LEE- Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Lisansüstü Programı

Bu topluluk için Kalıcı Uri

http://hdl.handle.net/11527/19374

Gözat

Doğal taşlara yüzey koruyucu olarak sol-jel yöntemiyle nano katkılı kaplama geliştirilmesi

( 2020) Tekin Eroğul, Gözde ; Yücel, Onuralp ; 643023 ; Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

Doğal taşlar, tuz kristalizasyonu, atmosferik etkileşim, taş gözeneklerinde suyun donması, taşın sürekli ıslanıp kuruması, rüzgâra bağlı etkiler, taş üzerinde mikroorganizmaların büyümesi, rüzgâra bağlı aşınma ve insan etkisi gibi faktörler yüzünden zaman içinde bozulmaya uğrarlar. Su doğal taşların bozulmasına yol açan en önemli sebeplerden biridir; çünkü su, tuzların taş içerisinde kristalleşmesine yol açarak taşların pul pul dökülmesine neden olur, atmosferik kirliliklerle reaksiyona girip asidik bileşikler oluşturarak taşların yüzeyini bozar, soğuk iklimlerde donarak taşların çatlamasına sebebiyet verir ve mikro organizmaların taş üzerinde büyümesine neden olur. Bu sebepten doğal taşların suyun aşındırıcı etkisine karşı korunması gerekmektedir. Doğal taşlara koruyucu kaplamalar uygulamak taşlara su girişini engellemenin en etkin yöntemlerinden biridir. Bunun için doğal taşlara koruyucu kaplama olarak hidrofobik ve süperhidrofobik kaplamaların her ikisi de uygulanabilmektedir. Hidrofobik kaplamalarda, temas açısı 90°'den büyük olduğundan damlalar küreler şeklinde yüzeyde kalır ve hidrofilik kaplamalardaki gibi emilmezler. Süper hidrofobik kaplamalarda ise temas açısı 140°nin üzerinde olup damlalar hava paketlerinin üzerinde kalırlar. Bu tip kaplamalar doğal taşlara su girişini önleyerek taşlarda suya bağlı bozunmaların olmasını engellerler. Süperhidrofobik ve hidrofobik kaplama üretmenin en basit ve düşük maliyetli yöntemlerinden biri sol-jel yöntemidir. Sol-jel yöntemi, moleküler başlangıç madde-lerinin hidroliz ve yoğunlaşmasına dayanan bir düşük sıcaklık prosesidir. Bu proses ile inorganik, inorganik-organik hibrit kaplamalar, yüksek saflıkta tozlar, fiberler, aerojeller, seramik ve camlar gibi çeşitli malzemeler üretilebilmektedir. Sol-jel yöntemiyle sentezlenen inorganik-organik hibrit kaplamalar doğal taşların yüzeylerinin korunmasında sıklıkla kullanılmaktadır. Burada, inorganik bileşen kaplamaya kimyasal direnç ve ısıl kararlılık sağlarken polimerik organik bileşen de kaplamaya hidrofobiklik sağlamaktadır. Nano tozlar da kaplama yüzeylerinde yarattıkları mikro-nano pürüzlülük nedeniyle kaplamaların hidrofobikliğini arttırlar. Bu tez çalışmasında, mermer yüzeyler için nano silika ve nano alümina katkılı inorganik-organik hibrit kaplamalar geliştirilmiştir. Organik bileşen olarak polidimetilsiloksan (PDMS), inorganik bileşen olarak da tetrametoksisilan (TMOS) kullanılmıştır. İlk yapılan çalışmalarda, PDMS oranı %10'da sabit tutularak nano silika katkı miktarları değiştirilmiş ve farklı nano silika miktarının temas açısına etkisi incelenmiştir. İkinci setteki çalışmalarda, yine PDMS oranı %10'da sabit tutulmuş ancak bu sefer nano silika tozu yerine nano alümina tozu kullanılarak farklı nano alümina miktarlarının ve farklı toz kullanımının temas açısına etkisi incelenmiştir. Üçüncü setteki çalışmalarda ise, nano silika oranı %1'de sabit tutularak farklı PDMS oranının temas açısına etkisi incelenmiştir. Daha sonra geliştirilen kaplamalar nem direnci ve UV yaşlandırma testlerine tabi tutularak optimum koşulları sağlayan kaplamalar belirlenmiştir. Yapılan deneyler sonucunda, optimum temas açısı değeri nem direnci testi öncesinde %1 nano silika %10 PDMS katkılı kaplama ile 145° olarak ölçülmüşken, nem testi sonrasında ise %3 nano silika %10 PDMS katkılı kaplamalı numunelerde 140° olarak ölçülmüştür. Nano silika katkılı formülasyonların çoğu test sonrasında da hidrofobik özelliklerini korurken nano alümina katkılı formülasyonlar nem direnci testi sonrasında bu özelliklerini kaybetmiştir. UV yaşlandırma testi öncesinde ve sonrasında numunelerin hiçbirinde gözle görülebilecek renk değişimi olmadığı gözlenmiştir.
Synthesis and characterization of various tungsten carbide powders from tungsten hexachloride powders via mechanochemical reaction and autoclave/pressure vessel methods

( 2020) Özkan Aytekin, Nihan ; Öveçoğlu, Mustafa Lütfi ; 632586 ; Malzeme Bilimi ve Mühendisliği

Transition metal carbides have been studied for approximately last half century due to their extraordinary characteristics that make them convenient to be utilized for industrial applications such as tool and structural materials under special conditions. Tungsten carbide has a special location amongst transition metal carbides because of its superior properties such as high hardness, high density, high melting temperature, high fracture toughness, good electrical and thermal conductivity and high elastic modulus etc. These attractive properties make it preferred to be used for tips for cutting and drilling tools, WC-Co hard metals, wear-resistant surfaces for machines, scratch-resistant jewelry materials, erosion-resistant coatings for aerospace elements, extrusion and pressing molds, wear resistant parts in wire drawing, platinum-like catalytic materials for polymer electrode membrane fuel cells and thin film diffusion barriers in microelectronics. In W-C binary system, two phases such as W2C and WC exist. These two phases possess various polymorphic modifications that are stable in different temperature and composition ranges. Many production techniques have been used in the sythesis of tungsten carbides. The production of WC was firstly achieved in a conventional way by high temperature. A solid state direct reaction occured between W and C powders at a temperature range of 1200°C-2000°C under controlled atmosphere to synthesize WC. Also there are different high temperature methods such as carbothermal reduction, chemical vapour condensation, self propagating high-temperature synthesis, molten salt synthesis, calcining and thermal processing at high temperatures. In addition to these techniques there are relatively low temperature methods such as low temperature autloclave processing, combined process of calcination, nitridization and and carburization at low temperatures, electrochemical sytnhesis from halide-oxide melts under pressure, mechanically alloying and mechanochemical synthesis. Especially mechanically alloying and mechanochemical synthesis are advantegous methods due to having simple and low-cost equipment and performing reactions at room temperatures in relatively short reaction times. The main aim of this dissertation is to produce WC powders with an effective technique that overcomes the limitations of traditional production methods and provides advantages of time, energy saving, simplicity and low equipment cost. In order to achieve this aim, elemental W and C powders were first milled in a spex at different durations by mechanical alloying method to obtain tungsten carbide powders. The aim of the first stage is to obtain the tungsten carbide powders with the starting powders traditionally used, and to compare the results with the results of the study in which tungsten carbide was synthesized with the alternative starting powders. In the second stage, mechanical chemical reaction was used to synthesize high purity and sub-micron sized WC powders using WCl6 (as W source), Na2CO3 (as C source) and Mg (as a reducing agent) powders. In a very short time the chemical reaction started and the WC phase occurred. In a very short time chemical reaction started to form and WC phase occured. Amounts of C source (Na2CO3) and reducing agent (Mg) were varied to optimize raw materials reacted and to obtain high-purity WC powders. After purification of the obtained powders, nano-sized tungsten carbide powders, which are the only WC phase, were achieved in high purity without any intermediate phase and impurity. The other purpose of this dissertation is to use an alternative production technique in order to produce WC powders, and compare the products, especially those produced by mechanical alloying / mechanochemical synthesis and autoclave methods. Therefore in the third stage low temperature autoclave processing was employed for the fabrication of WC powders from the same raw materials. The autloclave processing was used with mechanical activation to reduce the reaction temperature by activating the reactive particles and to homogenize the distribution of the microstructure. In this method powder blends were placed in a hydrothermal reactor and the hydrotermal reactor was heated in a furnace. This autoclave processing was implemented by varying the temperature and the duration of synthesis, the type of excess carbon source, the amounts of carbon sources and reducing agent. High purity and nano-sized tungsten carbides were obtained by optimizing the production conditions. Furthermore, autoclave synthesis is accepted as an eco-friendly method due to carrying out in a closed / isolated system and saving energy. The final powders of two different methods were characterized and compared each other using X-ray diffractometer (XRD), particle size analyzer (PSA), pycnometer, stereo microscope (SM), scanning electron microscope/energy dsipersive spectometer (SEM/EDS), transmission electron microscope (TEM) and differential scanning calorimetry/thermogravimetric analysis(DSC/TGA). WC powders were produced from WCl6-Na2CO3-Mg powder blends via mechanochemical synhtesis for the fist time.in the literature. In this way the results of mechanochemical snthesis from new raw materials for WC powder production contibuted the literature. Also, this thesis provides a comparison of mechanochemical method which is a simple, energy saving and room temperature method and autoclave method which is a more traditional method for producing tungsten carbide.
Yüksek mukavemetli düşük alaşımlı petrol boru çeliklerinin üretimi ve sıcak haddeleme proses optimizasyonu

( 2020) Tütük, Ramazan ; Kayalı, Eyüb Sabri ; 629124 ; Malzeme Bilimi ve Mühendisliği

