanın en üstünde yer alan FeAl2+FeAl tabakasının kalınlığı birkaç mikrometre artarken altındaki FeAl tabakası kaybolmuş ve FeAl+Fe3Al tabakasının kalınlığı artmıştır. Sırasıyla yer alan diğer fazlar Fe3Al+α-Fe, α-Fe olmuştur. 90 dakika boyunca yapılan deneyde ise en üstteki tabaka çok ince bir FeAl tabakası olmuştur. Toplamda elde edilen kaplama kalınlığı 150 µm olmuştur. FeAl tabakasının altında FeAl+Fe3Al tabakası yer almış, altındaki Fe3Al+α-Fe bölgesinin genişlediği görülmüştür. Dağlama yapılarak incelenen numunelerde kimyasal kompozisyon olarak bakıldığında tek fazlı olması gereken bölgelerde yapıda çift fazlı bölgeler oluşmuştur. Faz diyagramına göre, soğuma sırasında FeAl fazından dönüşerek oluşan Fe3Al fazına dönüşüm yavaş olduğu için yapıda FeAl kalmaktadır. Yapıda oluşan Fe3Al fazı ise düzenli olarak elde edilememiştir. Bu sebeplerle Fe3Al fazını hem ayrıştırarak kararlı hale getirmek hem de düzenli yapıya dönüştürmek amacıyla ısıl işlem uygulanmıştır. Isıl işlem Fe3Al dönüşümüne uygun olarak 500⁰C sıcaklık ve 15 saat sürede yapılmıştır. Isıl işlem sonrası yapının düzenli hale getirildiği ve homojen olarak elde edilebildiği XRD deseni ve dağlama sonrası SEM görüntüleri ile belirlenmiştir. Elde edilen fazlar neticesinde oluşum mekanizması değerlendirildiğinde, alüminyumun fiziksel halinin difüzyon ve oluşan fazlar üzerinde önemli etkisi olduğu görülmüştür. Demir katı haldeyken alüminyum katı veya sıvı halde olduğunda demirin alüminyuma doğru difüzyonu yüksek olmakta bu sebeple alüminyumca zengin fazlar oluşmaktadır. Alüminyum gaz olduğunda ise demire difüzyonu kolaylaştığından difüzyon yönü değişerek demire doğru difüzyon gerçekleşir. Bu sayede demirce zengin fazların oluşumu mümkün olabilmektedir. Vakum ortamda yüzeye gelen alüminyum 600⁰C sıcaklıkta katı olmuş 700,800 ve 900⁰C sıcaklıklarında sıvı olmuştur. Deney koşullarında 10-4 Torr basınç ile 1000⁰C seviyelerinde alüminyum gaz haldedir. Bu sebeple 1000, 1100 ve 1200⁰C sıcaklıklarda katı-gaz difüzyonu gerçekleşmiştir.
Nanocomposite scaffolds containing metal nanoparticles

(Graduate School, 2020-09-23) Aktürk, Ayşen ; Göller, Gültekin ; 506112413 ; Metallurgical and Materials Engineering ; Metalurji ve Malzeme Mühendisliği

Nowadays metal–polymer nanocomposites are the subject of increased interest due to their potential to combine the features of polymers with inorganic materials. Specifically, the combination of a natural polymer (biopolymer) and metal nanoparticles is highly appealing because of the individual antibacterial activity of the metal nanoparticle components, and the possibility to generate a biodegradable and biocompatible composite. The bioactivity of composites can be achieved by using bioactive inorganics such as hydroxyapatite, bioactive glasses. This study aims to combine metal-polymer-bioactive glass to fabricate new nanocomposite materials by using electrospinning method. For this purpose, polymer solutions containing bioactive glass (45S5) particles and/or metal nanoparticles (silver and copper nanoparticles) were prepared and then, they were electrospun into nanofibers under the relevant process conditions (i.e., solution concentration, applied voltage, tip-to-collector distance, flow rate, and etc.). Gelatin as a natural polymer and poly (Ɛ-caprolactone) (PCL) and polyvinyl alcohol (PVA) as synthetic polymers were employed in the experimental studies. Bioactive glass used in this study was fabricated by classical melt-derived method, while copper and silver nanoparticles were prepared by using biopolymers (soluble starch and sodium alginate) as the capping agents. Membranes were produced with a certain fiber diameter by using Box-Behnken design, which is a statistical experimental design method and characterization studies of these membranes were carried out.The crystalline structure of the produced bioactive glasses and metal nanoparticles were analyzed by X-ray diffraction (XRD) technique. Moreover, the surface morphology and the crystalline structure of the electrospun nanofibrous scaffolds were examined by the help of a scanning electron microscope (SEM) and X-ray diffractometer (XRD). Changes in the structures of the obtained nanoparticles and membranes were detected by using Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), Thermogravimetric analysis (TGA) was performed to determine the thermal behavior of nanofiber membranes and copper nanoparticles. Furthermore, the in vitro degradation behavior of the scaffolds were investigated by using simulated body fluid (SBF). In addition, the bioactivity and the biocompatibility of the nanofibrous scaffolds were also investigated through in-vitro bioactivity tests and cell culture studies. Moreover, the antibacterial or antifungal effects of the obtained nanoparticles and membranes were determined. Finally, therapeutic ions release from the nanofibrous scaffolds were investigated by using inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES). As a result of all these characterization studies, it was concluded that the nanofiber membranes obtained in this study have a potential for tissue engineering applications.
Bakır içeren çeliklerin özelliklerine bileşim ve üretim parametrelerinin etkisi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021) Yeşiltepe, Selçuk ; Şeşen, Mustafa Kelami ; 672533 ; Metalurji ve Malzeme Mühendisliği

Çelik dünyada en fazla üretilen metal malzemedir. Ömrünü tamamlamış olan çelik malzemeler kullanım ömrünün dolmasıyla hurdaya ayrılmaktadır. Yüksek miktarda üretilmesi ve kullanılması hurda çeliğin miktarının her geçen yıl artmasına sebep olmaktadır. Çelikte geri dönüşüm prosesi oldukça yaygın v uygulanabilir olmasına karşın geri dönüşümünün kendine has problemleri bulunmaktadır. Çelikteki geri dönüşüm prosesinin en önemli handikapı kalıntı elementler olarak bilinen ve geri dönüşüm sırasında çelikten ayrılamayan elementlerin hurdadaki varlığıdır. Bu elementler termodinamik olarak Fe'den daha soy oldukları için EAF prosesinde oksitlenerek cürufa geçmez, sıvı çelik banyosunda kalırlar. Bu elementler; Cu, Sn, Zn, Pb, Bi, Sb, As, Ni, Cr, Mo ve V olarak tanımlanmaktadır. Kalıntı elementlerin arasında en fazla orana sahip ve çeliğe zararlı etkileri olan element Cu'dır. Cu, çeliklerde sıcak yırtılma olarak bilinen mekanizmanın oluşumuna yol açarak sıcak haddeleme esnasında çatlaklara sebep olmaktadır. Bu tez çalışmasında sıcak yırtılma mekanizmasının Cu'a bağımlı olarak nasıl değiştiği, hangi koşullarda ortaya çıktığı ve önlenme yöntemleri incelenmiştir. Çalışma kapsamında döküm yöntemi ile farklı Cu içeriklerine sahip slablar üretilmiştir. Üretilen slabların döküm halinde bir olumsuzluk gözlemlenmemiştir. Üretilen slablara sıcak haddeleme yapıldığı zaman sıcak yırtılma ortaya çıkmış ve Cu segregasyonu oluşumu gözlemlenmiştir. Yapılan karakterizasyon çalışmalarında Cu'ın çatlakların ana sebebi olduğu ve çatlak bölgelerinde yoğun olarak segrege olduğu saptanmıştır. Cu'ın çelikteki segregasyonunun giderilmesi için farklı sıcaklık ve sürelerde Cu'ın çözeltiye alınması için ısıl işlem çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Yapılan ısıl işlemlerin sonucunda Cu segregasyonunda ciddi bir gerileme saptanmamıştır. Bu sonuçla birlikte Cu segregasyonunun ilk aşamada kaçınılması gerekliliği ortaya çıkmıştır. Cu'ın segregasyon mekanizması incelendiğinde Cu segregasyonunun görülmesi için oksidasyonun elzem olduğu görülmüştür. Oksidasyona izin verilmeyen yüksek sıcaklık ortamlarında yapılan tavlama işlemlerinde Cu segregasyonu görülmemiş; Cu, Fe içerisinde homojen olarak dağılmıştır. Oksidatif ortamda yüksek sıcaklıkta yapılan incelemeler sonucunda ise Cu'ın tufal altında zenginleştiği ve sıvı bir faz oluşturarak ayrıştığı gözlemlenmiştir. Cu'ın çeliğin oksidasyon davranışına yaptığı etki incelenmiştir. Cu'ın çelikte segregasyon oluşturmasının oksidasyon ile olan bağlantısı çeliğin oksidasyonuna yaptığı etkinin incelenmesini önemli hale getirmiştir. Yapılan oksidasyon kinetiği çalışmalarında Cu'ın çeliğin yüksek sıcaklık oksidasyon direncini geliştirdiği görülmüştür. Oksidasyon sonrasında çelik yüzeyinde zenginleşen sıvı Cu filmi çeliğe oksijen difüzyonunu engelleyerek çelikte oksidasyonu geciktirmektedir. Yüzeyde oluşan sıvı Cu filmi Cu'ın yarı soy metal olması dolayısıyla oksidasyona uğramamaktadır. Çelikte artan Cu miktarı ile birlikte oksidasyon için gerekli olan aktivsyon enerjisinin de artış gösterdiği bulunmuştur. Yapılan alaşımlama çalışmalarında Cu, Cu+P, Cu+P+S ve Cu+P+S+Mn kompozisyonları kullanılmıştır. Yapılan alaşımlama çalışmaları sonrasında üretilen slablarla iki farklı sıcaklıkta (1000 oC ve 1200 oC) haddelenmiştir. 1000 oC sıcaklıkta haddelenen slablarda çatlama daha az miktarda görülmüştür. Düşük sıcaklıklarda oksidasyonun az olması ve haddeleme sıcaklığının Cu'ın sıvılaşma sıcaklığından düşük olması çatlak oluşumunun azalmasını sağlamıştır. 1200 oC sıcaklıkta yapılan haddeleme işlemi sonrasında slablarda 1000 oC'de yapılan işleme oranla daha fazla çatlak tespit edilmiştir. Alaşım elementlerinin çatlamaya etkisi incelendiğinde P ve S'ün sınırlı bir etkisi olduğu buna karşın Mn ilavesinin çatlak oluşumunu azalttığı görülmüştür. Haddelenen slablar çekme testine tabii tutulmuştur. Yapılan çekme testi sonucunda haddeleme sıcaklığı veya alaşımlamanın keskin ve belirgin bir etkisi olmadığı ortaya çıkmıştır. Tüm bu sonuçlar irdelendiğinde Cu çelikte çatlaklara sebep olmakla birlikte proses parametrelerinin ve proses ortamının uygun hale getirilmesi ile birlikte Cu'ın çelikte kullanılması ve yüksek Cu içeriğine sahip hurdaların değerlendirilmesi mümkün olmaktadır.
Investigation of the cutting performances of the diamond tools used in the natural stone industry

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021) Bulut, Berrak ; Baydoğan, Murat ; 709870 ; Metalurji ve Malzeme