Günümüzün hızla sanayileşen dünyasında artan enerji taleplerine bağlı olarak yeni enerji kaynaklarının bulunması kadar mevcut kaynakların ekonomik bir şekilde taşınması da çok önemli bir konu haline gelmiştir. Petrol ve doğalgaz gibi akışkan enerji kaynaklarının boru hatları yardımıyla yüksek miktarlarda, bir bölgeden diğer bir bölgeye, hatta bir kıtadan diğer bir kıtaya iletilmesi, deniz ve karayolu ile yapılacak taşımaya göre çok daha ekonomik ve hızlı bir şekilde yapılabilmektedir. Artan debiler yüksek basınçlarla birlikte daha kalın ve daha yüksek mukavemetteki çeliklere olan talebi artırmıştır. Kurulan boru hatlarında kullanılan düşük alaşımlı, yüksek mukavemetli, sorunsuz ve hızlı kaynaklanabilirlik özelliklerine sahip çeliklere olan bu talep, demir-çelik sektörüne de ürün geliştirme konusunda bir itici güç oluşturmuştur. Yüksek mukavemet ve tokluk gereksinimlerinin düşük maliyetlerle karşılanmasına yönelik olarak geliştirilen yüksek mukavemetli düşük alaşımlı (HSLA-High Strength Low Alloy) çelikler, sıcaklık ve deformasyon kontrolü yöntemi ile termomekanik olarak haddelenmekte ve bu sayede üründeki tokluk ve kaynaklanabilirlik özellikleri bozulmadan düşük alaşımlamalar ile yüksek mukavemet ve tokluk değerlerine erişilebilmektedir. Termomekanik haddeleme, çeliklerde ostenit fazının yeniden kristalleşme sıcaklığının üzerinde veya kısmen üzerinde yapılan kaba haddeleme (rough rolling) ve bu fazın yeniden kristalleşme sıcaklığının altında veya kısmen altında yapılan nihai haddeleme (finish rolling) olmak üzere iki ezme kademesinden ve duşlu masalarda belirli bir sıcaklığa soğutulmasından oluşmaktadır. Yeniden kristalleşme sıcaklığının altında yapılan ezme işlemi ile deforme edilmiş ostenit taneleri elde edilmekte ve ostenit taneleri içerisindeki dislokasyon yoğunlukları artırılmakta, bu sayede, sonrasında oluşacak ferrit tanelerine çok sayıda çekirdeklenme bölgesi yaratılmaktadır. Ferrit tanelerinin çok sayıda çekirdeklenmesi, büyüme sırasında birbirlerinin tane sınırlarına çok daha çabuk ulaşmalarını ve büyümelerinin durmasını sağlamakta ve böylece nihai üründe homojen ince taneli bir yapı elde edilebilmektedir. HSLA çeliklerinde mukavemet artışında katı çözelti sertleşmesi, dislokasyon yoğunluk artışı, faz dönüşümleri, çökelti sertleşmesi ve tane küçültme mekanizmaları etkin rol oynamaktadır. Katı çözelti sertleşmesi manganez ve molibden gibi alaşım elementlerinden, faz dönüşümü ve dislokasyon yoğunluğu kaynaklı artıştan, düşük dönüşüm sıcaklıklarına sahip iğnesel ferrit ve beynit fazlarından; çökelti sertleşmesi alaşımda yer alan niyobyum, vanadyum ve titanyum gibi elementlerin oluşturdukları karbür, nitrür ve karbonitrür fazlarından; tane küçültme ise termomekanik haddeleme ile elde edilen çok sayıda tane sınırından kaynaklanmaktadır. Niyobyum elementi sadece çökelti sertleştirmesi ile değil düşük sıcaklıklarda yapılan yüksek ezme miktarları ile nihai küçük tane yapısına da katkıda bulunmaktadır. Titanyum elementi ise, oluşturduğu TiN fazı ile sıcak haddeleme öncesinde yapılacak tavlama işleminde ostenit tanelerinin irileşmesini engellemekte (tavlama sıcaklıklarında çözeltiye geçmeyerek) ve haddelemeye başlangıç anındaki tane boyutunu düşürerek yine son üründeki küçük taneli yapıya katkıda bulunmaktadır. Petrol ve doğalgaz boru hatlarında kullanılan mikroalaşımlı çeliklerin mikroalaşımlandırma ve termomekanik haddeleme parametrelerinin incelenmesi amacı ile yapılan bu çalışmada, iki farklı haddeleme teknolojisi kullanılarak (tersinir ve tandem sıcak haddeleme) yüksek mukavemetli düşük alaşımlı API X70M PSL2 kalite, Cr, Mo, Nb, V ve Ti ile mikroalaşımlandırılmış 2 mikroalaşımlı çelikde, ostenit fazının yeniden kristalleşme sıcaklığının altında, farklı ezme miktarlarında termomekanik haddeleme denemeleri yapılmış, bu denemelerin, üretilen çeliğin özellikleri (akma-çekme-uzama, darbe direnci, sünek-gevrek geçiş sıcaklığı, Ağırlık Düşürmeli Yırtma Testi- DWTT-, katlama, sertlik, mikroyapı, kırılma karakteristiği) üzerine etkileri incelenmiştir. Tersinir sıcak haddeleme metodu ile yapılan deneme üretimi öncesinde Gleeble proses simülasyon cihazı ile düzlem deformasyon testleri gerçekleştirilmiş, deneysel yöntemle ostenitin yeniden kristalleşmediği sıcaklık (Tnr) 960 °C olarak tespit edilmiştir. Endüstride Tnr sıcaklığının tespiti için yaygın olarak kullanılan Boratto, Fletcher ve Bai tarafından geliştirilen ampirik formüller ile söz konusu sıcaklık değeri sırasıyla 1272 °C, 1079°C ve 1066°C olarak tespit edilmiştir. Deneysel yöntemle elde edilen bu sıcaklık değeri kullanılarak yapılan tersinir sıcak haddeleme deneme üretiminde Tnr sıcaklığı altında tersinir hadde hattının kabiliyetlerine bağlı olarak %42'lik bir ezme oranı uygulanabilmiştir. Deneme sonrasında yapılan testlerde akma, çekme, uzama ve darbe değerlerinin standart gereklilikleri karşıladığı ancak 0°C'de yapılan ağırlık düşürmeli yırtma testlerinde %10'luk sünek kırılma alanı ile minimum değer olan %85 sünek kırılma alanı beklentisinin çok altında kalındığı tespit edilmiştir. Görece düşük tokluk ve çok düşük sünek yırtılma değerlerinin elde edilmesinde yüksek alaşım içeriğinin (yüksek C, Nb ve Mo değerleri) yanısıra tersinir şerit hadde teknolojisi gereği haddeleme sırasında iş parçasının hadde ayaklarının iki tarafında yer alan tambur fırınlara sarılarak ısıtılmasının, termomekanik haddeleme sırasında hedeflenen yüksek deformasyon hızlarına ulaşılmasını engellediği, ısıtma sırasında ostenit tanelerinin toparlanmasına neden olduğu ve bu nedenle nihai üründe hedeflenen küçük taneli yapıya ulaşılamadığı tespit edilmiştir. Tandem hadde denemelerinde tersinir hadde denemesine kıyasla daha yalın bir kimyasal analiz (daha düşük C, Nb ve Mo değerleri) kullanılarak Tnr altında farklı ezme oranları (%60,7-72,8) ile üretimler yapılmış, bu değişkenlerin üretilen çeliğin özellikleri (akma-çekme-uzama, darbe direnci, sünek-gevrek geçiş sıcaklığı, Ağırlık Düşürmeli Yırtılma Testi-DWTT, katlama, sertlik, mikroyapı, kırılma karakteristiği) üzerine etkileri incelenmiştir. Tandem hadde denemeleri sırasında Tnr sıcaklığının tespiti için yaygın olarak kullanılan Boratto ampirik formülünden yararlanılmış, yapılan hesaplamada söz konusu sıcaklık değeri 1134°C olarak tespit edilmiştir. Fletcher ve Bai tarafından geliştirilen diğer ampirik formüllerden ise Tnr sıcaklığı sırasıyla 1057°C ve 1020°C olarak bulunmuştur. Yapılan çalışmalar neticesinde yeniden kristalleşme sıcaklığı altında artan ezme miktarları ile nihai üründeki tane boyutunun azaldığı, mukavemet ve tokluk değerlerinin arttığı tespit edilmiştir. Aynı zamanda ürünlerin sünek-gevrek geçiş sıcaklığı değerlerinin de bu sayede çok düşük sıcaklıklara (-80 °C'nin altına) indiği tespit edilmiştir. Tnr altında en yüksek ezmenin verildiği deneme üretimi sonrası yapılan tüm testlerin standart gerekliliklerini karşıladığı tespit edilmiştir.
Novel approaches for protection of light metals under various wear conditions via micro arc oxidation process

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021) Muhaffel, Faiz ; Çimenoğlu, Hüseyin ; 675450 ; Malzeme Bilimi ve Mühendisliği

Light metals such as magnesium, aluminium and titanium have recently developed great attention for automotive, aerospace, transportation and many other industries. Their low densities make them more favourable than heavier steel and cast iron alloys. In particular, they offer weight reduction and cost-efficient performance and therefore, they bring a subsequent revolutionary change in the design and manufacturing of metallic components. Despite their beneficial specific strength, light metals mostly exhibit low hardness and insufficient wear resistance. Although they pose a native oxide protective layer on their surface after exposure to air, this layer only provides minimal protection to wear- and corrosion-related damages. Thus, surface engineering technologies become necessary to satisfy the specific properties and long service life of fabricated engineering components. Compared to other surface modification processes, micro arc oxidation (MAO) is distinguished by providing a thick, hard and well-adhered oxide coating on the magnesium, aluminium and titanium alloys without jeopardizing the mechanical properties of the substrate because of negligible heat input. Moreover, the MAO technique has advantages like processing materials with complex geometries, no need for extensive preparations of the surface of the substrate and applying in environmentally friendly electrolytes. In the scope of these drawbacks of light metallic alloys, wear performance was aimed to be enhanced against various service conditions such as at high loads, in a corrosive environment, at high temperatures, etc. In the first chapter of the thesis, a study was initiated to extend the usage of magnesium alloys, especially in corrosion and wear-related engineering applications, by coating their surfaces via MAO. Considering the individual influence of phosphate- and aluminate-based electrolytes on the corrosion and wear performances of the synthesized MAO coatings, AZ91 magnesium alloy has been subjected to MAO in aluminate-based reference electrolyte with and without additions of Na3PO4 at concentrations of 5 and 10 g/l. Unlike dry sliding conditions, MAO coatings synthesized in the aluminate-based reference electrolyte did not provide reasonable protection of AZ91 magnesium alloy against wear in corrosive media (0.9 wt% NaCl solution). This study revealed that the addition of 5 g/l Na3PO4 into this reference electrolyte was sufficient for enhanced resistance of MAO coating against chemical and mechanical degradations (i.e. corrosion-wear) without altering its features in terms of surface roughness and thickness. In the second chapter of the thesis, a study has been initiated to increase the success of MAO coatings fabricated on aluminium alloys against degradation under sliding contact conditions at high temperatures. For this purpose, the 7075 Al alloy has been micro-arc oxidised in an aluminate-based electrolyte with or without the adding monoclinic zirconia (ZrO2) particles. Microstructural analyses revealed that the coating synthesised in a ZrO2-added electrolyte consisted of a ZrO2 particles participated alumina (Al2O3) based outer layer and a monolithic Al2O3-based inner layer, which exhibited similar features with that of the synthesised in the ZrO2-free aluminate-based electrolyte. Moreover, the coating fabricated in the ZrO2-added electrolyte exhibited enhanced wear resistance during the dry sliding wear tests conducted at room temperature and had higher durability during the tests done at 300 ℃. Since the examined coatings were worn by the fatigue wear mechanism, their durability during high temperature wear tests was analysed using the conventional stress-based fatigue approach. From the derived equations, the maximum contact pressures at which coatings can endure 106 contact cycles at 300 ℃ were estimated as 851 and 331 MPa for the coatings fabricated in the ZrO2-added and ZrO2-free aluminate-based electrolytes, respectively. In the third chapter of the thesis, the influence of Al2O3 and ZrO2 incorporation on the structural properties and wear resistance of titania (TiO2) based MAO coatings fabricated on Ti6Al4V alloy was studied. For this purpose, MAO was employed in a silicate-based electrolyte with and without additions of Al2O3 and ZrO2 particles. The structural properties were determined via X-ray diffraction (XRD) and X-ray photoelectron (XPS) spectroscopy analysis and an energy dispersive spectrometer (EDS) equipped scanning electron microscope (SEM). Furthermore, thermochemical simulations were made by using FactSage 7.3. Mechanical properties of the MAO coatings were determined by hardness measurements and dry sliding reciprocating wear tests. Structural examinations revealed that the MAO coatings fabricated in Al2O3 and ZrO2 added electrolytes comprised of these oxides and their complex forms (Al2TiO5 and ZrTiO4, respectively) along with TiO2 and amorphous silica (SiO2). Although incorporations of Al2O3 and ZrO2 did not remarkably improve the hardness of the MAO coatings, the highest wear resistance was obtained from the one formed in the ZrO2 added electrolyte. On the other hand, the MAO coating fabricated in the Al2O3 added electrolyte exhibited lower wear resistance than that fabricated in the particle-free silicate-based electrolyte. In the fourth chapter of the thesis, the structural features, biocompatibility, and mechanical performance of a TiO2 layer with incorporated ZrO2 formed by micro arc oxidation on commercially pure titanium have been examined. In comparison to the ZrO2-free TiO2 layer, the ZrO2-incorporated oxide layer was dense and contained ZrTiO4 as a new oxide as well as ZrO2 particles. Associated changes in the microstructure enhanced the mechanical durability of the TiO2 layer. Owing to the incorporation of identical biocompatible compounds and almost similar surface roughness, no remarkable difference in bioactivities of the ZrO2-free and ZrO2-incorporated oxide layers was detected after simulated body fluid tests. In the fifth chapter of the thesis, a work was initiated to examine the role of counterface materials on the tribological behaviour of Mg alloys subjected to the MAO process and focus on reducing the sliding coefficient of friction (COF) values of MAO treated surfaces. Surfaces of AZ31 grade Mg alloy were subjected to an MAO treatment in a sodium metasilicate and potassium hydroxide containing electrolyte. Unlubricated sliding wear tests were conducted using counterfaces made of nitride-based (N-based), TiN, TiCN, CrN, and hydrogenated diamond-like carbon (HDLC) coated as well as uncoated SAE 52100 grade bearing steel balls. MgO based coatings formed on the surfaces of samples during the MAO process increased the wear resistance of AZ31, regardless of the type of counterface material used. Sliding the MAO treated surfaces against counterfaces made of uncoated steel and N-based coatings yielded high COF values of 0.6–0.8 that exceeded those of the uncoated AZ31 against the same counterfaces. During dry sliding of the H-DLC counterface on the MgO coating, smooth and stable friction curves with a low steady-state COF value of 0.13 were recorded. Therefore, a significant drawback of MAO treatment that gives rise to surfaces with high COF could be addressed by running them against H-DLC coated counterfaces, a method that could be applied to the development of lightweight tribological components that are both sliding wear-resistant and have low COF. In the sixth chapter of the thesis, the wear and corrosion performances of AZ91D magnesium alloy have been examined after MgO- and Al2O3-based coatings fabricated. While the MAO process was applied to generate a magnesia layer, cold spraying (CS) and MAO processes were combined to obtain a novel alumina layer. CS was conducted to cover the substrate by depositing an aluminium layer (monolithic or composite). Afterwards, application of the MAO process produced an alumina layer on the deposited aluminium layer (monolithic or composite), forming a multilayered coating on the examined magnesium alloy. The experiments revealed that the alumina layer formed on the alumina reinforced aluminium matrix composite layer ensured superior protection for AZ91D alloy against mechanical and chemical degradations compared to the magnesia layer. In brief, within the scope of the thesis, it has been shown that MAO coatings can be modified especially for wear-related applications to work efficiently at high temperatures, at high contact pressures, in corrosive environments and even in environments with biological fluids. Generally, the primary method in improving the properties of MAO coatings is to generate a composite oxide coating that forms on the base metal substrate by various ions or particles as the additives introduced into the electrolyte. Our studies have shown that when the MAO process is combined with another surface modification process, it can produce only oxides with better properties without forming its oxides of the base metal, which exhibits low hardness and wear resistance. With the combination of CS and MAO methods, magnesium alloys widely used today have gained a much higher wear resistance than the magnesium alloys coated by the MAO process. These coating methods, which are applied at low temperatures, also do not alter the microstructure and mechanical properties of the magnesium alloys having a low melting temperature. However, the general feature of MAO coatings is their high COF values. Therefore, within the scope of the thesis, it has been revealed that it is beneficial to modify contact surface to be used in applications where a low friction coefficient is required, and thus, H-DLC coating was applied on the steel balls, which were the counterfaces of MAO coating. In future works, it is planned to reduce the COF of MAO coatings to improve the wear properties of MAO coatings by adding lubricant additives into the electrolyte.
Fabrication of nickel based electro-active materials with anodic oxidation of different substrates in sub molten koh for supercapacitor applications