Natural stone production has become an increasingly important sector with developments in the construction sector in recent years.In this process, new natural stone quarries were opened, and the open quarries were further deepened and enlarged.The development of the natural stone production sector has provided the research of natural stone production methods and technological gains in production machines. Natural stone production in open mining is carried out in the form of cutting the natural stone from the bedrock with different methods and reducing it to the desired dimensions. The diamond cutting wire and saws are the newest and most advantageous method, which has the most application area among the block natural stone production methods.In these methods, after the diamond toolsare contacted with the stone surface to be cut, it is moved at a certain speed with an electric or diesel drive unit, and the cutting process is carried out by breaking off a piece of natural stone with the abrasive wear. Diamond segments are composite materials created by mixing diamond grains and metal powders. Generally, powder metallurgy method is used as production technology. There are many geological and physico-mechanical factors affecting the field performance of the diamond cutting tools; machine power, hardness and abrasiveness of the stone to be cut, operator experience, diamond segment design and production technology. In addition to these parameters, the most important factor affecting the cutting performance is the selection of the metal matrix composition of the diamond tools and the determination of the properties of the diamond such as concentration, grain size and coating type. Diamond is used in cutting, drilling and polishing of hard materials due to its high hardness and high wear resistance.The size of the diamond grains used in the segment is in the range of 18-60 mesh. 20/30 mesh diamond size is for cutting very low hardness and coarse grained stones such as limestone and sandstone, 30/40 mesh diamond size is for cutting medium hard marble stone, 40/50 mesh diamond size is for cutting hard and fine grained stones such as granite and basalt, and 50/ 60 mesh diamond grain size is preferred for cutting flint and very hard granite type stone. As the diamond grain size gets thinner, the impact strength increases. Although high cutting speeds can be achieved with coarse-grained diamonds, fine-grained diamond is preferred as the hardness of the cut stone increases.In addition to diamond grain size, another characteristic that affects cutting performance is its concentration. Concentration refers to the volume of diamond in the insert mix and is calculated by the weight of the diamond in the metal matrix layer. The high diamond concentration provides high wear resistance for the diamond tools, even at high loads. However, a large contact surface requires lowering the grinding intensity. In this case, a lower diamond concentration should be used. Diamonds segments wear during the production of natural stone. This wear can occur both on the diamond grain and between the diamond-matrix interface. The main task of the metal matrix in diamond tools is to hold the diamonds in its structure and to wear it in compatible with the diamond. The matrix should keep the diamonds that have not completed their cutting task in the structure, but should be worn so that the diamonds that have completed the cutting process leave the structure and are replaced by new diamonds with sharp edges. The cobalt (Co) powders and alloys are matrix materials that are widely used in cutting processes of marble and granites. Copper (Cu), tin (Sn) or bronze are used as a metal matrix materials for decrasing the porosity. Tungsten (W) can be used to for increasing the mechanical properties of the metal matrix material. In this study, the metal matrix compositions were developed to improve the cutting performances of the diamond tools. Three different publications are presented in this thesis. The first publication is on the examination of the morphology, microstructure and mechanical properties of Co powders that can be used in the metal matrix composition, and the selection of the appropriate Co powder that can increase the field performance of the diamond tools. The second publication is on the determination of the matrix compositon to increase the cutting speed of the diamond toolsdue to the properties of the stone. In this study, iron (Fe)-based and Co-based metal matrices were formed. In the third publication, aluminum (Al) and silver (Ag)addition were used to increase the performances of thediamond tools in the production of Ankara andesite stone. The first part of the thesis examines the effects of powder grain shape on the final product. The Co powders with spherical(Co-S) and rod-like(Co-R) grain shapes are preferred by the manufacturers in many countries. The effects of these grain shapes on the production of the segment and thus on the final product were examined comparatively. Freeman (FT4) rheometer analysis was performed to predict the behavior of the powders in the cold pressing process. The grain shapes, grain sizes and surface areas of the powders were determined by Scanning Electron Microscopy (SEM), grain size distribution measurement and Brunauer, Emmett and Teller (BET) analysis. The crystal size of the powders was determined by the Williamson–Hall (W–H) method. Microstructure analyzes were determined by SEM and X-ray diffraction method (XRD), and the density was determined by the Archimedes. The mechanical properties were determined by microhardness measurement, compression test and abrasion test. According to the results obtained by the powder characterization studies, the grain size of Co-S powder is lower than Co-R powder. According to the FT4 analysis results, it was determined that the cold press fluidity of Co-S powder is high, it can fill the cold press mold without creating deep cavities, and the powders are stable against air flow. The results obtained in Co-R powderrevealed that the powders are not stable with air flow, their fluidity is low and they created cavities in the cold press mold during powder filling. It was determined that Co-R samples contain 25% more porosity than Co-S samples. The highest mechanical properties were obtained in Co-S samples. According to the results of this study, the grain shape of the powders significantly affects the powder properties. The Co-S powders are more appropriate in the production of the diamond tools is and it was preferred in the metal matrix compositions in the next studies of the thesis. In the second part of the thesis, the metal matrix compositions to be used in cutting marble and granite stones were examined. Fe-based and Co-based metal matrix groups were formed. In order to determine the microstructure and mechanical properties, SEM, XRD, density measurement, hardness measurement, compression test and relative wear tests were performed. In order to determine the field performances, diamond cutting wires were produced. The hardness, compression strength and the relative wear resistance of Co-based samples are higher than Fe-based samples. The high cutting speeds were obtained with Fe-based matrices in marble stone production. The Fe-based metal matrix is worn during cutting and new diamonds with sharp corners come to the surface and increasing the cutting speed. In Co-based matrices, on the other hand, the cutting speed in marble stone production remained low, because the broken and damaged diamonds remained on the surface and could not perform well during the cutting process. In granite stone cutting, the higher cutting speeds were obtained in Co-based matrices. The high mechanical properties given by Co are maintained at high temperatures to provide high cutting speeds and high service life to the segments. In this study, it has been determined that the first step in the production of the diamond tools is to understand the characteristics of the stone to be cut. In the last part of the thesis, similar to the second part of the thesis, the metal matrix compositions according to stone properties were examined to increase the cutting performance of the diamondsegments. Ankara andesite stone has high hardness and abrasiveness. Since it is in the volcanic stone group, it contains high porosity and glassy phases. Due to its structural features, the service life of the cutting tools is low. For this reason, Al and Ag were used as a matrix material to increase the service lifethe Co-based matrix composition. The microstructure and mechanical properties of metal matrices were determined comparatively. Diamond circular saws were used for field trials. According to the results of the analysis, Ag spread between the grain boundaries and filled the existing porosities. The mechanical properties of the samples increased with the formation of the Al13Co4 intermetallic phase and a decrease in the porosity. The high cutting speeds and long lifetimes were determined for Al and Ag added samples. 57.14%vol. more stone cutting was achieved. The cutting tools obtained from the matrix composition developed in this study are produced in series and the produced saws continue to be used in andesite and basalt stone cutting in Ankara and Kayseri, Turkey. The matrix compositions developed in the thesis have been used in different stone types in different countries and mass production continues.
Surface modification of stellite hardfacings by post surface melting processes

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021) Alhattab, Ali Abdul Munim Ali ; Arısoy, Cevat Fahir ; 675454 ; Metalurji ve Malzeme Mühendisliği

Wear, the process of material removal from the surface by means of mechanical, thermal, or chemical action, causes a complete failure of various components in different industries. A key method of reducing the wear loss in lubrication starved applications is the use of materials with enhanced surface properties. This can be obtained by either selection of an appropriate bulk material, which is economically infeasible, or application of a suitable surfacing treatment to the surfaces subjected to wear conditions. In this respect, depositing of hardfacing material has come as a promising technical solution to obtain improved surface properties and protect different metallic substrates against wear attack with no chang in the properties of the bulk material. Owing to their poor machinability, these alloys are generally employed in the form of coating by using the conventional welding processes. Stellite hardfacing is a group of cobalt-based alloys designed as protective coatings on components subjected to harsh service conditions at elevated temperatures. With specific carbon content and carbide promoters like Cr, W and Mo, Stellite hardfacings exhibit microstructures composed of high fraction of hard carbides such as Cr-rich eutectic carbides (in the form of M7C3 and M23C6) and W/Mo-containing complex carbides (in the form of M6C) dispersed in a solid solution strengthened Co-matrix. Although they exhibited superior tribological properties at room temperature (RT), higher ambient temperatures and/or heavy loads are still serious problems affecting the lifetime of Stellite coatings. Therefore, intensive researching efforts have been devoted to overcoming these shortcomings. One well-investigated approach to improve the properties of these materials is alloying of Stellite hardfacings with carbide promoters like Mo during the depositing process which enhance the surface properties by the virtue of enriching the microstructure with excessive amounts of complex carbides. Even though modifying the chemical composition of Stellite alloys can enhance the hardness and wear resistance via mainly increasing the carbides fraction but it is not always feasible especially with higher alloying rate. Therefore, application of a post surface melting treatment by high-energy beams (i.e. electron beam and laser beam) has been envisaged as an alternative strategy for further improving the surface properties of deposted hardfacings as it can modify the microstructure of the melted zone due to associated rapid cooling characteristics. By alloying with 10% Mo, alone or in combination with a post surface melting treatment; namely electron beam surface melting (EBSM) and laser surface melting (LSM), this dissertation work has been created, aiming to extend the understanding of the positive effects of Mo alloying and post EBSM/LSM treatments on both microstructure and dry sliding wear characteristics of Stellite hardfacings. Since the mechanical related surface propertiessurface, hardness and wear resistance, of the Stellite hardfacings are mainly chemical composition dependent, two commercial Stellite alloys were selected in this work, having different contents of alloying elements; Stellite 12 (30 wt.% Cr, 8.5 wt.% W and 1.45 wt.% C) and Stellite 6 (28.5 wt.% Cr, 4.6 wt.% W and 1.2 wt.% C). The plasma transferred arc (PTA) technique was selected to lay down a single layer of the coating material on AISI 4140 steel substrate. The high deposition rate along with the characteristic low heat input, excellent arc stability and the high flexibility in achieving the desired composition of the material to be deposited were the reasons for choosing the PTA depositing process. The surfaces of PTA deposited hardfacings were then exposed to a single pass of an electron/laser beam for surface melting. The microstructural features of the unalloyed and Mo-alloyed PTA Stellite 6 hardfacings and their EBSM'ed/LSM'ed versions were examined by X-ray diffractometer (XRD) and scanning electron microscope (SEM) in secondary electron (SE) mode as well as Energy dispersive X-ray spectrometer EDX equipped SEM in back scattered electron BSE mode. For sliding wear tests, two configurations were conducted; ball-on-flat (reciprocating) and ball-on-disc. The wear loss and wear mechanism were evaluated by scanning the wear tracks (WT) with a 2D contact type profilometer and SEM, respectively. In the first phase, a Stellite 12 hardfacing alloy deposited by PTA technique and subjected to a post treatment of EBSM. The microstructure and RT dry sliding wear resistance of EBSM'ed Stellite 12 hardfacing have been evaluated and compared with those of PTA Stellite 12 hardfacing. The microscopic examinations showed an extensive refinement in the microstructure of the EBSM'ed Stellite 12 hardfacing, resulting in about 15% increment in surface hardness as compared to PTA state. In spite of the increase in its surface hardness, EBSM'ed Stellite 12 hardfacing showed lower wear resistance (in about 50 %) as compared with PTA version. According to the SEM examinations of the worn surfaces, the detoriorated wear resistance of EBSM'ed Stellite 12 hardfacing has been associated with the extensive refinement of the carbides which made their removal from the matrix much easier during the sliding contact. In the second phase, a post treatment of EBSM has been applied to PTA deposited Stellite 6 hardfacing and its 10 wt.% Mo-alloyed version. With reference to the PTA Stellite 6 hardfacing, the microstructural changes and RT sliding wear properties of PTA Mo-alloyed Stellite 6, EBSM'ed Stellite 6 and EBSM'ed Mo-alloyed Stellite 6 hardfacings were evaluated and compared. While Mo addition improved the hardness and wear resistance of PTA Stellite 6 hardfacing due to the formation of high fraction of carbides, its combination with the post treatment of EBSM in one approach further increased the hardness and wear resistance by encouraging hypereutectic solidification, forming a 3D network of carbides surrounding the refiened Co-matrix. However, application of EBSM on Stellite 6 hardfacing resulted in a considerable decrease in wear resistance as compared to the PTA Stellite 6 hardfacing, which can be attributed to easier removal of the finer carbides from the Co-matrix. In the final phase, a post treatment of LSM was employed on Stellite 6 and 10 wt.% Mo-alloyed Stellite 6 hardfacings deposited by PTA process. Microstructures and sliding wear performance at RT and high temperature (HT) of LSM'ed unalloyed and Mo-alloyed Stellite 6 hardfacings were evaluated and compared with those of commercial PTA Stellite 6 hardfacing. The LSM process refined the microstructures of both hardfacings, while favoring a network-like complex carbide dominated microstructure in the Mo-alloyed version. With reference to the PTA Stellite 6 hardfacing, LSM process led to an increment in surface hardness albeit a subsequent reduction of wear loss at RT, where abrasive wear mechanism was dominant. At 500 °C, oxidative wear contributed to the progress of wear by favoring CoO and Co3O4 type tribo-oxides on the contact surfaces of the PTA and LSM'ed hardfacings, respectively. However, Co3O4 type tribo-oxides exhibited poor mechanical stability, than CoO, which led to easier removal from the contact surface and aggravated the wear loss by abrasive wear mechanism. In this respect, LSM'ed hardfacings exhibited higher wear loss than PTA Stellite 6 hardfacing at 500 °C, while the opposite was witnessed in wear tests conducted at RT. In brief, the results of microstructural examinations showed that PTA deposited Stellite 6 and Stellite 12 hardfacings consisted of three phases; Co-matrix, Cr-rich and W-rich carbides. Upon 10 wt.% Mo addition into PTA deposited Stellite 6 hardfacing, a considerable increament in the volume fraction and size of complex carbides is resulted, leading to enhanced surface hardness and wear resistance. The application of post surface treatment led to a severe microstructural refinement favouring a three-phase microstructures for unalloyed Stellite versions, like PTA deposits, while two-phase microstructure (cellular Co-matrix and complex carbides in network morphology) for the Mo-alloyed version. Regarding the post EBSM treatment, its application solely on PTA deposited unalloyed Stelllite 12 and Stellite 6 hardfacings enhanced the surface hardness while aggravated the wear loss due to the easier removal of the refined carbides from the matrix. Contrarily, minimum wear loss was obtained from Mo-alloyed EBSM'ed Stellite 6 hardfacings where the network-like complex carbides assisted in hindering the plastic deformation of the Co-matrix. This indicates that the size, volume fraction and morphology of the carbides become particularly important when wear resistance is governed by the surface hardness. The LSM process showed contradictory results for Stellite 6 hardfacings in terms of RT and HT wear resistance. With reference to the PTA Stellite 6 hardfacing, LSM process led to an increment in surface hardness albeit a subsequent reduction of wear loss at RT, where abrasive wear mechanism was dominant. At HT (500 °C), oxidative wear contributed to the progress of wear by favoring tribo-oxides on the contact surfaces of the PTA and LSM'ed hardfacings. While the tribo-oxides formed on the contact surface of LSM'ed specimens were nonprotective and thier subsequent removal accelerated the wear loss of the thermally softened matrix by abrasive wear mechanism, those formed on the contact surfaces of PTA deposited hardfacing were found to be thicker and adherent; thus provided better protection againt wear.
Bakır alaşımları esaslı anti-bakteriyel yüzey kaplamalarının üretimi ve karakterizasyonu