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021) Mohamed, Nourhan Ramadan Abdelgalil Abdalla ; Ürgen, Mustafa ; 713563 ; Malzeme Bilimi ve Mühendisliği

The research conducted on this thesis aims at synthesizing and optimizing electroactive materials by direct anodic oxidation in the sub-molten state (SMS) KOH and introducing new nanowire based substrates as an alternative to nickel foam. The studies within this thesis are collected under four main topics. 1- Analysis of the Ni's anodic behavior in sub-molten salt (SMS) KOH The aim of this group of studies was to investigate and optimize the production of high surface area nickel hydroxides by anodization in SMS KOH. Accordingly, the anodic behavior of pure flat nickel in SMS KOH at 200˚C, as well as the properties of surface films formed at different anodic polarization potentials, were determined. Potentiodynamic polarization curves of nickel in SMS indicated the presence of active, passive, far-passive, and transpassive states. Raman spectroscopy and grazing-incidence x-ray diffraction (GI-XRD) showed that NiO and potassium-intercalated γ-NiOOH are the products in the active and the far-passive/transpassive regions, respectively. XPS analysis was used to study the passive layer because its thickness is in the nm range. The results showed that NiO that is formed in the passive range possesed fewer defects than NiO formed in the active region, which promotes passivity. The morphology of the surface films created in the active, far passive, and transpassive regions was investigated by FE-SEM. The typical cube-like morphology of NiO is observed in the active region, while flake-like γ-NiOOH is observed in the far-passive and traspassive potentials. At high transpassive potentials, the flak-like morphology of NiOOH deteriorated with the high rate of oxygen evolution reaction (OER). The electroactive anodic surface films formed during active, far passive, and transpassive regions are a few micrometers thick, contrary to the ones obtained in 6M aquous KOH, because of the high dissolution rate of Ni and the high viscosity of the SMS KOH. This study proved that anodic oxidation of nickel in molten salt KOH is a promising, fast, and economical way to produce electroactive nickel hydroxides 2- The electrochemical and structural stability of the nickel hydroxide produced by anodic oxidation in sub-molten KOH. The long-term electrochemical stability of the NiOOH produced by anodic oxidation in sub-molten KOH hasn't been reported yet in the literature. Commercial nickel foam has been anodically oxidized at far passive and transpassive potentials, and its structural and electrochemical stability were tested. The highest specific capacity was obtained from the samples anodized at 1100 mV vs. Ni at 200˚C since it exhibited the best combination of surface area and conductivity. However, NiOOH showed low capacity retention (33% ) after 1200 cycles in 6M KOH because of the phase transition from γ-NiOOH to β-NiOOH. The electrochemical performance of the anodic layers produced in SMS KOH was compared to that produced by another conventional method (electrodeposition). This comparison showed that the instability of the nickel hydroxide is related to the nature of the material regardless of the synthesis method, as has already been verified in previous studies. In addition, it showed the need for the stabilization of these anodic layers for long-term performance. 3- Improvement of the structural and electrochemical stability of NiOOH was by coating them with cobalt oxide using a new approach. The coating process was realized in 1 wt% Co(OH)2 containing SMS KOH with anodic oxidation of nickel foam as a function of temperature and anodic oxidation potentials. The highest capacity was obtained for the samples anodized at 1100 mV vs. Ni at 200˚C. These samples exhibited significantly improved capacity retention (75% ) after 1200 cycles. XPS and Raman investigations of the layer produced under optimized conditions revealed the presence of Co3O4, on top of the NiOOH layer. 4- Production of Ni and Ni-Co self-standing nanowire substrates(SSNW) by template-assisted electrodeposition using aluminum anodic oxide (AAO) as an alternative to the conventional Ni foam substrates a) AAO membranes were synthesized by anodizing Al in oxalic acid as a conventional method and deep eutectic solvent as a novel method. Then electrodeposition of Ni was conducted using either Watt's solutions or deep eutectic solvents after zincating to open and activate AAO pores bottom. We successfully managed to produce AAO in DES. However, SSNW produced by using nickel ion-containing DES did not give sufficient mechanical durability. Thus for the anodic oxidation in SMS-KOH, SSNW produced with Watt's solution was used. b) For the electrodeposition of Ni-Co alloys with different cobalt content into the pore, bottom-activated AAO, modified Watt's electrolytes are used. The deposition process of Ni and Ni-Co alloys was continued after filling the pores to cover the AAO with a metal /or alloy layer to support the nanowires structures (self-standing nanowires (SSNW)) after the dissolution of the aluminum substrate and AAO. c) SSNW substrates of Ni and Ni-Co alloys were anodically oxidized in SMS KOH. The Co content in these alloys was 0%, 10%, 25%, 35%, and 60%. The anodically grown layers were studied by GI-XRD, Raman, and cycling voltammetry(CV). Raman spectroscopy proved the successful synthesis of the solid solution of layered double oxyhydroxide NixCo1-xOOH for the anodized alloys containing up to 35% Co. Raman and CV suggested that the anodic layer formed on Ni-Co alloy with 60% Co has an additional phase of Co(OH)2. The capacity retention of the SSNW of 100% Ni was 40%. However, it increased with increased Co content (55% for 10 % Co-containing alloy and 80% for 60 % Co-containing alloys). Additionally, it is observed that a transition from faradaic towards peudocapacitive behavior occurs with the increase of the cobalt content of the alloy Results of the study indicated the potential of anodic oxidation in SMS-KOH for producing electroactive Ni and Ni-Co oxides directly on the support metal. The produced materials showed comparable and/or higher electrochemical performance than the ones given in the literature.
Investigation of the growth kinetics and morphology transitions during porous anodization of titanium in ethylene glycol based electrolytes

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022) Seçkin, Eren ; Ürgen, Mustafa Kamil ; 725516 ; Malzeme Bilimi ve Mühendisliği