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022) Kocaman, Sami Arda ; Keleş, Özgül ; 726820 ; Metalurji ve Malzeme Mühendisliği

Günümüz dünyasında artan nüfus ve etkileşim sebebi ile patojenlerin bulaşma riskine karşı mücadelede, antibakteriyel malzemelere daha çok ihtiyaç duyulmaktadır. Medeniyet tarihi boyunca insanlığın yakından aşina olduğu bir metal olan bakırın, antibakteriyel etkisinin bilinirliği de eskidir. Bakırın antibakteriyel özelliği bilinir olmasına rağmen, özgül ağırlığının yüksekliği nedeni ile üretilen parçaların ağır olmaları, sertliğinin düşük ve karakterinin sünek olması sebebi ile işlenme esnasında zorluklar yaşanması ve deforme olmaya yatkınlığı dolayısı ile yapısal bütünlüğünün korunmasında problem olması, bakırın, gündelik objeler içerisinde kullanımını yok denecek seviyede kısıtlamaktadır. Bu çalışmanın hipotezi, bakır alaşımlarının, farklı yüzeylere uygulanabilir bir kaplama yöntemi olarak seçilen ısıl püskürtme kullanılarak kaplandığında anti-bakteriyel özelliklerinin kütlesel forma göre korunduğu ve bu sayede uygulanabilirliğinin arttırıldığıdır. Diğer bir deyişle, modern dünyada uygulanabilirliği geçerli bakır alaşımlarının kaplama olarak tatbik edildiğinde karakteristik antibakteriyel özelliklerinin korunarak ve hatta kitlesel formda taşıdığı tüm dezavantajlardan sıyrılarak iyileştirdiği, çalışmanın çıkış noktasını oluşturmaktadır. Çalışmanın, literatürde gerçekleştirilmiş az sayıda mevcut olan benzer çalışmalara göre önemli farklarını oluşturan özgün yönleri ise, geniş alaşım ve bakteri yelpazesinde inceleme yapılmış olmasıdır. Önemle vurgulanması gereken bir diğer unsur da literatürde, bakteriyel testlerdeki indirgenme süreleri uzun zaman aralıklarında incelenir iken, mevcut çalışmada kısa zaman adımları alınarak indirgenme gözlenmiştir. Ayrıca, literatürdeki çalışmalarda, taze kolonilerin statik şartlarda indirgenmesini incelenmiş, bu çalışmada ise, her kontrol sayımı esnasında sürekli taze koloni ekimi ile dinamik şartları temsil eden, sürekli indirgenme etkisini gözlem altına almıştır. Bakır ve alaşımlarının (Cu-Al, Cu-Sn, Cu-Zn, NiCuZn) kaplanması, termal sprey yöntemi olan ark püskürtme ile sağlanmıştır. Kaplama parametrelerinin iyileştirilmesi için sonlu elemanlar analizi yöntemine dayalı benzetim yapılmış ve doğrulanması da püskürtme ölçüm sistemi ile sağlanmıştır. Parametrelerin kontrollü ele alınması sayesinde, gündelik hayattaki tüm yüzeyler istenilen alaşımlar ile, kaplama sürekliliğine ve altlık ile arasında mukavim bağa sahip olarak kaplanabilmiştir. Kaplamaların karakterizasyonunda yüzey pürüzlülüğü için optik profilometre, yapısal analizi için XRD, morfolojik analiz için SEM kullanılmıştır. Antibakteriyel etkinlik testleri için standart kültür bakterileri ile klinik izole bakteriler, 15 dakika, 1 saat ve 2 saat zaman adımlarında tekrarlı ekimler sonrasında koloni indirgenme sayıları ölçülmüştür. Yüzey pürüzlülüğünün etkisi saf bakır için incelenmiştir. Alaşımlara karşı bakteri dirençleri tek yüzey tipi için, paslanmaz çeliğe karşı kıyaslamalı olarak değerlendirilmiştir. Bakırın antibakteriyel etkinliği, E. Coli, S. Aureus, PsA başta olmak üzere VRE, MRSA süper bakterilerine karşı da yüksek verimlilik ile (>%99,9) elde edilmiştir. Yüksek yüzey pürüzlülüğüne paralel olarak özellikle tel püskürtme sürecinin doğası gereği yüksek soğuma gradyanları ve yüksek kinetik enerji ile yığma sayesinde, kaplamaların yüksek iç gerilmelere sahip olması, bakterilerin hücre duvarlarının delinmesinde etkili bakır iyonlarının deşarjını olumlu yönde arttırmaktadır. Söz konusu etki mekanizması sayesinde, kısa sürelerde dahi agresif indirgenme davranışı elde edilmiş ve etkinliğin sürekliliğe sahip olduğu da gözlenmiştir. Elde edilen kaplamalar, gerçek hayatta ihtiyaç duyulan ahşap, polimer, seramik yüzeylere başarı ile tatbik edilerek, diğer doktora çalışmalarından farklı şekilde teknolojik hazırlık seviyesi açısından incelendiğinde, THS7 seviyesinde ürün üretimi de gerçekleştirilmiştir.
Reaktif spark plazma yöntemi ile kalsiyum karbonat katkılı alüminyum oksinitrürün üretimi, karakterizasyonu ve özellikleri

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022) Kaya, Samet ; Şahin Çınar, Filiz ; 718242 ; Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

Seramik malzemelerin yüksek sertlik, elastik modül, kimyasal kararlılık ve aşınma direnci gibi özellikleri, bu malzemeleri, havacılık, uzay, savunma, maden gibi birçok sektörlerde özel kılmıştır. Alüminyum oksinitrür (AlON), yüksek mekanik ve optik özelliklerin bir arada bulunduğu ileri teknolojik seramik bir malzemedir. AlON seramiğini özel kılan, kübik spinel kristal yapıya sahip olmasının getirdiği transparan özelliğidir. Bu özellikleri sayesinde AlON seramiği, kızılötesi camlar, lazer camları, füze başlıkları, saydam zırhlar gibi birçok uygulamalarda kullanılmaktadır. Seramik malzemelerde atomlar, yüksek enerjili kovalent ve/veya iyonik bağlarla bağlı olduğundan, bu bağları kıracak olan enerji, çok yüksek sıcaklıklarda sağlanmaktadır. AlON seramiği, daha önce yapılmış çalışmalar incelendiğinde basınçsız sinterleme, sıcak presleme (HP), sıcak izostatik presleme (HIP), mikrodalga sinterleme ve spark plazma sinterleme (SPS) yöntemi ile üretilmektedir. Spark plazma sinterlemede, kesikli doğru akım ve tek eksenli yüksek basınç uygulandığından, geleneksel sinterleme yöntemlerine göre daha düşük sıcaklıklarda ve sürelerde sinterleme yapılabilmektedir. Bu durum SPS yöntemini, geleneksel sinterleme yöntemlerine göre avantajlı kılar. Ayrıca, SPS yöntemi ile üretilebilir malzemelerin yelpazesi geniştir, bu yöntemle metalik, seramik veya kompozit malzemeler, bunlara bağlı yalıtkan ve iletken malzemeler üretilebilir. Yalıtkan malzemelerde, grafit kalıp elektrik akımı ile ısınarak sinterleme için gereken sıcaklığı indirekt sağlarken, iletken malzemelerde, elektrik akımı grafit kalıplardan geçerek, toz tanelerinin aralarında sparklar oluşturur, böylelikle gerekli sıcaklık sağlanır ve sinterleme gerçekleşir. SPS yönteminde diğer sinterleme yöntemlerine göre daha düşük sinterleme sıcaklıkları ve sinterleme sürelerinde sinterleme yapılabilmesine rağmen, kullanılan kalıpların ve baskı elemanlarının karbon (C) esaslı malzemeler olması, AlON seramiğinin transparan özelliğini negatif olarak etkilemektedir. Sinterleme sıcaklıklarında, Ters Boudvard reaksiyonuna göre karbon (C), 695 °C'de karbonmonoksite (CO) dönüşerek, açık porlardan malzemeye girmektedir. Oda sıcaklığında yapıda hapsolan CO, C olarak malzemede kalmaktadır. Karbon kontaminasyonu nedeniyle de transparanlık azalmaktır.
Temperlenmiş martenzit gevrekliğinin AISI 4140 çeliğinin yorulma davranışı üzerindeki etkisi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022) Kaya, Gözde ; Baydoğan, Murat ; 745139 ; Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Anabilim Dalı

AISI 4140 çeliği orta karbonlu ve düşük alaşımlı bir çeliktir. AISI 4140 çeliği iyi mekanik özelliklere ve iyi sertleşebilirlik kabiliyetine sahip olması sebebiyle otomotiv ve uçak sanayisinde, dişliler, makine parçaları gibi pek çok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Temperleme ısıl işlemi su verilmiş çeliğin mekanik özelliklerini iyileştirmek ve şekillendirilebilirliği arttırmak amacı ile uygulanır. Çeliklere temperleme yapılarak çeliğin tokluğunun arttırılması hedeflenir ancak bazı temperleme sıcaklıklarında toklukta düşüş meydana gelmektedir. Çeliklerde gevrekleşme toklukta düşüş ile karakterize edilir. Tokluktaki bu düşüş temper gevrekliği olarak adlandırılır. Temper gevrekliği alaşımlı ya da sade karbonlu pek çok çelikte görülebilir. AISI 4140 çeliği de kimyasal bileşimindeki alaşım elementlerinin türü ve oranının etkisi ile gevrekleşmeye karşı hassastır. Literatürde temper gevrekliği düşük sıcaklık temper gevrekliği ve yüksek sıcaklık temper gevrekliği olarak ikiye ayrılır. Birinci tip temper gevrekliğinde, su verilmiş bir çeliğin 250 C - 400 C sıcaklık aralığında temperlenmesi sonucu çeliğin tokluğunda düşüş meydana gelir. Tokluktaki bu düşüş düşük sıcaklık temper gevrekliği ya da temperlenmiş martenzit gevrekliği olarak adlandırılır. İkinci tip temper gevrekliğinde ise, su verilmiş bir çeliğin 450 C - 650 C sıcaklık aralıklarında temperlenmesi ya da 650 C üzerinde sıcaklıklarda temperlemenin ardından 450 C - 650 C sıcaklık aralığında yavaş soğutulması sonucu çeliğin tokluğunda düşüş meydana gelir. Tokluktaki bu düşüş yüksek sıcaklık temper gevrekliği olarak adlandırılır. Bu tez çalışması kapsamında temperlenmiş martenzit gevrekliğinin AISI 4140 çeliklerinin yorulma davranışı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Aynı zamanda temper gevrekliğinin çeliğin mikroyapısına, sertliğine ve tokluğuna etkisi araştırılmıştır. AISI 4140 çeliğinden hazırlanan deney numunelerine 850 C'de östenitleme ve yağda su verme işlemlerinin ardından 200 C - 600 C sıcaklık aralığında temperleme ısıl işlemi uygulanmıştır. Numunelerin ısıl işlem sonrası mikroyapı incelemesi optik mikroskop ile gerçekleştirilmiştir.
Borür katı çözeltilerin spark plazma sinterleme (SPS) yöntemi ile üretimi ve karakterizasyonu