Titanium dioxide (TiO2, titania) is a transition metal oxide that has been widely used as a pigment since the early 1900s. The discovery of the photocatalytic properties of the material has made it highly attractive for photovoltaics, photocatalysis, and sensor applications. Besides, titania-based materials have been increasingly employed in the biomaterials industry due to their chemical stability and bio-compatibility. Recently, the production and use of TiO2 nanomaterials has become popular. The high surface area and possible quantum effects of titania nanostructures have provided significant advantages over micro-size use. TiO2 nanotubes have attracted great interest among various titania nanostructures, and intensive research has been carried out on their production and use. Although the anodic formation of non-porous barrier oxide films on titanium has been known for decades, the discovery of self-organized nanoporous titania production by anodization in fluoride-containing electrolytes opened a new pathway; and numerous studies have been conducted on the subject. Preliminary studies on the nanoporous anodization of titanium concentrated on understanding the anodization reactions and controlling the process. Subsequent studies mainly focused on the fabrication of nanotube structures and their use in various applications. Recently, sophisticated studies such as advanced nanotube geometries and doped nanotubes have been prominent. However, the literature shows that the reproducible fabrication of titania nanotubes of desired length and morphology, in a well-ordered structure with a clean surface, is still a challenge. Although many different morphologies have been obtained during anodization, the influence of this morphological variance on nanotube growth has not been defined with a consistent model. One of the main reasons for this deficiency is the insufficient understanding of the anodization process, which reduces effective control over the process. The necessity of a clear understanding of the formation, growth kinetics, and morphological transformations of the nanotubes constituted the main reason for starting this thesis study. In the first part of experimental studies, investigation and optimization of the anodization parameters (surface condition, stirring, aging of the electrolyte, voltage, temperature, and time) were conducted by utilizing an ethylene glycol-based anodization electrolyte containing 0.6 wt % NH4F, 1 vol % H2O. The two-step anodization procedure was optimized to improve the pre-anodization surface. The high surface roughness of the untreated Ti foil could be reduced significantly by the optimized first anodization procedure with an anodization at 50 V and 30 °C for 180 min and subsequent removal of the anodized layer. In the anodization studies carried out under different stirring rates (0 to 1000 rpm), it was observed that the stirring rate has a strong effect on the morphology. The barrier oxide film on the sample surface disintegrated faster as the stirring rate during anodization increased. It was attributed to the increase in the chemical dissolution rate due to increased agitation. In addition, it was revealed that the increase in stirring rate facilitates effective temperature control. Experimental studies on the aging and reuse of the anodization electrolyte have shown that current density behavior and morphology can vary significantly depending on the condition of the electrolyte. As the fluoride is consumed by forming water-soluble [TiF6]2- species and be solvated during anodization, the amount of free fluorine in the electrolyte gradually decreases. It was experimentally verified that the current density values shift down, and the chemical dissolving power of the electrolyte decreases in anodization conducted after extended usage or short but repetitive usage of the anodization electrolyte. However, it has also been shown that when the electrolyte is kept unused overnight after anodization, almost equivalent current density values and morphological results can be obtained as the anodization performed the previous day. We estimate that when the electrolyte is kept unused for a convenient duration after anodization, [TiF6]2- species decompose into TiF3, releasing three fluorides (for each molecule); thus, the amount of free fluoride in the electrolyte increases again. In studies examining the effects of anodization voltage and temperature on growth and morphology, it was verified that an increase in either parameter results in an increase in current density and hence an increase in growth rate. In addition, the increase in either parameter affects the morphology by accelerating the chemical dissolution. It was demonstrated that although the voltage has a slight effect on the dissolving power of the electrolyte, the temperature has a strong effect and the chemical dissolution in the electrolyte increases strongly with increasing temperature. A series of experiments were conducted to observe the effects of the anodization duration on the surface morphology. Three morphologies were obtained in the anodization experiments conducted at 50 V and 30 °C for different durations (5 min to 40 min). For 5 min and 10 min anodized samples, barrier oxide morphology, for 20 min anodized sample open-top nanotube morphology, and 40 min anodized sample nanograss morphologywere obtained. It was deduced that the surface morphology during anodization progresses in order of barrier layer, open nanotubes, and nanograss structure, showing that these morphologies are successive processes. Anodization experiments conducted at 50 V and 25 °C for different durations confirmed that the surface morphology changes in the suggested order. It was revealed that there is a correlation between the temperature and the dissolution time of the barrier oxide, which formed the basis of the proposed kinetic model. Additionally, ultrasonication and stripping with scotch tape methods were studied for clearing the sample surface from barrier layer residues and so-formed nanograss. In the second part of experimental studies, the formation and growth kinetics of the titania nanotubes were investigated by utilizing an ethylene glycol-based anodization electrolyte containing 0.3 wt % NH4F, 1 vol % H2O. A model, combining growth with morphology, has been proposed by utilizing the findings obtained in the first part. According to this model, growth is divided into three stages (I. Growth under initial barrier layer, II. Nanopore to nanotube transition, III. Nanograss formation). Stage 1 is defined as the period which includes initial barrier oxide formation, pore initiation, and nanotube growth under gradually dissolving initial barrier oxide. Formation studies conducted at 50 V and 25 °C for different durations (5 sec to 30 sec) demonstrated that ordered nanotubular formation under initial barrier oxide occurs in the early periods of the anodization. We determined that the field-assisted growth of the nanotubes occurs at a constant rate (µm C-1 cm2) at the bottom, under the gradually dissolving and still protective initial barrier oxide layer. Titanium samples were anodized at 25 °C for different durations (20 min and 80 min) remaining in Stage 1 to determine field-assisted growth rate. In both anodized samples average growth rate of ~0.7 µm C-1 cm2 was obtained. It was experimentally observed that the total dissolution time of the initial barrier oxide layer during anodization performed at 25 °C was within the range of 100 – 150 min. We have defined Stage 2 as the short period after the initial barrier oxide layer is wholly dissolved in which open tube top ordered nanotubes are seen, and nanopore/nanotube transition occurs. As Stage 2 is the sudden transition phase between Stage 1 and Stage 3, it was ignored in the kinetic calculations. Stage 3 is defined as the period for the chemical dissolution of the tube tops and the initiation and progress of nanograss formation. In this part, the nanotube film's growth and the film's shortening are examined together. Field-assisted growth continues at the bottom with the same efficiency and rate (per coulomb) (µm C-1 cm2) as it is in Stage 1. However, the simultaneous shortening of the tubes due to chemical dissolution occurs at the top at a constant rate (per time) (nm min-1). A kinetic model has been proposed to determine the persistence time of this top barrier layer. According to model, the chemical shortening rate of the nanotubes due to chemical dissolution is determined experimentally by using two different anodization durations remaining in Stage 3, which allows us to calculate the barrier oxide dissolution time (BDT). Barrier oxide dissolution times for 25 °C and 5 °C was calculated as 130.1 min and 414.1 min, respectively, and verified experimentally by anodization conducted for the corresponding BDT values. The dissolution of the top barrier layer is a chemical process, and its activation energy can be calculated using the experimentally determined parameters that allows us to determine the temperature dependence of BDT. By utilizing 25 °C and 5 °C anodization data and taking BDT-1 as the rate constant, the activation energy equivalent to 9.53 kcal mol-1 was obtained for the process. Additional experiments conducted at 35 °C, 15 °C, and -5 °C by using the theoretically calculated BDT values confirmed the model's validity. These calculations and experiments verified that temperature dependence of the barrier oxide dissolution time (BDT) shows Arrhenius-like behavior. Besides controlling the final morphology, it is shown that the plot of nanotube thickness that corresponds to BDT at different temperatures indicates a linear relation; and open-top nanotubes ranging from 6.8 µm to 10.4 µm can be obtained by tuning anodization temperature and duration according to this model. To summarize, this model gives the opportunity to tailor titania nanotube thickness (within a specific range) and desired nanotube morphology (barrier top, open tube top, or nanograss) by tuning anodization temperature and duration according to the proposed model.
Evaluation of thermal, rheological, and dynamic mechanical properties of CNT reinforced PEI and PEEK composites

(Graduate School, 2022) Kaygınok, Fulden ; Cebeci, Hülya ; 729354 ; Department of Materials Science and Engineering

In this study, the effect of multiwall carbon nanotube (CNT) reinforcement on viscoelastic properties of polyetherimide (PEI) and polyether ether ketone (PEEK) polymers was investigated by oscillator rheology and dynamic mechanical analysis (DMA) method. CNT reinforced PEI and PEEK composites were produced using a specially designed twin-screw extruder at 1, 3, and 5 wt.% at 210 rpm and 360 °C and 380 °C for CNT/PEI and CNT/PEEK composites, respectively. Thermogravimetric (TGA) and differential scanning calorimetry (DSC) analyzes were performed to examine the thermal properties of the samples. It was observed that the decomposition temperatures in PEI samples showed two-stage decomposition depending on the aromatic group and non-aromatic group decomposition at approximately 529 °C and 564 °C, and their thermal stability was found as about up to 400 °C, whereas in PEEK samples, decomposition occurred in a single step due to ether and ketone groups and their thermal stability was found as about up to 550 °C. Also, a residual weight of around 50% in PEI and PEEK samples was at 800 °C. It was seen that CNT did not significantly affect the thermal stability of polymers. In addition, CNT almost did not change the glass transition temperature of polymers (Tg), but it increased the crystal ratio by acting as the nucleation factor for PEEK composites, and the highest crystal ratio was obtained from 1 wt.% CNT/PEEK composite as 29%. The morphological analysis revealed that CNT reinforced PEI and PEEK composites were fabricated homogeneously without any agglomerations. Rheology analysis showed that the linear viscoelastic region (LVR) narrowed with CNT, that is, the critical strain decreased, which was explained as evidence of the formation of a brittle solid network in the structure. Also, the critical strain has an exponential dependence on the volume fraction of the CNT as -1.76 and -1.40 for PEI and PEEK, respectively. On the other hand, the frequency-dependent results in LVR showed that the storage modulus of both polymers increased and the frequency dependence decreased with the increase in the amount of CNT. The frequency dependence of the storage modulus was exponentially 0.7 and 1.57 for neat PEI and PEEK, and these values were calculated as 0.32 and 0.27 at 1 wt.% CNT reinforcement, respectively. The decrease of frequency dependency and sudden increase in 1 wt.% CNT reinforcement was interpreted as an indication of the structure change, and the rheological percolation threshold was determined below 1 wt.% CNT reinforcement was also proved by drawing Cole-Cole plots that are a clear representation for the transition from the liquid-like to the solid-like structure. Additionally, the complex viscosity increased with CNT in both polymers and they changed the behavior from Newtonian to shear-thinning in the low-frequency region and shear-thinning behavior became dominant with 1 wt.% CNT reinforcement.
AlSi9Cu3 ve AlSi10Mg basınçlı alüminyum döküm alaşımlarına bor ve stronsiyum ilavesinin Cr3+ dönüşüm kaplaması sonrası korozyon direncine etkisi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022) Savaşkan, Berkay ; Keleş, Özgül ; 769849 ; Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı

Alüminyum döküm alaşımları; sahip oldukları yüksek spesifik mukavemet, yüksek termal & elektrik iletkenlik ve iyi korozyon direnci özellikleri sayesinde başta havacılık & savunma ve otomotiv sektörü olmak üzere sıkça tercih edilen malzemelerdendir. Metallerin ve alaşımların, yüksek korozyon direncine sahip olması ve korozyona maruz kalmadan uzun süre kullanılabilir olması, endüstride orijinal ekipman üreticileri (OEM) tarafından istenilen özelliklerin başında gelmektedir. Alüminyum döküm alaşımları, başta yüksek dökülebilirlik, işlenebilirlik ve iyileştirilebilir korozyon direnci özellikleri sayesinde otomotiv sektöründe çeşitli uygulamalarda sıkça kullanılmaktadır. Otomotiv sektöründe en yaygın kullanılan alüminyum alaşımları 3xx (Al-Si-Mg/Cu) ve 4xx (Al-Si) alaşımlarıdır. Bu alaşımların şekillendirilmesinde kullanılan yüksek basınçlı döküm teknolojisi başta gelen önemli yöntemlerden biridir. 3xx alüminyum alaşımlarının korozyon direnci, kimyasal bileşimlerine göre –özellikle içerdikleri bakır (Cu) elementinin oranına bağlı olarak- değişkenlik gösterebilmektedir. Bu nedenle, otomotiv sektöründe yüksek basınçlı döküm yöntemiyle üretilen alüminyum döküm alaşımlarına müşteri istekleri doğrultusunda korozyon direncini artırıcı Cr3+ dönüşüm kaplaması (TCP) uygulanabilmektedir; ancak bu kaplama, bakır oranı göreceli yüksek alaşımlarda düşük alaşımlara göre korozyon direnci yönünden olumsuz sonuçlar verebilmektedir. Bu çalışmada, Cu elementinin oluşturduğu mikrogalvanik korozyonun olumsuz etkilerini azaltmak ve daha yüksek korozyon direnci elde edebilmek için göreceli yüksek bakır oranına sahip (ağ. %2,5) AlSi9Cu3 (EN AC 46000) ve göreceli düşük bakır oranına sahip (ağ. %0,1) AlSi10Mg (EN AC 43400) alüminyum döküm alaşımlarına tane inceltici özellikli bor (B) içeren AlB3 ön alaşımı ve ötektik modifiye edici stronsiyum (Sr) esaslı AlSr15 ön alaşımı ilavesi yapılmıştır. Alaşımlara yapılan bu ilaveler ile hem döküm sonrası hem de TCP kaplaması sonrası korozyon direnci özelliklerinde iyileşme amaçlanmıştır. Özellikle, aynı miktardaki bakırın mikroyapıya homojen dağılımı ile AlSi9Cu3 alaşımının TCP kaplaması sonrasında korozyon direncinde artış öngörülmüştür. AlSi9Cu3 ve AlSi10Mg ön alaşım ilaveli numunelerine yağ alma & asit ile aşındırma ön işlemleri sonrasında TCP kaplaması uygulanmıştır. Yüksek basınçlı döküm yöntemi ile şekillendirilen AlSi9Cu3 ve AlSi10Mg alaşımlarının optik mikroskop ile metalografik, Taramalı Eletron Mikroskobu (SEM) ile morfolojik ve EDS-Haritalama (Enerji Dispersiv X-Ray Spektroskopisi Haritalama) analizleri ile malzeme karakterizasyonları gerçekleştirilmiştir. Malzemenin mikroyapısında yapılan değişikliklerin korozyon direnci üzerindeki etkilerinin incelenmesi için hem döküm numunelere hem de TCP kaplanmış numunelere Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi (EIS) ve Tafel deneyleri uygulanmıştır. CV analizi; AlSi9Cu3 için döküm sonrası, her iki alaşım içinse TCP kaplama ön işlemleri sonrası uygulanmıştır. Numunelerin uzun dönem korozyon dirençleri tuz testi ile ölçülmüştür. Metalografik ve morfolojik malzeme karakterizasyonları sonucunda AlB3 ön alaşımının mikroyapı üzerindeki olumlu etkileri görülmüştür. AlB3 ön alaşımı kullanılan numunelerde daha ince taneler ile birlikte nispeten daha küresel ve küçük birincil α-Al fazları gözlemlenmiştir. AlSr15 ön alaşımının kullanıldığı numunelerde ise normalde iğnesel ve kaba formda bulunan Al-Si ötektik fazları Sr elemtinin etkisiyle incelerek lifsi formda oluşmuştur. AlSi9Cu3 ön alaşım ilavesiz ve ön alaşım ilaveli numunelerinin yüzey elektroaktif bakır miktarlarının hesaplanabilmesi için Çevrimsel Voltametri (CV) analizleri gerçekleştirilmiş ve bakır elementinin Cu(0)' dan Cu(I)' yükseltgenme reaksiyonu sonucu ~ -0.1 V değerinde pik elde edilmiştir. Elde edilen pikin şiddeti yeterli olmadığı için yüzey elektroaktif bakır miktarı hesaplanamamıştır. Hem döküm sonrası hem de TCP kaplaması sonrasında uygulanan EIS ve Tafel deneyleri sonuçlarına göre, AlSi9Cu3 alaşımının (Cu: % 2,5) korozyon direncinin (korozyon akımı, icorr: 2,192 / 0,291 μA/cm2) AlSi10Mg alaşımının (Cu: % 0,1) korozyon direncinden (icorr: 0,715 / 0,019 μA/cm2) daha düşük olduğu bulunmuştur. AlSi9Cu3 ve AlSi10Mg alaşımlarının korozyon dirençlerindeki bu farklılığın, içerdikleri bakır oranlarından kaynaklandığı gözlemlenmiştir. AlSi9Cu3 alaşımı B + Sr ilaveli numunenin korozyon direnci, ön alaşım ilavesiz numuneye göre EIS (Polarizasyon direnci, Rp, EIS: 4,16 kΩ / 3,64 kΩ) ,Tafel (Rp, EIS: 4,53 kΩ / 3,31 kΩ & İcorr: 2,192 μA/cm2 /1,585 μA/cm2) ve tuz testi (ağırlık değişimi: 0,007 g/cm2 / 0,008 g/cm2) sonucunda daha yüksek bulunmuştur. AlSi9Cu3 AlB3 + AlSr15 ilaveli numunede, tane inceltme ve ötektik modifikasyon sonucunda daha küçük ve çok sayıdaki mikrogalvanik hücrenin oluştuğu ve böylece numune korozyon direncini azalttığı düşünülmektedir. Buna ek olarak, AlSi9Cu3 alaşımı numunelerinin döküm yüzeye sahip numunelerin Tafel analizi sonrası mikroyapısı incelendiğinde çamursu fazlarının (sludge) oyuk oluşumunu engellediği görülmüştür. Tane inceltmenin etkisiyle AlB3 ilaveli numunelerde çamursu fazların daha küçük ve fazla olduğu; bu nedenle AlB3 ilaveli numunelerinin korozyon dirençleri diğer ön alaşım ilaveli numunelere göre daha yüksek olabileceği düşünülmüştür. AlSi10Mg alaşımı için; ön alaşım ilavesiz, AlB3 ilaveli ve AlB3 + AlSr15 ilaveli numunelerin korozyon dirençleri birbirine yakın değerlerde bulunmuş ve numunelerin korozyon dirençleri arasında fark görülmemiştir. AlSi10Mg alaşımı AlSr15 ilaveli numunenin korozyon direnci ise diğer üç numunenin korozyon direncinden düşük bulunmuştur. Sr elementinin ötektik fazın yüzey alanını artırdığı faz analizi sonucunda görülmüştür. Bakır oranı az AlSi10Mg alaşımının temel korozyon mekanizması birincil α-Al ve Al-Si ötektik fazı arasında gerçekleşmiştir. Bu sebeple artan ötektik faz korozyon direnci AlSi10Mg alaşımı üzerinde olumsuz etki oluşturmuştur. AlSi9Cu3 (Cu: %2.4) numunelerine uygulanan CV deneylerinde, saf bakıra oranla ön alaşım ilavesiz, AlB3 ilaveli, AlSr15 ilaveli ve AlB3 + AlSr15 ilaveli numunelerinin yüzey elektroaktif bakır miktarları sırasıyla %32,1 %66,9 %39,9 %64,1 olarak bulunmuştur. AlSi9Cu3 alaşımında AlB3 ilavesi ile tane inceltme sonucunda numune mikroyapısında tane boyutu küçülmüş ve daha küçük ve küresel şekilde α-Al fazları oluşturulmuştur. Mikroyapıdaki bu değişimin sonucunda tane sınırları artmış ve tane sınırlarında oluşma eğilimi gösteren bakır içeren intermetalik fazlar mikroyapı yüzeyinde homojen bir şekilde dağılmıştır. Bu nedenle, CV analizi sonucunda AlB3 ilaveli ve AlB3 + AlSr15 ilaveli AlSi9Cu3 numunelerinin elektroaktif bakır miktarları ön alaşım ilavesiz ve AlSr15 ilaveli numuneden daha yüksek değerlerde bulunmuştur. AlSi10Mg (Cu: %0.1) alaşımı içerdiği düşük bakır nedeniyle CV analizi sonucunda herhangi bir pik elde edilememiş ve yüzey elektroaktif bakır miktarı hesaplanamamıştır. TCP kaplanmış AlSi9Cu3 alaşımı numunelerinin EIS, Tafel deneyi sonuçları incelendiğinde, AlB3 ilaveli numunenin korozyon direncinin diğer numunelerden daha yüksek değerde olduğu görülmüştür. AlSi9Cu3 alaşımı AlB3 ilaveli ve ön alaşım ilavesiz numunelerinin EIS deneyi sonucunda yük transfer dirençleri sırasıyla 295,8 kΩ ve 57,51 kΩ, Tafel deneyi sonucunda korozyon akımları sırasıyla 0,053 μA/cm2 ve 0,291 μA/cm2 olarak hesaplanmıştır. Uygulanan CV analizleri sonucunda AlB3 ilaveli AlSi9Cu3 alaşımı numunesinin yüzeyinde saf bakıra göre %66,9 oranında elektroaktif bakır bulunduğu tespit edilmiştir. Asit ile aşındırma sonrası, yüzeyde α-Al çözünmesi sonucunda geriye kalan bakır elementleri üzerinde / yakınında TCP kaplama oluşumunun başladığı öngörülmektedir. TCP kaplanmış AlSi10Mg alaşımı numunelerinin EIS, Tafel deneyleri ve tuz testi sonuçlarına göre AlSr15 ve AlB3 + AlSr15 ilaveli numunelerin korozyon dirençleri ön alaşım ilavesiz ve AlB3 ilaveli numunelerden daha yüksek bulunmuştur. AlSr15 ve AlB3+ AlSr15 ilaveli numunelerde artan ötektik faz ve tane inceltmenin etkisiyle, anodik α-Al fazının, daha katodik fazlar (silisyum ve intermetalikler) ile etkileşim yüzeyi artmıştır. TCP kaplaması ön işlemlerinde bu etkileşim yüzeylerinin çözünmesi (korozyona uğraması) sonucunda numunenin yüzey pürüzlülüğü artmış ve bu alanların üzerinde daha homojen ve tutunan bir TCP kaplaması oluşmuş ve böylece korozyon direnci artmıştır. Sonuç olarak; yapılan çalışma kapsamında AlSi9Cu3 alaşımı yüzeyindeki bakır içeren intermetaliklerin daha küçük ve homojen şekilde yüzeye dağıtmak ve daha küçük mikrogalvanik korozyon hücreleri oluşturarak TCP kaplama sonrası korozyon direncini artırmak amaçlanmıştır. AlSi9Cu3 alaşımına AlB3 ön alaşımı ilavesiyle yüzey elektroaktif bakır miktarının arttığı CV analizleri ile görülmüş ve TCP kaplama sonrasında elde edilen korozyon direncinin ön alaşım ilavesiz numuneye göre korozyon akımının yaklaşık 5,5 kat azaldığı (AlB3 ilaveli: 0,053 μA/cm2 ve normal: 0,291 μA/cm2) ve yük transfer direncinin ise (295,8 kΩ & 57,51 kΩ) yaklaşık 5 kat daha fazla olduğu görülmüştür.
TiAlN, AlCrN ve TiSiN Kaplanan 11SMn30/11SMn37 yumuşak manyetik çeliklerinin tribolojik özelliklerinin frenleme performansına etkisi

(Graduate School, 2022-02-11) Eyyüpoğlu, Yağmur ; Göller, Gültekin ; 521181024 ; Malzeme Bilimi ve Mühendisliği

Bu çalışma, elektromanyetik fren (EM-F) uygulamalarında kullanılan malzemelerin tribolojik davranışların iyileştirilmesini ve buna yönelik frenleme performansının arttırılarak harcanan elektriksel güç miktarının azaltılmasını içermektedir. Frenin rotasyonel hareketi durdurma ya da yavaşlatma sürecinde; sürtünmeye maruz kalan yüzeyi balata yüzeyi olduğundan balatanın malzemesinin aşınma direncinin fazla olması ve aktarılan tork değerinin fazla olması gerekmektedir. Bu özelliklerin sağlanması için balata teknolojisi son yıllarda büyük bir gelişim göstermiştir. Birçok sürtünme malzemesi de çeşitli yöntemlerle yapılan çalışmalarda, maksimum verime ulaşmak için incelenmeye devam etmektedir . Dolayısıyla bu, sürtünme malzemelerine aşırı talepler getirir. Farklı sıcaklıklarda, yüklerde, ortamlarda ve aşınma aşamalarında sabit bir sürtünmeye ihtiyaçları vardır [1]. Çalışma üç ayrı aşamadan oluşmaktadır: EM-F'in manyetik tasarımı, EM-F'nin aşınma yüzeyinin tribolojik davranışlarını incelenmesi ve frenleme performans testlerinin gerçekleştirilmesi. Bu doğrultuda, sürtünme yüzeyleri belirli kaplama proseslerine sokularak tribolojik davranışları incelenmiştir. Tribolojik davranışlar ile frenleme performansı arasında ilişki kurulmuştur. Bu amaçla ilk önce elektromanyetik fren manyetik ve mekanik olarak tasarlanmıştır. Sürtünen yüzeyin (balata) manyetik tasarım gereği yumuşak manyetik malzeme olması gerektiğinden EN 10087 standardına uygun olarak üretilen 11SMn30/11SMn37 yumuşak manyetik çeliği üzerine, TiAlN, AlCrN ve TiSiN malzemeleri Fiziksel Buhar Biriktirme (FBB) prensibine dayanan Katodik Ark Biriktirme (KAB) yöntemi ile kaplanmıştır. EM-F uygulamalarında ihtiyaç duyulan yüksek sürtünme katsayısı ve yüksek aşınma direnci sistemin zorluğunu oluşturmaktadır. TiAlN, AlCrN ve TiSiN kaplamalar, yüksek hızlarda etkili aşınma davranışı, yüksek termal stabiliteye sahip olması ve yüksek çalışma sıcaklıklarında bile yüksek korozyon direncine sahip olması ve değişken çalışma koşullarında sürtünme katsayısını koruyabilmesi nedeniyle bugünün aşınma ve sürtünme endüstrisinde geniş kullanım alanına sahiptir. Yapılan deneysel çalışmalar EM-F balatasının 3 farklı kaplama malzemesi ile kaplanması sonucunda yüzey özelliklerinin karakterizasyonu, kaplanan balataların yine fren içerisindeki karşıt sürtünme yüzeyine olan (11SMn30/11SMn37) sürtünme davranışının, oda sıcaklığı, normal atmosfer şartlarında ve farklı rotasyonel hızlarda kuru kayma şartları için belirlenmesini ve belirlenen bu tribolojik özelliklerin frenleme performansı ile karşılaştırılmasını içermektedir. Bu deneysel çalışmalar sonucunda yüzey pürüzlülüğün aşınma davranışında önemli bir etkisi olduğu sonucuna varılmıştır.
Development of composite anode materials for high capacity sodium-ion batteries