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-04-27) Akarsu Kaplan, Melis ; Karadayı Akın, İpek ; 506172412 ; Metalurji ve Malzeme Mühendisliği

Ultra yüksek sıcaklık seramikleri (UHTC) grubunda yer alan geçiş metali borürleri (HfB2, ZrB2, TiB2, NbB2, TaB2), ergime sıcaklığı 3000°C'nin üzerinde olan, yüksek sıcaklık koşullarında yapısal bütünlüklerini koruyabilen seramikler olarak tanımlanmaktadır. Yüksek sertlik, iyi aşınma performansı, ısıl ve elektriksel iletkenlik, iyi ısıl şok dayanımı gibi özellikler borürlerin atmosfere giriş ve hipersonik sistemlerde burun ucu, kanat kenarı parçalarında, çeşitli metal üretimlerinde katot malzemesi olarak, nozül ve zırh malzemesi uygulamalarında ve konsantre güneş enerjisi sistemlerinde absorbans olarak potansiyel malzeme haline getirmektedir. Bu çalışmada, spark plazma sinterleme (SPS) yöntemi kullanılarak, borür katı çözeltilerinin üretimi ile borürlerin monolitik formlarına, borür esaslı kompozitlere ve çift borürlü sistemlere oranla daha iyi densifikasyon ve daha üstün mekanik özellik gösteren yapılar elde edilmesi amaçlanmıştır. Seramik numunelerin üretiminde, tane boyutunda gerçekleşen büyümenin nihai ürünün mekanik özelliklerini olumsuz yönde etkilediği bilinmektedir. Katı çözelti sistemlerine GNP (grafen nanoplaka) ve h-BN (hekzagonal bor nitrür) katkısı ile hem tane büyümesinin önüne geçilmesi hem de mekanik özelliklerin iyileştirilmesi hedeflenmiştir. Bu tez çalışması kapsamında (Zr,Ti)B2, (Zr,Nb)B2, (Ti,Nb)B2, GNP katkılı (Zr,Ti)B2, (Zr,Nb)B2, (Ti,Nb)B2 ve h-BN katkılı (Zr,Nb)B2, (Ti,Nb)B2 katı çözelti sistemlerinin SPS yöntemi ile üretimi gerçekleştirilmiştir. Üretilen numunelerin yoğunluk değerleri ve densifikasyon davranışları belirlenmiştir. Faz analizleri gerçekleştirilen numunelerin kafes parametreleri belirlenerek, Vegard yasasına göre katı çözelti oluşumları incelenmiştir. GNP katkısının sinterleme öncesi ve sonrası yapısal durumunu kontrol edebilmek için Raman analizi gerçekleştirilmiştir. Numunelere ait ortalama tane boyutu, morfoloji ve kırılma modu mikroyapı karakterizasyonu ile tespit edilmiştir. Katkılı numunelerde, katkı ve ana matris arayüzeyini detaylı inceleyebilmek için geçirimli elektron mikroskobu (TEM) analizi yapılmıştır. Homojen yapıdaki sürekli katı çözelti oluşumunu belirleyebilmek için taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve TEM sistemlerinin enerji dağılım spektrometresi (EDS) haritalama yöntemi kullanılmıştır. Numunelerin mekanik özellikleri Vickers sertlik ve indentasyon kırılma tokluğu yöntemiyle, oksidasyon davranışları termogravimetrik analiz (TGA) yöntemiyle ve optik özellikleri 300-2000 nm dalga boyu aralığında UV-VIS-NIR sprektrofotometresi kullanılarak belirlenmiştir. SPS yöntemi ile üretilen (Zr,Ti)B2, (Zr,Nb)B2, (Ti,Nb)B2, GNP katkılı (Zr,Ti)B2, (Zr,Nb)B2, (Ti,Nb)B2 ve h-BN katkılı (Zr,Nb)B2, (Ti,Nb)B2 katı çözelti sistemlerinin hepsinde tek fazdan oluşan %100 katı çözelti oluşumu gerçekleşmiştir. Vegard yasasının gerekliliği olan kafes parametrelerinde lineer değişime sahip numunelerdeki katı çözelti oluşumu, SEM ve TEM analizi EDS haritalaması ile doğrulanmıştır. En iyi özellikleri sergileyen katı çözelti ana matrisleri ve katkılı numunelerin hepsinde hedef relatif yoğunluk değeri olan %97 ve üzeri değerler elde edilmiştir. (Zr,Ti)B2, (Zr,Nb)B2, (Ti,Nb)B2 sistemlerinin hepsinde GNP katkısı yapılan numune en yüksek relatif yoğunluk, sertlik ve kırılma tokluğu değerine sahip olmuştur. Böylelikle katı çözelti oluşumu ile borürlerin monolitik formlarından daha yüksek densifikasyona ve yüksek mekanik özelliklere sahip numuneler üretilmiştir. Katı çözelti sistemleri içinde (Ti,Nb)B2 en iyi oksidasyon performansı ve optik absorbans sergileyen sistem olmuştur. h-BN katkılı (Zr,Nb)B2 sistemi ise monolitik numunelere oranla daha yüksek oksidasyon direnci göstermiştir.
Thermal oxidation of titanium-based cold spray coatings for biological and wear-related applications

(Graduate School, 2022-06-01) Çetiner, Doğukan ; Çimenoğlu, Hüseyin ; Atar, Erdem ; 506142414 ; Metallurgical and Materials Engineering

The combination of strength, toughness and ductility makes metallic materials more preferable for engineering applications than ceramics and polymers. But the surface properties of metallic materials are insufficient for some of these applications. Thus, surface modification of metallic materials enables the keeping bulk properties with better surface facilities. In this thesis, the aim is the surface modification of metallic materials (Co-Cr alloy and 316L stainless steel) via cold gas dynamic spraying (CS) system. CS enables the spraying of feedstock powders to the substrate with supersonic velocities. The collusion of powders with the substrate leads to plastic deformation of powders and generates the coating formation over the substrate. Via the CS process, it is possible to deposit metallic, ceramic, polymer and composite coatings on different kinds of substrates. The application of the CS process on metallic materials generally purposes to improve the wear, corrosion and biological performance of these materials. In the scope of the thesis, the surface modification of Co-Cr alloy and S316L Stainless steel handled by Titanium-based CS coatings. With the native oxide film forming on the Titanium and its alloys, these metals show high corrosion resistance and biocompatibility. Nevertheless, the thickness of the native oxide film is approximately 10nm and bad at wear applications. Thus, there is a need for a second treatment to make the oxide film more mechanically and chemically more stable. Thermal oxidation (TO) is a very cheap and practical method for Titanium-based materials' surface modification. TO enables the formation of relatively thick and protective oxide layers on Titanium-based materials. In the scope of the thesis, the feasibility of TO on CS'ed Titanium-based coatings is examined. Microstructural and mechanical characterisation and biological tests carried on the coatings manufactured the sequential application of CS and TO processes. In the first section of the thesis, the feedstock was prepared by 92wt.% Titanium and 8wt.% Aluminium deposited on the ASTM F75 Co-Cr alloy via CS process. After that, TO applied these coatings at 600°C for 60h in the air atmosphere. The heating and cooling rate was kept very slow to minimise thermal stresses during the TO step. The results of microstructural examinations after the TO process proved that the outermost surface of the Titanium-based coating was covered by oxide film with a thickness of 3µm. The phase analysis showed that the oxide layer consists of the Rutile phase of TiO2 and a minor amount of Al2O3. The coating showed better wear performance than the Co-Cr alloy during the wear tests conducted under 4N in dry sliding conditions. Furthermore, the bioactivity test conducted in simulated body fluid for 28 days proved that the bioactivity of the coating is way better than the Co-Cr substrate. In the second study of the thesis, the same feedstock and substrate as the first study were used. As a difference from the first study, the microstructural changes in the inner section of the coating were evaluated, and mechanical characterisation was done in more detail. During microstructural examinations, it was proved that the enrichment of Titanium with Oxygen took place beneath the oxide layer during the TO process. Furthermore, the reaction between neighbouring Titanium and Aluminium particles led to Ti-Al intermetallic at the inner coating section. All these reactions occurred during the TO process, making the section beneath the oxide layer harder than the deposited structure. The adhesion tests conducted under compression and shear loads proved that the oxide layer is well-adherent to the coating. The hardness of the oxide layer was measured as 1200HV via with depth-sensing method. At reciprocating wear tests conducted under 1-2-3N in dry and serum conditions, the coating produced by sequential application of CS and TO yielded higher wear resistance than the untreated Co-Cr substrate. In the third section of the thesis, a work was initiated to examine the role of Zinc addition to the feedstock on the wear performance of the coating. For this purpose, CS feedstock was modified with different amounts of Zinc powders (2.5-5-10 wt.%). The microstructural examinations conducted on CS'ed coatings demonstrated that increment in zinc amount causes a decrement in the deposition efficiency during the CS process. The Zinc Oxide (ZnO) phase was detected along with TiO2 and Al2O3 during the phase analyses conducted after the TO process. The accumulation of zinc particles in the different parts of the coating is also observed during the microstructural examinations. These sections of the coating are called "Zinc-rich regions". The phase change during/after the TO process was simulated by FactSage software for Zinc-rich and Zinc-poor regions. The main phase for zinc-reach regions after the TO process was simulated as ZnO, while the Zinc-poor regions were simulated as TiO2, consistent with the XRD results. The wear tests conducted under 3N load in dry sliding conditions show that the coefficient of friction (COF) value can be decreased to 0.12 by adding 5wt.% Zinc to the feedstock. In the final section of the thesis, the feedstock is reinforced with Silver to improve the biological performance of the coating. Silver is a well-known antibacterial metallic agent for biological applications. The feedstock prepared with 5wt.% Silver reinforcement was successfully deposited on 316L stainless steel via the CS process. The phase analysis conducted after the TO process proved that Silver still standing on the metallic form. Microstructural examinations have been shown that the Silver was not distributed homogenously around the coating. For mechanical evaluation, wear tests were applied under 1N load in dry and serum conditions to both coating and 316L substrate. The coating produced via sequential application of the CS and TO process yielded superior performance in both dry and serum conditions compared to the 316L substrate. Bioactivity tests proved that the coating was more bioactive than 316L stainless steel. The antibacterial efficiency of the coating was verified by the disc diffusion type test against Staphylococcus aureus (S. aureus) bacteria, and the antibacterial characteristics of the coating were supported by the release test of Silver ions. In this scope, the coating fabricated with 5wt.% reinforced feedstock could be a choice not only for the in-vivo applications but also the in-vitro applications where the hygiene of touch surfaces is essential such as door handles, touch plates, bed rails, and call buttons the hospitals. In summary, with the combination of CS and TO processes, it is possible to modify surfaces of the metallic materials with Titanium-based coatings. The outermost surface of the coating is covered by an oxide layer mainly consisting of the Rutile form of TiO2. The hardness of the oxide layer is approximately 1300HV, and this layer is well-adherent to the coating. The tests conducted under different loads and in different conditions showed that the coatings yielded superior wear performance than the Co-Cr and 316L substrates. Furthermore, the bioactivity and antibacterial tests results indicate that these coatings can also be used in biological applications.
Effects of blend morphology and layered silicates' localization on the mechanical, thermal and viscoelastic properties of multiphase biopolymeric systems