(Graduate School, 2022-04-19) Eroğlu, Ömer ; Kızıl, Hüseyin ; 521142009 ; Materials Science and Engineering

The demand for lithium-ion batteries has ever increased in almost all portable electronic devices and electric vehicles nowadays. However, it is believed that this increasing demand for lithium-ion batteries in these applications could potentially be limited due to the scarcity of lithium resources in the world's known lithium reserves, which could significantly affect the cost and availability of lithium in the future. Sodium is the fourth most abundant element on earth, and sodium reserves are spread over a wide area. At the same time, the amount of lithium in the earth's crust is only 20 ppm, while the abundance of Na in the earth's crust is about 2%. Thus, sodium ion batteries are considered an economical alternative energy source to lithium-ion batteries in the future. As a result, research and development of appropriate anode, cathode, electrolyte, separator, and binder for sodium ion batteries with high electrochemical performance is required. In this doctoral thesis study, three alternative anode materials for sodium ion batteries were synthesized and tested. The first part, it is aimed to improve the electrochemical properties of titanium dioxide by doping with an iron atom at various ratios of titanium dioxide. In the second part, to improve the low electrochemical performance of titanium dioxide, one-dimensional anode material was synthesized by the electrospinning method. In the third part, a composite anode material with polyaniline polymer was synthesized as a solution to the pulverization of tin oxide anode material due to high volume expansion by the sodium ion alloying reaction.
Metalik damar stentlerinde restenoz riskini azaltıcı ve doğal endotelizasyon hızlandırıcı yenilikçi kaplamalar

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-05-10) Yelkarası, Çağatay ; Ürgen, Mustafa ; 521142003 ; Malzeme Bilimi ve Mühendisliği

Günümüzde, çıplak (kaplamasız) metalik stentlerin en büyük sorunlarından birisi stentleme yapılan bölgenin tekrardan tıkanmasıdır (restenoz). Bu çalışmada, nano boyutlarda desenlere sahip yüzeylerin canlı hücreler ile etkileşimleri üzerine yapılan son araştırmalara dayanarak, kardiyovasküler stent yüzeyleri üzerinde nanodesenler oluşturarak restenoz risklerinin azaltılabileceği fikri ortaya çıkmıştır. Buradan hareketle biyouyumluluğu kanıtlanmış titanyum ve zirkonyum metalleri, 316 LVM paslanmaz çelik altlıklar üzerine, elektron demeti ile buharlaştırma (EDB), katodik ark (KAFBB) ve manyetik alanda sıçratma (MAS) temelli fiziksel buhar biriktirme yöntemleri ile çeşitli morfolojilerde kaplanmış ve bu yüzeyler üzerinde nanodesenler oluşturulması amacı ile çeşitli ardıl işlemler yapılmıştır. Öncelikle, EDB ile eğik ve şekilli titanyum ve zirkonyum filmleri, doğrudan nanoyapılı olarak 316 LVM paslanmaz çelik üzerine kaplanmıştır. Ancak, plastik deformasyona tabii tutulduklarında bu kaplamaların yüzeyden döküldüğü görülmüştür. Nano yapıların tabana yapışma özelliklerinin geliştirilmesi amacı ile yapılan ısıl işlemlerin de kaplama stabilitesinin yeterli düzeyde artıramadığını gösterilmiştir. Kaplamaların ısıl işlem öncesi ve sonrası kan uyumuna sahip olmadığı, ek olarak yapılan oksijen plazması işleminin de bu durumu değiştirmediği görülmüştür. KAFBB yöntemi ile titanyum ve zirkonyum kaplanan 316 LVM numunelerinde ise yüzey homojenliğini bozan makro parçacık oluşumları görülmüştür. Yüzeyde nanoyapıların oluşması ve bu makro parçacıkların dökülmesi için kaplı numuneler farklı parametrelerle anodizasyon işlemlerine tabi tutulmuştur. Anodizasyon sonucunda nanoyapıların oluştuğu görülmüş, ancak makro parçacıkların dökülmediği gözlenmiştir. Takiben yapılan ultrasonikasyon işleminin de bu makro parçalıkların dökülmesinde başarısız olduğu görülmüştür. Son olarak, MAS yöntemi ile kaplama denemeleri yapılmış ve sonuç olarak oldukça homojen titanyum kaplamalar elde edilmiştir. Titanyum kaplanmış 316 LVM paslanmaz çelikler üzerinde nanoyapıların elde edilmesi amacı ile anodizasyon işlemi yapılmış ve işlem sonucu elde edilen gevrek TiO2 nanotüp/nanopor yapısının plastik deformasyon altındaki mekanik dayanımlarının oldukça düşük olduğu görülmüştür. Bu sebeple, nanotüplü bölgeler ultrasonikasyon işlemine tabi tutulmuş ve nanotüpler yüzeyden uzaklaştırılmıştır. Ultrasonikasyon işleminin ardından oksit katmanının yüzeyden uzaklaştırılmasıyla, altta kalan metalik yüzey üzerinde kesik küreler şeklinde, 100 nm çap ve 20 nm derinliğinde sahip desenlerin oluştuğu görülmüştür. 500 nm kalınlığındaki bu nanodesenli metalik kaplamanın en üst yüzeyinde 5 nm kalınlığında TiO2 ve florlanmış titanyum olduğu tespit edilmiştir. Eğme testi sonucunda, bu nanodesenli yapının mekanik dayanımlarının nanotüplü bölgeden çok daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Mekanik olarak stabil olduğu kanıtlanmasının ardından bu nanodesenli numunelere, proje ortağımız Josef Stefan enstitüsü ile ortak olarak, biyouyumluluk testleri (MTT ve kan uyumu deneyleri) uygulanmıştır. Ek olarak, bu numunelere oksijen plazma işlemi yapılarak florlanmış titanyum tabakasının üst yüzeyden uzaklaşması sağlanmış ve bu kimyasal değişimin biyouyumluluk üzerindeki etkisi de ek olarak araştırılmıştır. MTT testleri sonucunda; nanodesenli numuneler üzerinde endotel hücrelerinin çoğalma hızının arttığı, restenoza sebep olan düz kas hücrelerinin çoğalma hızının ise yavaşladığı gözlenmiştir. Oksijen plazma işleminin ise, bu etkileri daha belirgin hale getirdiği gözlenmiştir. Nanodesenli bu numunelerin sadece oksijen plazması işleminin ardından kan uyumuna sahip olduğu gösterilmiştir. Bu tez çalışması sonucunda elde edilen bu yenilikçi yüzey işlemleri ile stentlere uygulanabilecek, ilaç kullanmadan restenoz riskini düşürebilecek, endotelizasyon hızını artırabilecek, pıhtı oluşumunu engelleyen bir kaplama presesi geliştirilmiştir. Aynı zamanda, biyoimplantların biyouyumluluğu artırmak için yapışması yetersiz anodik oksit katmanlarının büyütülmesine gerek olmadığı; benzer boyutlarda nanodesenlere sahip, üzerinde sadece 5 – 10 nm kalınlığında oksit bulunduran yüzeylerin de bu amaç için yeterli olduğu ortaya çıkmıştır.
İyon değiştirici reçine ile atık sulardan demir geri kazanımı

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-07-07) Arslan, Emine ; Gökoğlu Zeytuncu, Bihter ; 521071007 ; Malzeme Bilimi ve Mühendisliği

Endüstriyelleşmenin gelişmesi ve dünya nüfusunun artmasıyla birlikte üretimde ve tüketimde artış ve beraberinde en temel ihtiyaçlarımızdan olan hava, su ve topraklarımızın kirliliğini getirmiştir. Oluşan bu kirlilikle toksik maddeler oluşmakta, canlılar ve ekosistem için zararlı etkileri olmaktadır. Endüstriyel ve evsel atık sularının temizlenerek tekrar kullanımının sağlanması ile ekosistem döngüsüne kazandırılması, içerisinde insan ve canlıların sağlığına etki edecek zararlı toksik maddelerin uzaklaştırılması, değerli metallerin geri kazanımı çalışmaları endüstriyelleşmenin gelişmesi, nüfus artışı ve iklim değişikliğiyle birlikte hayatımıza girmiştir. Yeni endüstriyel teknolojilerin hızla kullanıma girmesi, oluşan atık suların içeriklerini de her geçen gün değiştirmektedir. Doğanın dengesinin korunabilmesi için, atık suların geri kazanımı, bu işlemin verimi ve kalan atıkların uygun bir şekilde bertaraf edilmesi gerekmektedir. Günlük çeşitli endüstriyel, evsel ve tarımsal faaliyetler sonucu oluşan kirleticiler içerisindeki ağır metaller toprağa ve suya karışırlar. Sulardaki ağır metallerin sulu ortamlarda yüksek çözünürlükleri ve biyolojik olarak bozunmamaları canlılar için her geçen gün ciddi risk oluşturmaktadır. Endüstriyel atık sulardan ağır metallerin uzaklaştırılması üzerine yeni ileri teknolojik çalışmalar uzun bir süredir devam etmektedir. Son yıllarda iyon değiştirici reçineler kullanılarak adsorpsiyon teknikleri ile ağır ve değerli metallerin uzaklaştırılması üzerine çalışılmaktadır. Adsorpsiyon tekniğinin ekonomik olması, uygulanabilirliğinin basit ve kolay olması, adsorban olarak kullanılan reçinelerin birden fazla kullanılabilme özelliği, çevre dostu olması ve yüksek kalitede katma değerli ürünlerin elde edilmesi nedeniyle önem kazanmaktadır. Bu tez çalışmasında, endüstriyel atık suyundan iyon değiştirici reçine kullanılarak canlıların sağlığı ve hayatı için riskli olan demir metalinin geri kazanım performansı incelenmiştir. Katı adsorban olan reçineyle, kullanılan çözeltinin adsorpsiyon hız ve denge ilişkileri incelenmiş, deneysel veriler izotermler aracılığı ile araştırılmıştır. Bu çalışma için daha önce yapılmış literatür çalışmaları araştırılmış ve yorumlanmıştır. Çalışmanın ilk kısmında, adsorpsiyon teknolojileri, adsorpsiyon tarihçesi, adsorpsiyon türleri, adsorbanların sınıflandırılması ve atık su özellikleri detayları ile açıklanmıştır. Kirleticilerin uzaklaştırılmasında adsorpsiyon tekniklerinin önemi açıklanmıştır. Çalışmanın ikinci kısmında adsorpsiyon izoterm modelleri, adsorpsiyon kinetiği, adsorpsiyon termodinamiği ve adsorpsiyona etki eden faktörler teorik olarak açıklanmıştır. Çalışmalarda kullanacak olduğumuz reçine (Lewatit Monoplus TP 209 XL) ile standard demir (Fe) çözeltisi kullanılarak deney için en uygun olan pH değeri tespiti gerçekleştirilmiştir. Ardından standard demir çözeltisi kullanılarak adsorpsiyon için en uygun sıcaklık, zaman ve adsorban miktarı incelenmiştir. Ardından orijinal atık su çözeltisi ile iyon değiştirici reçine kullanılarak atık suyundan demirin geri kazanımı incelenmiştir. Böylece, atık sularından demirin geri kazanımının hangi şartlarda maksimum seviyeye ulaşılacağı tespit edilmiştir. Langmuir ve Freundlich izotermleri kullanılarak hesaplamalar yapılmış, ayrıca, elde edilen verilere göre birinci ve ikinci dereceden kinetik denklemleri aracılığıyla kinetik çalışma da yapılmıştır. Standard Fe çözeltisi ile yapılan çalışmaların sonucuna göre elde edilen optimum şartlara göre KUYAŞ'tan (Kuyumcukent Gayrimenkul Yatırımları A.Ş) temin edilen gerçek atık su çözeltisi kullanılarak adsorbanın adsorpsiyon performansı belirlenmek üzere deney yapılmıştır. Son olarak reçine ile demir giderimi ile ilgili yapılan deneysel çalışmalardan ve sonuçlarından bahsedilmiştir.
Çelik üzerinde titanyum karbür katmanlarının katodik ark fbb temelli yayındırma yöntemi ile üretilmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-07-22) Kaçar, Erkan ; Ürgen, Mustafa Kamil ; 521142007 ; Malzeme Bilimi ve Mühendisliği