(Graduate School, 2022-07-07) Kahraman, Yusuf ; Nofar, Mohammadreza ; 506142408 ; Metallurgical and Materials Engineering

In today's world, petroleum-based polymers are extensively consumed in various applications but their wastes have turned to be a serious environmental concern and their incineration has expedited the global warming. These concerns have motivated the scientists and industries to develop biodegradable polymeric products with satisfactory properties. Polylactide (PLA) is an aliphatic polyester, which is derived from renewable agricultural crops such as cornstarch, sugar cane, cassava etc. Bio-based and biodegradable PLA possesses promising mechanical properties such as high elastic modulus and tensile strength as well as high transparency with good barrier properties. Therefore, PLA could be an attractive alternative to be used in commodity and engineering applications such as plastic utensils, films and packaging, construction and even automotive where petroleum based polymers are widely used. Aside all these advantages, PLA also have some disadvantages like low-melt strength and slow crystallization, which could have an adverse effect on its processability, formability, and foamability. Moreover, its brittleness, low impact strength and low-service temperature could also confine its usage in various applications. In order to improve these drawbacks, it is possible to blend PLA with various biopolymers and synthetic non-compostable thermoplastics. So far, it was shown that blending PLA with thermoplastic polyurethane (TPU) that possesses high impact strength, biocompatibility and durability, is an effective way to improve the toughness and melt properties of PLA. However, PLA and TPU are not compatible polymers and hence the formed blends would be fully immiscble without having a strong interfacial interaction at the interface of PLA and TPU phases. On the other hand, during the melt mixing of a PLA-based blend with TPU as the minor phase, which forms droplet morphology within the PLA matrix, in the competition between the droplet breakup and coalescence of the TPU minor phase, due to their incompatibility the droplet coalesence would be dominent and hence a coarse droplet morphology with poor interfacial adhesion is expected. All these would supresss the final desired properties of the blend. Consequently, it is crucial to improve the phase compatibility and to stabilize the morphology of the minor phase with finer droplet structure. It is know that chain extenders (CE) that are reactive with both polymers could act as compatibilizers by decreasing the interfacial tension between two phases which also refine the droplets and stabilize the morphology of the secondary phase. Among chain extenders, Joncryl has known to be an effective case for polyesters although it has not been properly investigated for PLA/TPU blends. On the other hand, the incorporation of nanoparticles in PLA blends and their interfacial localization could stabilize and refine the droplet morphology while they could also enhance the final strength and stiffness of the blend. In a polymer blend nanocomposite with droplet morphology,nanoparticles could localize at polymer phases or at the interface, and as noted the latter case prevents the coalescence of minor phase. Among nanoparticles, due to their lamellar structures and high aspect ratio, organoclays are inexpensive additives with high barrier properties. However the use of organoclays with PLA increases the degradation of PLA during melt processing, which deteriorates PLAs rheological properties. Therefore, the incorporation of CE together with organoclays is a convenient way to compensate the rheological properties of PLA. The main objective of this study is to improve the compatibility of PLA/TPU blend systems through using Joncryl in order to properly enhance the ductility, toughness, and impact strength of the brittle PLA matrix. Therefore, firstly, the effect of Joncryl CE incorporation on the properties of different PLA/TPU (75 wt.%/25 wt.%) blend systems was investigated. The blends were designed with either ether- or ester-based TPU grades (i.e., TPUether and TPUester) and with amorphous or semicrystalline PLA as the matrix material (i.e., aPLA and scPLA). It was observed that TPUester had a better compatibility with PLA and hence the mechanical properties of the blends with TPUester were improved more remarkably. The rheological results also showed that the CE had a better reactivity with PLA than with TPU grades. Among the TPUs, the CE also showed a better reactivity with TPUester than with TPUether. Therefore, while the PLA and TPUester possessed better compatibility, the CE addition further enhanced the interfacial compatibility of their blends. This dramatically caused the enhancements of the final morphological, rheological, and mechanical properties of their blends. Afterwards the composition of compatibilized PLA/TPU blends with Joncryl CE was optimized to obtain structure with high impact resistance and ductility. In order to determine the effect of composition ratio of PLA/TPU blends on the final properties, aPLA/TPUester blends were prepared with different blending ratios of 95 wt%/05 wt%, 85 wt.%/15 w.t%, 75 wt.%/25 wt.% and 65 wt.%/35 wt.% with incorporating 0.5 wt.% of CE. Joncryl CE provided remarkable decrease in TPU droplet sizes in all cases but toughness and strain at break increased profoundly at 75 wt.%/25 wt.% and 65 wt.%/35 wt% blending ratios. The 75 wt.%/25 wt.% blend was then melt mixed with changing CE amounts of 0.25, 0.5, 0.75, and 1.0 wt.%. It was observed that incorporation of 0.5 wt% CE was optimum content to reach the highest toughness and strain at break values. Finally, scPLA/TPUester blends at weight ratio of 75 wt.%/25 wt.% compatibilized with fixed CE content of 0.5 wt.% were prepared with different loadings of Cloisite 30B (C30B) nanoclay (i.e., 1, 3, and 5 wt.%). PLA/TPU blends with C30B nanoclays were also prepared without compatibilizer for the sake of comparison. The effect of nanoclay content and the synergistic effect of nanoclay and CE on the resultant properties were then analyzed through morphological, rheological, thermomechanical, and mechanical analyses. In all cases it was observed that C30B localized at the interface between PLA and TPU phases as it was expected from thermodynamic calculations. Clay nanoparticles localized at the interface could act as a barrier in order to prevent droplet coalescence. Fine droplet morphology was achieved due to the interface localization of C30B.
Kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık sentezi (SHS) ile şekil hafızalı Ni-Ti-X (X= Cu, Nb, Fe vb.) alaşımların üretimi ve karakterizasyonu

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-08-04) Keskin, Berk ; Derin, Cevat Bora ; 506132402 ; Metalurji ve Malzeme Mühendisliği

Şekil hafızalı alaşımlar, deformasyona uğratıldığında, uygulanan sıcaklık ve gerilmelere bağlı olarak daha önceki şekil veya boyutuna geri dönebilme özelliği gösteren bir grup metalik malzemedir. Şekil hafıza özelliği ve süperelastik özellik, şekil hafızalı alaşımların en önemli iki termomekanik özelliğidir. Şekil hafızalı alaşımların temel karakteristiği, alaşıma giren elementlerin oranlarıyla belirlenebilen bir dönüşüm sıcaklığının üzerinde ve altında farklı iki şekil ve kristal yapısına sahip olabilmeleridir. Bu belirlenebilen sıcaklığın üzerindeki sıcaklıklarda östenitik yapı (ana faz), altındaki sıcaklıklarda ise martenzitik yapı oluşmaktadır. İlgili çalışmada şekil hafızalı alaşım özelliklerine sahip Ni-Ti-Cu, Ni-Ti-Nb ve Ni-Ti-Fe sistemlerinin çok hızlı, düşük maliyetli ve yüksek katma değere sahip bir üretim yöntemi olan kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık sentezi (Self-Propagating High-Temperature Synthesis - SHS) ile üretimi ve bu ürünlerin morfolojik ve termal özelliklerin incelenmesi amaçlanmıştır. Bu bağlamda öncelikle referans oluşturulacak şekilde Ni-Ti alaşımlarının üretimi ve üçüncü bir element (Cu, Nb ve Fe) ilavesinin (Cu için at. %25'a kadar, Fe ve Nb için at. %10 a kadar) SHS sentezine ve nihai ürüne olan etkilerinin sistematik şekilde araştırılması hedeflenmiştir. İlk defa SHS senteziyle üretilmesi ve bakırın nikel yerine yüksek miktarlarda kullanımının (at.% 25 e kadar) ürün üzerindeki etkilerinin araştırılmıştır. Çalışmada mikroanaliz, faz değişimi ve diğer kimyasal kompozisyon belirleme işlemleri XRD, DSC, SEM/EDS ve TEM cihazlarında gerçekleşmiştir.
DIN 32CrMoV12-10 çeliğinden üretilen namlu ömrü ve balistik performansının farklı yüzey işlemleri ile geliştirilmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-09-21) Çep, Hasan ; Çimenoğlu, Hüseyin ; Çelik, Ayhan ; 506932009 ; Metalurji ve Malzeme Mühendisliği

Bu tez çalışmasında, DIN 32CrMoV12-10 çeliğinden imal edilmiş 7.62 mm çapındaki namluların sertliklerinin, sürtünme-aşınma, korozyon ve balistik performanslarının iyileştirilmesi amacı ile farklı yüzey işlemlerinin etkileri araştırılmıştır. Bu amaçla, DIN 32CrMoV12-10 çeliğinden imal edilen namlulara; krom kaplama, borlama, nitrokarbürleme + oksidasyon ve nitrürleme + oksidasyon işlemleri uygulanmıştır. İşlemler sonrasında, numunelerin yapısal, morfolojik ve mekanik özellikleri XRD, SEM, sertlik ve profilometre ölçümleri ile belirlenmiştir. Namlu malzemesinin tribolojik özelliklerinin belirlenmesi amacı ile pin-on-flat aşınma testleri gerçekleştirilmiştir. Elektrokimyasal korozyon ölçümlerinde ise açık devre potansiyeli (OCP) okuması ve potansiyodinamik polarizasyon deneyleri yapılmıştır. Namluların balistik performasının belirlenmesi için gerçek koşullarda atış testleri gerçekleştirilmiştir. Krom kaplama sonrasında malzeme yüzeyinde krom tabakasının oluştuğu görülmüştür. Borlanmış numunelerde; malzeme yüzeyinde bor tabakası oluşumu ve yüzey altında ise difüzyon tabakasının oluştuğu gözlemlenmiştir. Oluşan tabakalar Fe2B ve FeB fazlarını içermektedir. Nitrokarbürleme + oksidasyon ve nitrürleme + oksidasyon işlemi uygulanmış numunelerde ise malzeme yüzeyinde en üstte oksit tabakası olacak şekilde bunun hemen altında beyaz tabaka ve malzemenin iç kısımlarına uzanan difüzyon bölgesinin oluştuğu görülmüştür. Yüzeyde oluşan oksit tabakası Fe2O3 ve Fe3O4 fazlarından oluşmakta iken beyaz tabaka ve difüzyon tabakaları ε-Fe2-3N ve γ'-Fe4N fazlarından oluşmaktadır. Oksit tabakaları, sert nitrür fazları ve difüzyon tabakaları ile artan plastik deformasyon direnci sebebiyle en yüksek aşınma direnci nitrokarbürleme + oksidasyon ve nitrürleme + oksidasyon işlemi uygulanmış numunelerden elde edilmiştir. Krom kaplama, borlama, nitrokarbürleme + oksidasyon ve nitrürleme + oksidasyon işlemleri malzemenin korozyon direncini artırmıştır. Nitrokarbürleme + oksidasyon ve nitrürleme + oksidasyon işlemleri sonucunda yüzeyde oluşan oksit tabakası korozyon için ekstra koruma sağlamıştır. Krom kaplamalarda yapılan testlerde NATO standartlarına göre 12.000 atış ömrü sağlanabilmiştir. Nitrürleme + oksidasyon elde edilen namlularda NATO standartlara göre 10.000 atış sonrası ilk hızlarda düşme ve dağılımda açılma olduğu görülmüştür. Ancak bu namlularda yapılan kaplamalarda atışlar sonrasında kırılma gerçekleşmemiştir. Nitrokarbürleme + oksidasyon ile elde edilen sonuçlara göre 15.000 atışa göre değerler NATO standartlarına göre farklılık göstermiştir.
Düşük karbonlu yüksek dayanımlı çeliklerin özelliklerinin üretim parametreleri ile ilişkisi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-12-13) Oktay, Serkan ; Şeşen, Mustafa Kelami ; 506112417 ; Metalurji ve Malzeme Mühendisliği