Çelik yüzeylerine yaygın olarak uygulanan geçiş metali karbürü kaplamalar, çeliğin aşınma ve korozyon dayanımını artırmanın yanında yüksek sıcaklıklarda da kullanıma uygun refrakter karbürlerdir. Geçiş metali karbür katmanları çelik yüzeylerinde farklı yöntemler ile oluşturulabilmektedir. Bu refrakter karbürlerin üretiminde en yaygın kullanılan metot termoreaktif difüzyon (TRD) metodudur. TiC katmanların üretiminde ayrıca kimyasal buhar biriktirme metodu (KBB) veya fiziksel buhar biriktirme yöntemi (FBB) gibi yöntemler de kullanılmaktadırlar. TRD yönteminin yaygın kullanımın sebebi ilk kurulum maliyetlerinin düşük olmasının yanında yayınma esaslı bir üretim yöntemi olması sebebiyle, kaplamanın çelik yüzeyine adezyonunun da yüksek olmasıdır. Yöntemde karbon kaynağı olarak altlık çeliğin karbonu kullanılır. Bu nedenle KBB ve FBB ile yapılan işlemlerle de çeliğin karbonunu kullanarak karbür katmanları oluşturulmasına yönelik çalışmalar yapılmaktadır. KBB yönteminde üretim sıcaklıkları yüksek olduğu için yayınma esaslı bu üretim yöntemi tek bir adımda yapılabilirken, FBB yöntemi ile yayınma esaslı üretim ise önce metal kaplanması sonrasında ise ısıl işlemle karbon difüzyonu şeklinde iki adımlı bir proses ile mümkün olabilmektedir. Bu çalışmada amaçlanan ise; grubumuzda geliştirilen ve yüksek sıcaklıklarda katodik ark FBB yöntemi ile kaplama-yayındırma imkanı veren yeni bir yöntem olan katodik ark elektron metal iyon prosesi (Ka-EMİP) yöntemi ile yayınma esaslı geçiş metali karbürlerinin tek bir adımda üretiminin sağlanmasıdır. Bu amacı gerçekleştirmek için katodik ark FBB cihazı ve AA hızlandırma voltajı ile 1000 ⁰C ve üzerindeki sıcaklıklarda titanyum kaplanması ve karbonun bu titanyum tabakasına yayındırılması ile TiC katmanların üretimi üzerinde çalışılmıştır. Çalışma beş ana başlık altında toplanmıştır: I. Süreç sırasında Ti-Fe-C ve Ti-Fe arasında gelişen reaksiyonlar sonucu oluşabilecek fazların ve kullanılabilecek parametrelerin tespiti için yapılan ön çalışmalar. II. Titanyum akısının filmlerin büyümesi ve niteliği üzerindeki etkisinin araştırılması. III. TiC tabakasının büyüme kinetiğini ve aktivasyon enerjisinin saptanması. IV. TiC tabakasında ve bu tabakanın üzerinde demirin varlığının ve ilerleyişinin sistematik araştırılması. V. Üretilen numunelerin sertlik ve kavitasyon dayanımı testleri. Yapılan ön çalışmaların amaçlarından birisi karbonun olmadığı durumda yüzeye gelen titanyumun çelik ile oluşturduğu fazların tespit edilmesidir. Bu amaçla düşük karbon içeriğine sahip çelik numunelerin yüzeyi 1100 ve 1200 ⁰C sıcaklıklarda titanyumlama işlemine tabii tutulmuştur. Bu titanyum yayındırma deneyleri ile titanyum-demir alaşımlarını ve intermetaliklerinin oluşabildiği ve intermetalik oluşumunun yayınmayı yavaşlattığı tespit edilmiştir. Ön çalışmaların bir diğer amacı ise kullanılabilecek çelik kalitesinin tespit edilmesidir. Bu amaçla 0,55 ile 0,90 aralığında karbon içeren farklı numuneler işleme tabii tutulmuştur. Bu deneyler sonucunda ise 0,55 ve üzeri karbon ihtiva eden çeliklerin üzerinde TiC tabakasının bu çalışmada kullanılan yöntem ile üretilebileceği görülmüştür. Kullanılan yöntemde birbirinden bağımsız kontrol edilen üç farklı değişken bulunmaktadır bunlar; işlem sıcaklığı, işlem süresi ve yüzeye gelen titanyum akısıdır. Titanyum akısının etkisinin araştırılması için de 60-110 A aralığında katot akımları ile deneyler yapılmıştır. Bu deneylerden 1200 ⁰C sıcaklık ve 30 dakika işlem süresinde 90 A katot akımına kadar TiC tabaka büyümesinin titanyum akısı ile kontrol edilebildiği bu akımın üzerinde çalışıldığında fazlalık titanyumun TiC tabakasının üzerinde biriktiği görülmüştür. TiC oluşum kinetiğinin çıkartılması amacıyla yapılan sıcaklık ve süreye bağlı deneylerde yüzeye gelen titanyum akısı yüksek tutularak yüzeyde her zaman metalik titanyum tabakası olması sağlanmış bu sayede de büyüme kinetiği yalnızca karbon difüzyonuna bağlı hale gelmiştir. Üç farklı sıcaklıkta (1000, 1100 ve 1200 ⁰C) ve 4 farklı sürede (5, 10, 20 ve 40 dk) üretilen numune kesitleri elektron mikroskobu ile incelenerek TiC katman kalınlıkları ölçülmüştür. Bu deneylere göre TiC büyüme kinetiği parabolik hız kanununa uymaktadır. Deney verileri ile hesaplanan TiC büyümesine ait aktivasyon enerjisi TRD yöntemi ile hesaplanandan düşük çıkmıştır. Yine bu deneylerde 1100 ve 1200 ⁰C sıcaklıkta üretilen numunelerde TiC tabakası üzerinde biriken metalik titanyum tabakası içerisinde demir olduğu ve bu demirin tabaka boyunca yayınarak alfa-beta titanyum yapılarının oluşmasına yol açtığı gözlenmiştir. Buna karşılık 1000 ⁰C sıcaklıkta üretilen numunelerde metalik titanyum tabakasında demir gözlenmemiştir. Sıcaklığa bağlı olarak yüzeyde biriktirilen titanyum tabakasına karbonun yanında demirin de girebildiği gözlenmiştir. Yüzeyinde metalik titanyum birikmesine izin verilmediği koşullarda (düşük katot akımı ile üretilen numuneler) yapı içerisine giren demirin TiC tabakasının üzerindeki makro parçacıklarla ilişkili bir dağılım gösterdiği görülmüştür. Bu demir yayınımının ve yapı içerisindeki dağılımının araştırılması için 1000 ve 1100 ⁰C sıcaklıklarda numuneler üretilerek demirin davranışı incelenmiş hem de 1200 ⁰C sıcaklıkta yapılan kısa süreli üretimlerle prosesin başlangıcından itibaren demirin yapıya giriş nedenleri araştırılmıştır. Yapılan deneyler sonucunda demirin yalnızca 1100 ve 1200 ⁰C sıcaklıklarda TiC tabakasının üzerine yayınabildiği görülmüştür. Kısa süreli üretimler ise prosesin başlangıcında sürekli bir TiC tabakası oluşmadan önce demirin titanyum ile bileşikler oluşturduğunu ve sürekli TiC tabakasının oluşmasının ardından ise yapı içerisine girmiş olan demirin sürekli karbürlenmemiş bölgelere doğru taşındığı saptanmıştır. Makro parçacık bölgeleri yüzeye göre çıkıntı halinde oldukları ve karbürlenmemiş titanyum içerdikleri için de demir sürekli olarak makro parçacıklar içerisinde toplanmaktadır. Üretilen TiC katmanlarının sertlikleri yüzeylerden ve kesitlerden nanoindentasyon yöntemi ile ölçülmüştür. Kesitlerden alınan sertlik ölçümlerine göre en yüksek sertlik değerinin 30 GPa ile çelik arayüzeyine yakın küçük taneli bölgede olduğu görülmüştür. Yüzeylerden alınan TiC tabaka sertliği ise 24-28 GPa arasında değişmektedir. Üretilen demirli ve demirsiz TiC tabakalarının kavitasyon erozyonu dayanımının ölçülmesi için ultrasonik yöntem ile yapılan kavitasyon dayanımı testleri sonucunda 1000 °C sıcaklıkta üretilen ve demir içermeyen numunede kavitasyon hasarlarının makro parçacık noktalarından başladığı ve bu başlangıç hasarlarının genişlemesi ile ilerlediği gözlenmiştir. 1100 ⁰C sıcaklıkta üretilen ve makro parçacık bölgelerinin yanında matriste de demir bulunduran numunelerde hasar demirin en az olduğu makro parçacık civarlarından başlamıştır. Ancak demir içermeyen numuneden farklı olarak ilk oluşan hasarların çok fazla genişleyemediği ve hasarın yeni bölgelerin açılması şeklinde ilerlediği gözlenmiştir. 1200 ⁰C sıcaklıkta üretilen numunede ise demir makro parçacık bölgelerinde yoğunlaşmaktadır. Bu numunelerde ergiyen TiFe bileşiklerinin katılaşması sonucu oluşan çekilme boşluklarının hasarın başlama noktaları olduğu görülmüştür. Bu numunede hasar hem bir çok farklı noktadan başlamış hem de çok hızlı ilerlemiştir. Demir içeren numunelerde kavitasyon erozyonuna karşı en dayanıklı bölgelerin demirce zengin bölgeler olduğu görülmüştür. Hem 1100 hem de 1200 ⁰C sıcaklıklarda üretilen numunelerde 270 dakikalık test süresinin sonunda bile yüksek demir içeren makro parçacık bölgelerinin hasara uğramadığı gözlenmiştir.
Development of diffusion bonding processes for metal alloys to use production of pche

(Graduate School, 2022-07-29) Erol, Ahmet Furkan ; Kazmanlı, M Kürşat ; 521171018 ; Material Science and Engineering