Bu tez çalışmasının amacı; düşük karbonlu ve yüksek dayanımlı mikro alaşımlı çeliklerde kimyasal bileşim, haddeleme pratikleri ve tavlama ısıl işleminin mikro yapı ve mekanik özelliklere etkisini incelemektir. Düşük karbonlu yüksek dayanımlı çelikler, günümüzde otomotivden savunma sanayisine kadar çok geniş bir alanda kullanılmaktadır. Bu çeliklerin en belirgin avantajları; geleneksel çeliklere göre daha hafif olmaları, bileşimindeki karbon miktarının geleneksel çeliklere göre daha az olması sebebiyle kaynak edilebilirliğinin daha yüksek olması, karbon çeliklerine göre daha sünek ve tok olmaları, mukavemet değerlerinin uygun alaşımlama ile çok yüksek değerlere çıkabilmesi olarak sıralanabilir. Düşük karbonlu yüksek dayanımlı çeliklerin kullanımda sağladığı performans avantajlarına ilaveten, son dönemde çok önem verilen bir diğer konu da bu çeliklerin karbon salınımının azaltmasına katkısıdır. Türkiye'de cevherden veya hurdadan üretim yapan Demir-Çelik fabrikalarının neredeyse tamamında geleneksel ticari kalite (S235, S355, SAE 1010 vb.) çelikler, üretim tonajının önemli bir kısmını oluşturmaktadır. Düşük karbonlu yüksek dayanımlı çeliklerin üretilebilmesi için, gereken AR-GE yatırımları, üretim prosesi hat yatırımları, üretim denemeleri, uygun pazar-müşteri ve rekabetçi fiyat gibi birçok parametre bulunmaktadır. Tüm bu gereksinimler, ilgili çelik kalitelerinin ülkemizde üretimi için birer engel olabilmektedir. Bu tez çalışmasıyla, düşük karbonlu- mikro alaşımlı çelikler endüstriyel ölçekte üretilmiş ve literatüre sunulmuştur. Tez çalışmasında; Başlangıç kimyasal bileşimi, başlangıca göre daha yüksek alaşımlı kimyasal bileşim, bor'lu kimyasal bileşim ve daha yüksek Ni'li kimyasal bileşim olmak üzere 4 farklı hedef kimyasal bileşimde çelik, farklı bobin sarım sıcaklığı ve kalınlıklarda üretilmiştir. Çeliğin üretiminde ark ocağı prosesi temelli üretim yöntemi kullanılmıştır. Bu kapsamda; hurda malzeme AC tip Elektrik Ark Ocağı ile eritilmiş, buradan elde edilen sıvı metal pota fırınına gönderilerek Al ile deokside edilmiş ve hedef kimyasal bileşimi ayarlanmış, vakum tankına gönderilerek vakum gaz giderme işlemi yapılmış, Ca ile inklüzyon modifikasyonu işlemi yapılmış ve slab sürekli döküm makinasına gönderilmiştir. Üretilen çelik slablar sıcak sac haddehanesinde farklı hedef haddeleme parametreleriyle farklı kalınlıklara haddelenerek duşlu masada soğutulmuş ve çelik bobin olarak sarılmıştır. Bu bobinlerden numune alınarak; çekme, darbe, eğme ve sertlik gibi mekanik testler, ısıl işlem ve mikro yapı incelemeleri yapılmıştır. Yapılan çalışmalar neticesinde; başlangıç kimyasal kompozisyonu ile üretilen düşük karbonlu ve yüksek dayanımlı mikro alaşımlı çelikte, bobin sarılma sıcaklığı görece arttıkça (450 ºC, 500 ºC, 550 ºC, 600 ºC); çekme mukavemeti, uzama oranı ve sertliğin arttığı belirlenmiştir. Üretilen bobinlere 600 ºC de 1 saat tavlama ısıl işlemi yapıldığında; malzemenin akma-çekme mukavemetlerinin, uzama ve sertliğinin arttığı, darbe enerjisinin düştüğü belirlenmiştir. 600 °C 'de tavlama ısıl işlemi sonrasında akma ve çekme mukavemetlerindeki artış ve darbe enerjisindeki düşüşün; (Nb,Ti)C çökelmesi, beynitik ferrit mikroyapıda aşırı doymuş karbonun epsilon karbon olarak çökelmesi ve yaşlanma mekanizmasının etkili olduğu değerlendirilmiştir. Başlangıç kimyasal bileşimine göre daha yüksek alaşımlı olarak üretilen çelikte, bobin kalınlığı 6 mm 'den 10 mm 'ye yükseldiğinde, akma ve çekme mukavemetinin düştüğü, darbe enerjisinin arttığı belirlenmiştir. Çelikte bobin sarım sıcaklığı 450 ºC 'den 600 ºC 'ye çıkarıldığında; akma mukavemeti bir miktar düşerken, çekme mukavemeti büyük oranda artmaktadır. Öyle ki, 6 mm kalınlıklı çelikte çekme mukavemetindeki artış 170 MPa seviyelerine ulaşmaktadır. 600 ºC 1 saat tavlama ısıl işlemi etkisiyle; düşük ve yüksek sarım sıcaklıklı bobinlerde akma mukavemeti artarken, çekme mukavemeti yalnızca düşük bobin sarım sıcaklıklı bobinde artmıştır. Yüksek bobin sarım sıcaklıklı ve 6 mm kalınlıklı çelikte tavlama ısıl işlemi ile çekme mukavemeti 80 MPa kadar düşmüştür. Darbe testi enerjilerindeki düşüş, düşük sarım sıcaklığı ile üretilen çelikte daha yüksektir. Yüksek sarım sıcaklıklı çelikte çekme mukavemetindeki artışın, darbe enerjisindeki düşüşün ve 600 ºC de 1 saat tavlama ısıl işlemi sonrası darbe enerjisinin bariz düşmemesinin nedeninin tamamlanmamış dönüşüm kaynaklı oluşan ferrit+marzenzit mikro yapısı ve çözeltide kalan Nb' çökeltileri kaynaklı olduğu, düşük sarım sıcaklığı ile üretilen çelikte görülen yüksek akma mukavemeti ve darbe enerjisi beynitik mikro yapı kaynaklı olduğu değerlendirilmiştir. Düşük sarım sıcaklığı ile üretilen çelikte 600 ºC de 1 saat tavlama ısıl işlemi sonrası beynitik mikro yapı bozulmuş ve darbe enerjisinin büyük oranda düşmüştür. Kimyasal bileşimine yaklaşık 20 ppm bor ilave edilerek üretilen çelikte, akma ve çekme mukavemetlerinin 200 MPa 'a kadar arttığı görülmüştür. En yüksek sertlik değerleri bu çelikte görülmüştür. Buna karşın, bor ilavesiyle, darbe enerjisi ve uzama oranları büyük oranda düşmüştür. Bor ilavesiyle, mikro yapı diğer borsuz çeliklere göre daha ince taneli, beynitik, iğnemsi, kaotik ve bantlı olmuştur. 600 ºC'de 1 saat tavlama ısıl işlemi etkisiyle akma mukavemeti büyük oranda artarken, çekme mukavemeti sınırlı oranda düşmüştür. Isıl işlem etkisiyle, sertlik ve darbe enerjisinde bariz artış- azalışlar olmamıştır. Çeliğin kimyasal bileşimine 30 ppm i geçmeyecek miktarda bor ilavesiyle akma ve çekme mukavemetlerinin büyük oranda artması literatür ile de uyumludur. Literatürde, kimyasal bileşimde bor miktarının fazla olmasının tokluğu düşürdüğü not edilmiştir. JMatPro ile çizilen CCT grafikerinde ferrit burnunun 10℃/s de sonlandığı görülmüştür. Bu değer, çeliğin duşlu masadaki soğuma hızının çok altındadır. Bu sayede ince taneli, iğnemsi ve kaotik bir mikro yapı elde edilebilmiştir. 300 HB üzeri sertlik elde edilmesi, mikro yapıda bir miktar martenzitik fazların da olduğuna işaret etmektedir. Isıl işlemle akma mukavemetlerinin artması, çekme mukavemetlerinin ise belirgin bir artış göstermemesinin martenzitin temperlenmesi ile ilgili olduğu değerlendirilmiştir. Kimyasal bileşiminde Ni oranı bir miktar arttırılarak üretilen çelikte, tokluk artışı sınırlı kalmıştır. İlaveten, akma mukavemeti de bir miktar düşmüştür. Üretilen yüksek Ni katkılı çelikte tokluk, literatürle uyumlu olarak, diğer daha düşük Ni katkılı çeliklere göre bir miktar daha yüksek çıkmıştır. Üretilen bobinin düşük sarım sıcaklıklı bölgesinden hazırlanan numunede beynitik mikro yapı ve daha ince karbür-nitrür partikülleri sayesinde darbe enerjisi yüksek sarım sıcaklıklı bölgeden hazırlanan ferritik ve daha iri karbür-nitrür partiküllü numuneye göre daha yüksek çıkmıştır. Bu durum, beynitik mikro yapının yüksek tane sınırı açısı sayesinde enerji absorblayabilme özelliğinin ferritik mikro yapıdan daha üstün olması bilgisiyle ile uyumludur.
CrCoNiFeMo katkılı B4C matrisli kompozitlerin SPS ile üretimi ve karakterizasyonu

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-03-15) Ocak, Burak Çağrı ; Göller, Gültekin ; 506162420 ; Metalurji ve Malzeme Mühendisliği

Bor karbür (B4C) sahip olduğu düşük yoğunluk, oldukça yüksek sertlik, yüksek ergime noktası yüksek aşınma direnci, üstün kimyasal dayanım gibi öne çıkan özelliklere sahip bir yapısal seramiktir. Elmas ve kübik bor nitrürün ardından bilinen en sert malzemedir. Sahip olduğu bu üstün özellikleri sayesinde askeri amaçlı araç ve kişisel zırh sistemleri, havacılık ve uzay uygulamaları, balistik ve nükleer uygulamalar gibi çok çeşitli kullanım alanlarına sahiptir. Bunun yanında, yapılarında bulunan bor ve karbon atomları arasındaki güçlü kovalent bağları, yüksek ergime sıcaklıkları yalnızca yüksek sıcaklık ve basınç gerektiren üretim yöntemleri ile şekillendirilmelerine yol açar. Aynı zamanda, düşük kırılma tokluğu özelliğinden dolayı, yüksek darbe dayanımı gerektiren balistik uygulamalar gibi alanlarda kullanımı sınırlıdır. Bor karbürün monolitik olarak yüksek yoğunluklarda sinterlenememesi ve düşük kırılma tokluğundan dolayı çeşitli alanlarda kullanımın kısıtlanması, kompozit yapı halinde üretimini ve kullanımını ihtiyaç haline getirmektedir. Yüksek entropi alaşımları, beş ve daha üzeri birincil elementin atomistik ölçüde bir araya gelmesiyle oluşan yeni nesil alaşımlar olarak tanımlanmaktadır. Üstün mekanik, elektriksel ve termal özelliklere sahiplerdir. Yüksek entropi alaşımlarının özelliklerinin ve mikroyapılarının benzersiz olmasını sağlayan yüksek entropi etkisi, latis distorsiyon etkisi, yavaş difüzyon etkisi ve karışım etkisi olmak üzere dört temel etkiye sahiptir. Bu çalışmada, spark plazma sinterleme (SPS) yöntemi kullanılarak kompozit yapılı B4C-FeNiCoCrMo seramiklerinin üretimi ile bu kompozit yapının monolitik B4C seramiklerine göre daha iyi yoğunlaşma, daha üstün mekanik özellikler ve iyileşmiş nükleer performans elde edilmesi, çalışmanın ana amacı olarak belirlenmiştir. Doktora tez çalışması kapsamında monolitik B4C ve B4C-FeNiCoCrMo seramiklerinin üretimi SPS yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Sinterlenen disk şeklindeki numunelerin yoğunluk değerleri ve yoğunlaşma davranışları incelenmiştir. Yüksek sıcaklıklarda gerçekleşen sinterleme işleminde gerçekleşebilecek reaksiyonlar sonrasında B4C stokiyometrisini ve oluşan yapıyı incelemek adına sırasıyla Raman ve faz analizi yapılmıştır. Üretilen numunelerin matriks ve katkı fazı arasındaki arayüzeyi, tane yapısını ve katkı dağılımını incelemek için taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile mikroyapı incelemesi, oluşan fazların elementel dağılımını görmek için enerji dağılım spektrometresi (EDS) incelemeleri gerçekleştirilmiştir. Mekanik incelemeler kapsamında Vickers mikrosertlik, 4 nokta eğme ve indentasyon yöntemi ile kırılma tokluğu değerleri belirlenmiştir. İkinci grup üretimler, birinci grup üretimlerde elde edilen optimum bileşimi sağlayan bileşim üzerinden farklı sinterleme süreleri ve SPS sıcaklıkları ile gerçekleştirilmiştir. Bu üretimlerde sinterlenen numunelerin yoğunluk ve mikroyapısı ilişkisi göz önünde bulundurularak formal sinterleme analizi gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçlarına göre matematiksel modelleme kullanılarak belirli SPS sıcaklıkları için aktif olan sinterleme mekanizmaları saptanmıştır. Üçüncü grup üretimlerle birlikte numunelerin gama ve nötron radyasyonu karşısındaki zırhlama özellikleri incelenmiştir. Numunelerin Cs-137 gama radyasyonu karşısında doğrusal zayıflatma katsayısı ve yarı değer kalınlıkları belirlenmiştir. Nötron radyasyonu karşısında ise total makroskopik kesit değeri ve yarı değer kalınlıkları hesaplanmıştır. SPS yöntemi ile üretilen B4C-FeNiCoCrMo seramikleri, monolitik B4C numunesine göre daha iyi yoğunluk değerleri, iyileşmiş yoğunlaşma davranışları, daha yüksek sertlik ve kırılma tokluğu değerleri, daha yüksek doğrusal zayıflatma katsayısı, daha düşük yarı değer kalınlığı ve gelişmiş total makroskopik kesit değeri göstermiştir. B4C-FeNiCoCrMo hedeflenen relatif yoğunluk değerine (%97) ulaşmıştır. En iyi yoğunluk ve mekanik özellikleri gösteren numune hacimce %2 FeNiCoCrMo içeren seramik numunesi olarak belirlenmiştir.
Fonksiyonel derecelendirilmiş Al2O3 CYZS termal bariyer kaplamaların cmas ve sıcak korozyon özelliklerinin belirlenmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-03-29) Kırbıyık, Fatih ; Göller, Gültekin ; 506162418 ; Metalurji ve Malzeme Mühendisliği

Bu çalışmada, fonksiyonel derecelendirilmiş sekiz katmandan (FD8) oluşan alümina/serya-itriya ile stabilize edilmiş zirkonya (Al2O3/CYSZ) ve referans olarak tek katmanlı CYSZ termal bariyer kaplamalar (TBK) üretilmiştir. Termal bariyer kaplama numuneleri, bağ katmanı için yüksek hızlı oksi-yakıt (HVOF) ve seramik üst katman için atmosferik plazma spreyleme (APS) cihazları ile ticari tozlar kullanılarak spreylenmiştir. Çalışmanın temel amacı, üretilen kaplamaların CMAS tozu ve sıcak korozyon tuzlarına karşı dirençlerini belirlemektir. Bu amaçla TBK'lara termal çevrim ve termal gradyan testleri olmak üzere iki farklı termal test uygulanmıştır. Testlerde gaz türbin motorları sıcak bölgesinde kullanılan TBK'ların çevresel hasar mekanizmasını oluşturan CMAS ve sıcak korozyon bileşenlerinin varlığındamotor çalışma şartlarını simüle etmek amaçlanmıştır. Bundan dolayı TBK seramik üst katmanı yüzeyine CMAS ve sıcak korozyon toz + tuz bileşenleri aynı anda yerleştirilerek üst yüzeyden lazer ışını ile 1200 °C'ye ısıtma ve altlık arka yüzeyinden de sırasıyla su ve hava soğutma sayesinde oluşturulan statik termal gradyan ve dinamik termal çevrim testleri uygulanmıştır. Ayrıca TBK yüzeyleri lazer ışını ile terkar ergitilerek lazer yüzey modifikasyonu yapılmış ve bu numunere de aynı testler uygulanarak lazer yüzey modifikasyonunun etkisi belirlenmiştir. Lazer yüzey modifikasyonu parametreleri CYSZ numunesi için lazer gücü, güç yoğunluğu, lazer mesafesi, spot çapı ve tarama hızları sırasıyla 360 W, 90 W/cm2, 5,5 cm, 2,2 mm ve 170 mm/s olarak belirlenmiştir.
B4C-TiB2 nanokompozit tozlarının kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık sentezi (SHS) ile üretimi, proses optimizasyonu ve spark plazma sinterleme (SPS) prosesine shs nanotozlarının etkisi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-04-10) Çoban, Ozan ; Açma, Mahmut Ercan ; 506152409 ; Metalurji ve Malzeme Mühendisliği

İleri teknoloji seramik malzemeleri; sahip oldukları üstün mekanik, fiziksel ve termal özellikleri sayesinde hem günümüz teknolojisinde hem de geleceğin kritik teknoloji alanlarında potansiyel uygulama alanlarına sahip malzemelerdir. Bu malzemeler arasında Bor Karbür (B4C) çok düşük yoğunluğu ile birlikte yüksek sertlik, aşınma dayanımı ve mukavemet gibi özellikleri ile dikkat çekerken düşük termal iletkelik ve termal şok dayanımı ile düşük sinterlenebilirliği kullanımda sınırlandırıcı özellikleridir. Titanyum Diborür (TiB2) ise benzer özelliklerinin yanı sıra yüksek kırılma tokluğu, yüksek termal iletkenlik, termal şok dayanımı ve düşük termal genleşme özellikleri ile özellikle yüksek sıcaklık uygulamaları için üstün bir malzeme olarak dikkat çekmektedir. Bu iki malzemenin özelliklerinin kombinasyonunun sağlanması için kompozit yapıda eldesi önem arz etmektedir. Bu motivasyonla gerçekleştirilen bu çalışmada oksitli hammaddeler kullanılarak bir yanma sentezi yöntemi olan kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık sentezi (SHS) yöntemi ile B2O3-TiO2-Mg-C sisteminden B4C-TiB2 kompozit tozlarının nano boyutta sentezi gerçekleştirilmiş ve daha sonra spark plazma sinterleme (SPS) yöntemi ile sinterleme prosesleri gerçekleştirilerek ticari tozlara SHS ile üretilmiş nanotozların ilavesinin etkileri araştırılmıştır. Nanokompozit B4C-TiB2 tozlarının SHS ile sentezlenmesi proseslerinde öncelikle termokimyasal simülasyon ile adyabatik sıcaklık ve öngörülen muhtemel fazlar üzerinden redüktan olarak kullanılan Mg ve karbür yapıcı olan C stokiyometrileri optimize edilmiştir. Teorik miktarın %110'u kadar Mg ve %160'ı kadar C, yani TiO2:B2O3:Mg:C=1:3:12:1,6 optimum molar stokiyometriler olarak belirlenmiştir. Her iki malzemenin de ayrı ayrı SHS ile üretimi de gerçekleştirilerek kompozit yapıda SHS prosesinin gerçekleştirilmesinin etkileri araştırılmış ve bu anlamda şarj stokiyometrileri optimize edilerek redüklenme potansiyeli düşük olan B2O3'ün TiO2 ile birlikte redüksiyonu sayesinde SHS verimlerinin artırılabildiği ortaya koyulmuştur. Sonuçlar göstermiştir ki en yüksek SHS verimi 1:1 molar oranda B2O3:TiO2 şarjında elde edilmektedir. Artan B2O3 şarj stokiyometrilerinde hem SHS verimi düşmekte hem de üründeki Mg-borat fazları miktarı arttığı için sonrasındaki kimyasal dispersiyon işlemleri güçleşmektedir. Redüktan olarak kullanılan Mg'un partikül boyutunun SHS verimine etkisi incelenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre 150 µm üzerinde partikül boyutuna sahip Mg kullanılması durumunda reaksiyon yüzey alanı düştüğü için verimler düşmekte, aynı zamanda Mg partikül boyutunun 75 µm'nin altına düşmesi sonucunda üründe MgO miktarı artarken B4C-TiB2 miktarı düşmüştür. Bu durum aşırı ince taneli redüktanın yanma dalgası etkisiyle saçılması ve redüksiyon sağlamadan ortamda bulunan oksijenle yanması ile ilişkilendirilmiş ve optimum Mg partikül boyutu 75-150 µm olarak tespit edilmiştir. SHS prosesleri sonrasında istenmeyen fazların giderilmesi için HCl liçi işlemleri gerçekleştirilmiş ve asit konsantrasyonu, liç sıcaklığı ve liç süresi parametreleri optimize edilmiştir. Bu değerler 1/5 katı/sıvı oranı için sırasıyla 10,5 M, 90 0C ve 60 dakika olarak belirlenmiştir. Ayrıca literatürde ilk kez olacak şekilde H2O2 ve karbonik asit ilaveli modifiye liç uygulamasının etkileri araştırılarak liç prosesi verimlerinin artırılması yoluyla argon yerine atmosferik koşullarda SHS prosesinin getirdiği dezavantajların giderilmesi sağlanarak daha ekonomik bir üretim gerçekleştirilebileceği ortaya koyulmuştur. Optimum koşullarla SHS ve sonrasında 2 kademeli modifiye HCl liçi sonucunda % 99,11 saflıkta; 30,65 m2/g yüzey alanı, 193,5 nm ortalama partikül boyutu ve 0,17 cm3/g poroziteye sahip B4C-TiB2 nanopartikülleri sentezlenebilmiştir. Optimum koşullarda SHS ve liç prosesleri gerçekleştirilerek elde edilen nanopartiküllerin sinterleme proseslerine etkisinin incelenmesi amacıyla öncelikle ticari B4C ve TiB2 tozları ayrı ayrı olacak şekilde SPS yöntemiyle yüksek sıcaklıklarda (2100 0C) sinterlenmiştir. Daha sonra gezegensel öğütme (ball mill) yöntemiyle ticari tozlardan elde edilen B4C-TiB2 kompozit tozları kullanılarak iki farklı sıcaklıkta (1550 0C ve 2100 0C) sinterleme işlemleri gerçekleştirilmiştir. Böylelikle kompozit yapıda sinterlemenin etkisi incelenmiştir. Daha sonra SHS ile üretilen nanopartiküllerin ağırlıkça % 20-80 aralığında değişen oranlarda katkısının sinterleme prosesleri ve ürün özelliklerine etkisi araştırılmıştır. Sinterleme proseslerinde büzülme (shrinkage) yüzdeleri ile ürünlerde bağıl yoğunluk, mikrosertlik, nanoindentasyon ile elastisite modülü belirlenmesi ve vickers indentasyon ile kırılma tokluğu (6 farklı model için) belirlenmesi ile ürünler karakterize edilmiştir ve SEM-EDS sonuçları ile ilişkilendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar ortaya koymuştur ki hem tozun ortalama tane boyutunu düşürmesi ve yüksek porozite sunması, hem de kompozit yapıda tozun sisteme ilavesi sayesinde SHS ile üretilen nanopartiküller özellikle % 60 değerinin üzerinde kırılma tokluğu değerinde önemli artış sağlamıştır. %80 SHS ürünü içeren B4C-TiB2 tozlarının 40 MPa basınç altında 1550 0C'de sinterlenmesi ile yüksek bağıl yoğunluk (%99,03), elastisite modülü (464 GPa) ve kırılma tokluğu (4,65 MPa.m1/2) özelliklerine sahip B4C-TiB2 seramik kompozitleri elde edilebilmiştir. Sonuç olarak B4C-TiB2 kompozitinin SPS prosesine yönelik olarak ortalama partikül boyutu ve SHS ürünü katkı oranları ile sinterlenme başlangıç sıcaklığı, bağıl yoğunluk, sertlik ve kırılma tokluğu arasındaki kantitatif ilişkiler ortaya koyulmuş ve XRD, BET ve SEM-EDS analizleri ile elde edilen karakterizasyon sonuçlarıyla kalitatif ilişki kurulmuştur. Bu tez çalışması kapsamında; ileri teknoloji uygulama alanlarına yönelik olarak olarak kullanılan ve geniş kullanım potansiyeline sahip olan Bor Karbür-Titanyum Diborür kompozit seramik malzemeleri için oksitli hammaddelerden başlanarak nihai ürüne düşük maliyetlerle giden proses adımlarının optimizasyonu sayesinde hem akademik literatür hem de endüstriyel üretim alanlarına yönelik olarak veriler sunulmuştur.
CO2 yakalayıcı sorbent olarak Li4SiO4 tozlarının yanma sentezi ile üretimi ve SPS ile sinterlenmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-04-27) Benzeşik, Kağan ; Yücel, Onuralp ; 506162408 ; Metalurji ve Malzeme Mühendisliği

Li4SiO4 hem CCS teknolojileri hem de füzyon reaktörleri için kritik bir malzemedir. Geleneksel ve ticari olarak Li4SiO4 katı-hal sentezi yoluyla sentezlenmektedir. Bu teknik, reaktif malzemeleri (Li2CO3 ve SiO2) sentez için yeterli sıcaklığa ısıtmak ve burada yeteri kadar beklemek için yüksek bir enerji tüketim değeri gerektirmektedir. Bu da sentezlenen tozların büyük partikül boyutu ve kristalit boyutu değerlerine sahip olmasına neden olur. CO2 yakalayıcı sorbent olarak Li4SiO4 tozlarının partikül boyutu, spesifik yüzey alanı ve kristalit boyutu gibi fiziksel özellikleri CO2 yakalama performanlarını doğrudan etkilemektedir. Benzer şekilde kompakt halde ve bilya geometrisine sahip bir şekilde gelecekteki füzyon reaktörlerinde, trityum üretici battaniye olarak kullanılacak olan Li4SiO4'ün densifikasyon davranışları da bu fiziksel özelliklere bağlı olarak değişkenlik göstermektedir. Yanma sentezi yöntemleri, ekzotermik reaksiyonlardan açığa çıkan enerjiyi kullanarak düşük enerji tüketimi ile mikron altı tozların üretilmesini sağlar. Geleneksel üretim yöntemlerine bir alternatif olarak, CO2 yakalayıcı yüksek sıcaklık katı sorbent malzemelerinin üretiminde yanma sentezi yöntemleri de kullanılmaktadır. Yanma sentezi hızlı, enerji verimliliği yüksek ve basit bir yöntem olarak üstün özelliklere sahip sonuç ürünü vermesi gibi birçok avantaj sağlamaktadır. Spark plazma sinterleme yöntemi, düşük sinterleme sıcaklığı ve kısa sinterleme süresi gibi sunduğu avantajlar sayesinde sonuç üründe tane irileşmesi olmadan densifikasyon sağlayan yenilikçi bir sinterleme yöntemidir. Elde edilen ürünler üstün mekanik özelliklere sahiptir. Sunduğu bu eşsiz proses koşulları ile, spark plazma sinterleme, ileri teknoloji seramiklerin sinterlenmesinde sıklıkla tercih edilen bir yöntem haline gelmiştir. Bu tez çalışması kapsamında yürütülen deneysel çalışmalar üç kademeden oluşmaktadır. Birinci kademe Li4SiO4 tozlarının yanma sentezi yöntemleri ile üretimini, ikinci kademe yanma sentezi yöntemleri ile üretilmiş olan Li4SiO4 tozlarının CO2 yakalama performanslarının değerlendirilmesini ve üçüncü kademe katı hal yanma sentezi yöntemi ile üretilmiş olan Li4SiO4 tozlarının spark plazma sinterleme ile kompaktlaştırılmasını içermektedir. Deneysel çalışmaların birinci kademesi, katı hal yanma sentezi ve çözelti yanma sentezi deneyleri olmak üzere iki ana gruba ayrılmıştır. Katı hal yanma sentezi deneyleri ise üç alt gruba ayrılmıştır. Birinci grup katı hal yanma sentezi deneylerinde lityum kaynağı olarak toz halde Li2CO3, silisyum kaynağı olarak metalik Si tozu kullanılmıştır. İkinci grup katı hal yanma sentezi deneylerinde ise lityum kaynağı değişmezken, silisyum kaynağı olarak değişen mol miktarları ile metalik Si tozu ve toz halde SiO2 birlikte kullanılmıştır. Üçüncü grup katı hal yanma sentezi deneylerinde ise lityum kaynağı olarak LiOH.H2O ve silisyum kaynağı olarak yine değişen mol miktarları ile metalik Si tozu ve toz halde SiO2 birlikte kullanılmıştır. Deneysel çalışmalar öncesinde Li4SiO4'ün yanma sentezi ile üretim koşulları FactSage 8.2 yazılımı ile modellenmiştir. Modelleme sonuçlarına göre birinci grup katı hal yanma sentezi başlangıç karışımı 700 °C'ye ısıtıldığında reaksiyon sırasında açığa çıkan enerji miktarında büyük artış gözlemlenmiştir. Bu sıcaklık yanmanın gerçekleştiği ve Li4SiO4 dönüşümünün gerçekleştiği sıcaklık olarak belirlenmiştir. Birinci grup katı hal yanma sentezi reaksiyonlarında kendiliğinden ilerleyebilir karakterde Li4SiO4 dönüşümü için gerekli olan ekzotermik enerjinin ilk olarak silisyumun oksijen ile yanmasından sağlandığı tespit edilmiştir. Li2O süblimleşmesinin, katı hal sentezi ve yanma sentezi gibi yüksek sıcaklıklarda yürütülen üretim proseslerinde göz ardı edilmemesi gereken bir parametre olduğu bilinmektedir. Bu yüzden Li2O süblimleşmesi de modellenmiştir. Simülasyon sonuçları incelendiğinde Li2O süblimleşmesinin her sıcaklıkta gerçekleşebileceği fakat artan sıcaklık ile birlikte süblimleşme oranının da arttığı görülmüştür. Birinci grup katı hal yanma sentezi deneyleri öncesinde 500 ile 750 °C arasında değişen sıcaklıklarda 60 dk. süre ile ön denemeler yapılmıştır. Katı hal yanma reaksiyonunun 700 °C'de büyük ölçüde tamamlandığı tespit edilmiştir. Önce sentez sıcaklığının optimizasyonu için 800, 850 ve 900 °C'de katı hal yanma sentezi deneyleri tamamlanmıştır. Sıcaklık optimizasyonu ardından sentez süresinin optimizasyonu için 700 ile 900 °C arasında 45 ve 75 dk. süre ile deneyler yapılmıştır. Ürünlerin Li4SiO4 içerik miktarı (%) artan sentez sıcaklığı ile artmıştır. Aynı ürünlere ait olan kristalit boyutu ve ortalama partikül boyutu değerleri artan sentez sıcaklığı ile artmıştır. Spesifik yüzey alanı değerleri ise sentez sıcaklığı ile ters orantılı sonuçlar vermiştir. Toz Li4SiO4 için fiziksel özellikler, sentez sıcaklığı ve süresi göz önünde bulundurulduğunda optimum sentez şartları 850 °C ve 60 dk. olarak belirlenmiştir. Bu ürünün Li4SiO4 içeriği %98,6, nm kristalit boyutu 318,57, spesifik yüzey alanı2,091 m2/g ve ortalama partikül boyutu 14,33 µ olarak ölçülmüştür. İkinci grup katı hal yanma sentezi deneyleri 700, 800 ve 900 °C'de 60 dk. süre ile gerçekleştirilmiştir. Deneylerde, 0,8-1,2 arası değişkenlik gösteren SiO2 mol miktarları kullanılmıştır. En yüksek Li4SiO4 içeriği %99,7 ile 900 °C'de 1 mol SiO2 kullanılan deney sonucu elde edilen üründe gözlemlenmiştir. Bu ürünün 335,35 nm kristalit boyutuna, 0,522 m2/g spesifik yüzey alanına ve 18,14 µ ortalama partikül boyutu değerlerine sahip olduğu ölçülmüştür. Lityum kaynağı olarak LiOH'nin kullanıldığı üçüncü grup katı hal yanma sentezi deneyleri 60 dk. süre, değişkenlik gösteren SiO2 mol miktarı koşulları ile 800 ve 900 °C'de gerçekleştirilmiştir. Bu gruba ait olan ürünlerin Li4SiO4 içeriği düşük olduğundan spesifik yüzey alanı ve ortalama partikül boyutu gibi fiziksel özelliklerinin ölçümü yapılmamıştır. Çözelti yanma sentezi çalışmalarına yakıt olarak glisinin kullanıldığı ön denemeler ile başlanmıştır. Reaksiyonlar çok patlayıcı bir şekilde gerçekleştiği için yakıt sitrik asit ile değiştirilmiştir. Başlangıç malzemeleri LiNO3, TEOS ve sitrik asit olan ve ısıtıcılı manyetik karıştırıcı üzerinde gerçekleştirilen çözelti yanma sentezi deneyleri sonucu Li2CO3 ve Li2SiO3 içeren ara ürünler elde edilmiştir. Li4SiO4 dönüşümünü tamamlayabilmek için bu ara ürünler 650 °C'de sırasıyla 4, 5 ve 6 saat süre ile kalsinasyon işlemine tabi tutulmuştur. En yüksek Li4SiO4 içeriği %96,8'lik değer ile 6 saat kalsine edilmiş olan üründe gözlemlenmiştir. En yüksek spesifik yüzey alanı değeri, 4 saat kalsine edilen üründe 5,2 m2/g olarak ölçülmüştür. CO2 yakalama testlerinden önce, Li4SiO4'ün, hacmen %92 CO2, %8 N2 ve %20 CO2, %80 N2 gaz atmosferlerinde CO2 yakalama koşulları modellenmiştir. %92 CO2 koşulunda, teorik olarak 600 °C'ye kadar CO2 yakalayan Li4SiO4, bu sıcaklıktan sonra rejenere olmuştur. CO2 kısmi basıncı %20'ye azaltıldığında Li4SiO4'ün teorik olarak 500 °C'ye kadar CO2 yakalayabildiği, bu sıcaklıktan sonra rejenerasyona uğradığı görülmüştür. Ortamdaki CO2 kısmi basıncı düştükçe Li4SiO4'ün yakalayacağı CO2 miktarının azalacağı tespit edilmiştir. Yanma sentezi ile üretilen Li4SiO4 tozlarının CO2 yakalama performansı termogravimetrik analiz cihazında yapılan deneyler ile değerlendirilmiştir. Tüm ürünler hac.%92 CO2 (kalan N2) içeren gaz karışımı ile sorpsiyon işlemine tabi tutulmuştur. Katı hal yanma sentezi ürünleri %4,79 – 12,80 arasında değişen CO2 yakalama performansı sergilemiştir. Çözelti yanma sentezi ürünleri ise %13,89 – 29,50 arasında değişen CO2 yakalama değerlerine ulaşmıştır. En iyi performansı gösteren iki ürün, fosil yakıt kullanan bir enerji santralinin baca gazı koşullarını temsil eden hac.%20 CO2 (kalan N2) içeren gaz karışımı ile sorpsiyon işlemine tabi tutulmuştur. Bu ürünler sırasıyla %21,4 ve %15,8'lik yakalama performansı sergilemiştir. Çözelti yanma sentezi sonrası 650 °C'de 4 saat boyunca kalsine edilen ürün en üstün CO2 yakalama performansına sahip olmuştur ve 15 çevrimlik CO2 yakalama testi sırasında %21-24 arasında değişen CO2 yakalama performansı sergilemiştir. 850 °C ve 60 dk. katı hal yanma sentezi şartları ile elde edilmiş olan Li4SiO4 tozları 700 – 950 °C arasında değişen SPS sıcaklıkları ile kompakt hale getirilmiştir. En yüksek yoğunluk ve sertlik değerlerinin sırasıyla 2,363 g/cm3 ve 166,68 HV olarak 850 °C SPS sıcaklığında sinterlenen ürüne ait olduğu belirlenmiştir. SPS sıcaklığı 850 °C'ye kadar arttırıldığında, yoğunluk ve sertlik değerlerinin arttığı, SPS sıcaklığının 900 ve 950 °C'ye ulaştığı durumlarda ise yoğunluk ve sertlik değerlerinin azaldığı tespit edilmiştir. Faz analizi sonuçları, kompakt ürünlerin, 800 °C ve daha düşük sıcaklıklarda sinterlendiği koşullarda Li2CO3 ve Li2SiO3 fazlarını içermediğini, 850 °C'de %30,2 Li2SiO3, 900 °C'de %15,1 Li2SiO3 ve 950 °C'de %11,8 Li2SiO3 ihtiva ettiğini ortaya koymuştur. SPS ürünlerindeki yoğunluk ve sertlik değişiminin yapıda oluşan Li2SiO3 ve Li2CO3 fazlarından kaynaklandığı belirlenmiştir.

Gözat

Çıkarma tarihi ile LEE- Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Lisansüstü Programı'a göz atma

Sayfa başına sonuç

Sıralama Seçenekleri