The phase state of carbon dioxide above the critical pressure and critical temperature is called supercritical CO2 (sCO2). Since the density of sCO2 at the critical point is higher than the density of the liquids at the critical point, it allows the pumping power in the compressor to be greatly reduced, thus increasing the efficiency of thermalelectrical energy conversion. The sCO2 cycle has great potential in waste heat recovery systems, air-independent propulsion systems, due to its high power density, high efficiency, compact and modular structure. In order to use a heat exchanger in the sCO2 cycle, a compact heat exchanger resistant to high pressure and temperature should be developed. In order to develop a heat exchanger that will meet these requirements, the diffusion bonding process, which can be applied in complex geometries, provides strength as much as the base material, and has high corrosion resistance, comes to the fore. Since the heat exchangers that can meet the high pressure and high temperature requirements of sCO2 are printed circuit heat exchangers (PCHE) type heat exchangers, the diffusion coupling method developed within the scope of the thesis has been used in the production of printed circuit heat exchangers. Heat exchangers are equipment that allow the heat energies of two fluids to pass from a high temperature fluid to a low temperature fluid. In some areas of use, it is of great importance that the heat exchanger designs be compact and resistant to high pressure and high temperature. Printed circuit heat exchangers (Printed Circuit Heax Exchanger-PCHE) come to the fore because they are one of the types of heat exchangers that meet these conditions. The compactness, high pressure and temperature resistance of this type of heat exchanger is directly related to the production method of the heat exchanger. Diffusion bonding has been used in the production of micro-channel heat exchanger, which is the subject of this thesis, because of the precision welding process requirement. In addition, the strength of the weld in the region of diffusion bonding is in some cases as much as the base material. In printed circuit heat exchangers, micro-channel plates are placed on top of each other to ensure heat transfer between the fluids with counterflow in the channel. When two plates are welded together in order to withstand high pressure and temperature, the strength of the weld area must be either the same or close to the base material. In addition to the fact that traditional welding methods (melt welding, solder, etc.) cannot provide as much strength as diffusion bonding welding, the material pairs that can be used in traditional welding methods are limited. Not every material can be welded with each other. Material selection possibilities are wider in diffusion bonding method. The diffusion bonding process, which plays a critical role in the production of heat exchangers mainly due to such advantages, has been developed within the scope of this thesis. The basis of the diffusion bonding process is explained by the diffusion mechanism. Concentration and concentration changes, which are the basic parameters in the diffusion process, are revealed by Fick's laws. Diffusion takes place on an atomic scale between the materials to be used in diffusion bonding. The diffusion coupling mechanism has been studied in this context. The parameters affecting the diffusion bonding are: temperature, pressure, time, surface quality and atmosphere where diffusion bonding takes place. The parameters optimized in the thesis work are temperature, pressure and time. Surface quality and atmosphere were kept constant in each sample. 316L stainless steel material was chosen for use in heat exchanger design due to reasons such as resistance to high temperature, resistance to high pressure, that is, high strength, cheap and easy availability, and suitability for the diffusion bonding process. For this reason, 316L stainless steel is used in the diffusion bonding process. The properties of 316L stainless steel material are explained in the thesis. In addition to diffusion bonding of 316L-316L material pair, samples using nickel as intermediate material were also examined. The test matrices of the relevant samples were prepared and sample optimization was made. Temperature, pressure and time were used as optimization parameters. 316L-316L and 316L-Ni-316L samples were also tested with destructive and non-destructive examinations using these optimization parameters, and the test results were also compared. Tensile test and microhardness test were performed as tests of samples prepared within the scope of destructive testing. Optical microstructure examinations, SEM and EDS examinations were also carried out within the scope of non-destructive examination. The prepared samples were examined and evaluated. As a result of the literature search, all samples were prepared under 8.5 MPa pressure and in Argon atmosphere. In the study, first of all, temperature optimization was made. The samples prepared at 950°C and 1050°C were fixed for 60 minutes and compared. As a result of the temperature optimization, it was observed that the samples prepared at 950°C and 60 minutes failed the tensile tests. In the second optimization phase, the temperature was kept constant at 1050°C and the optimization was made for 120 and 180 minutes and the results were evaluated. It has been seen in tensile tests, 316L-Ni316L diffusion bonding sample produced at 1050°C for 180 minutes, under 8.5 MPa pressure and argon atmosphere gave the best results. In the tensile test, the maximum tensile stress was measured as 407 MPa. As a result of the development of the diffusion bonding process, a printed circuit heat exchanger (PCHE) was produced by using the sample parameters that gave the best results as a result of the tensile tests. The heat exchanger was tested in a test bench installed at 80 bar, 453°C. The parameters have been measured. It has been seen that it meets the technical requirements in terms of performance. In addition, the hydrostatic test of the heat exchanger was carried out at 200 bar at room temperature using water as a fluid, and the leak test was carried out under 10 bar pressure at room temperature by blowing air into the heat exchanger and foaming the outside with a special solution. The heat exchanger has successfully passed these tests as well. Thus, the diffusion bonding process developed for the designed printed circuit heat exchanger (PCHE) was successfully carried out.
Investigation of joncryl chain extender reactivity with amorphous and semicrystalline polylactide

(Graduate School, 2022-08-12) Akdevelioğlu, Yavuz ; Nofar, Reza M. ; 521201018 ; Material Science and Engineering

Plastic pollution has become one of the major concerns of the millennia and if proper precautions are not taken today, it would be much harder to address tomorrow. Plastics have become an integral part of modern world but the same care has not been given on their sustainability over their production and consumption. Biopolymers can fill an important niche in helping overcome this problem since these polymers can easily fulfill the requirements of commodity plastics and replace them without needing to sacrifice quality or performance. Polylactide or poly(lactic acid), PLA for short, is one such biodegradable polymer that has comparable qualities to PET and PS which make up a good portion of the commodity plastics, with an added benefit of being sustainable and environmentally friendly. Unfortunately, PLA has some drawbacks that has to be addressed before it can see wider use than it has today. These shortcomings can be summarized as slow crystallization kinetics, low melt strength, low thermal stability and brittleness which makes the processing and application of PLA a challenge. From the increasing number of studies being done on PLA, it was revealed that these properties can be improved with the usage of chain extenders. One such chain extender with an exceptional track record among others is Joncryl ADR, which is a commercially available oligomeric styrene-acrylic-epoxy based multifunctional chain extender. Studies on Joncryl ADR have shown that incorporation of small amounts of this chain extender improves melt strength and thermal stability considerably without compromising its biodegradability and food-safety. Since its introduction, the application of Joncryl ADR has found usage not only on improving melt properties but also acting as compatibilizer in blends and nanocomposites which opens up the usage are of Joncryl ADR even more since blending and nanocompositing also improves the lacking qualities of PLA without requiring expensive processes. Fundamental studies of Joncryl ADR have shown that the epoxy groups on the oligomer is very reactive with the end groups of PLA. During epoxy ring opening reaction, the carboxyl end groups of PLA combines with Joncryl to form long chain branches and since Joncryl has multiple epoxy groups, the resulting structure becomes highly branched. Linear PLA has low melt strength because of weak and limited amount of physical entanglements linear molecules possess. Moreover, entanglements of linear PLA are directly related to its molecular weight, which is further reduced during processing because of thermal degradation. Introduction of highly branched structures by Joncryl allows more physical entanglements to be formed through the long chain branching while same branching reactions also surpass the thermal degradation and increase the molecular weight of PLA. Highly branched structures also impart strain hardening behavior to PLA and improve the melt strength even further. However, highly branched structures also reduce crystal perfection and total crystallinity of semicrystalline PLA but can also improve crystallization kinetics to reduce the total amount of cold crystallization. In this scientific work, two distinct epoxide-based oligomeric chain extenders, Joncryl ADR 4468 (high functionality) and Joncryl ADR 4400 (low functionality), were processed using an internal melt mixer with amorphous PLA (aPLA) and semicrystalline PLA (scPLA). Small amplitude oscillatory shear (SAOS) and elongational rheological tests were employed along with differential scanning calorimetry (DSC) and Fourier transform infrared spectroscopy to investigate the samples that were prepared with and internal melt mixer. When compared to their unmodified counterparts, Joncryl 4468 and 4400 both increased the melt viscosity and thermal stability of PLAs, according to rheological measurements. Since higher functionality allowed for more branching and physical entanglement, the addition of Joncryl 4468 led to a greater improvement in the melt behaviors of both PLAs when compared to lower functionality of Joncryl 4400. When compared to those of scPLA, the melt characteristics of aPLA improved even more with both Joncryl. This might be the result of aPLA's greater optical isomer content, which imparts lower chain mobility and boosts physical entanglements. Increasing the processing temperatures also increased the reactivity of Joncryl, as higher temperatures imparted both higher mobility to PLA and lowered the activation energy of epoxy ring opening reactions. The elongational rheology showed that unmodified aPLA, which had linear geometry, had the lowest melt strength that was also further reduced with increasing processing temperatures. On the other hand, Joncryl modified aPLA samples had higher melt strength as processing temperatures increased, with Joncryl 4400 imparting strain hardening behavior at the highest processing temperature and Joncryl 4468 in all of the temperatures. According to DSC analysis, scPLA samples displayed enthalpy relaxation and cold crystallization during first heating, which was followed by slow cooling (2oC/min) and fast second heating (10oC/min) programmes. Chain extender addition was shown to shift the crystallization temperature (Tc) to lower temperatures while broadening the crystallization peak and reducing its intensity, suggesting that perfect crystal ordering was made more challenging. Since Joncryl 4468 introduced higher branching than Joncryl 4400, this effect was more pronounced for the former. It was established that aPLA exhibited no crystallization behavior and that the addition of chain extenders had not imparted any crystallization behavior either. Glass transition temperature (Tg) of both PLA were impacted with Joncryl addition, however for aPLA it was the reason was dense branching while for scPLA it was changing crystallinity. FTIR spectroscopy also revealed that Joncryl 4400 modified scPLA samples had distinct peaks at 1640 and 1538 cm-1 that signified Joncryl reactivity but were not detected in unmodified or Joncryl 4468 modified samples. Furthermore, aPLA samples had a broad peak between 3700-3100 cm-1 that corresponded with degradation and epoxy ring opening reactions.
Surface modified cellulose nanocrystal incorporated nanocomposites

(Graduate School, 2022-09-02) Arslan, Osman Nuri ; Nofar, M Reza ; 521201009 ; Material Science and Engineering

Cellulose nanocrystal (CNC) can be a good alternative to be used as a nanofiller in polymer matrix because of its superior properties such as lightweight, high mechanical strength and elastic modulus, high surface area, etc. Also, CNC has abundant sources and biodegradable material. It is obtained from a variety of cellulose sources. Thanks to these properties, eco-friendly nanocomposites can be produced. On the other hand, it includes a significant drawback. Due to their hydrophilic nature, CNC shows agglomeration in the polymer matrix, especially in the hydrophobic polymer matrix. In the literature, successful results were obtained for CNC nanocomposites by using the solution casting method. However, the solution casting method is not suitable for large-scale production and is not environmentally friendly due to using of solvents such as DMF, THF, etc. Compared to the solution casting method, melt mixing is environmentally friendly as no solvent is used in the production steps. Also, this method can give information about large-scale production. Despite these advantages, agglomeration of CNC is a noticeable drawback for CNC nanocomposites which are produced by using the melt mixing method. To eliminate this drawback, CNC can be modified with some chemical structures by using modification methods such as esterification, amidation, and polymer grafting. In this study, the aim is to obtain a new nanofiller with modification of CNC and produce bionanocomposites since a majority of petroleum-based polymers cause non-degradable wastes in the environment. To solve this problem, biodegradable polymers are crucial. These polymers such as Poly (butylene adipate terephthalate) (PBAT) have a significant potential to be used in commodity and biomedical applications, whereas PBAT cannot show sufficient mechanical properties and its mechanical strength and elastic modulus can be improved with some changes in the structure, for instance, the addition of CNC. In this study, CNC was modified with PGMA by using the grafting from method. Before the modification step, neat PGMA was synthesized and added to the PBAT matrix to observe the effects of PGMA on PBAT. In the PGMA modification of CNC, the polymerization reaction took place on the CNC surface and FTIR analysis was performed to determine changes in chemical structure. In FTIR analysis, a peak at 1725 cm-1 which is related to C=O was obtained. Modified CNCs were introduced in the PBAT matrix with 3 wt.%. Following the production step, thermal and rheological analyses were performed to characterize specimens. With thermal analysis, crystallization behavior and thermal properties were determined as well as with rheological analysis, improvement of dispersion was detected. For PBAT/CNC-g-PGMA5, a dramatic increase was obtained.
Processing-structure-property relationship in injection molding of PP based compounds and composites for automotive applications

(Graduate School, 2022-09-15) Özünlü Girginer, Burcu ; Güner, Seniha ; 521092009 ; Material Science and Engineering

Plastic as an engineering material is one of the pioneer research topics due to its properties such as lightweigt, recyclablity and easy to process. Therefore, it has been extensively used in the numerous industry from automotive to packaging. As a result of the developments in polymer technology, plastic has risen to the level of engineering and/or high-tech material. Plastic is a promising material to replace many materials such as metals, have high-tech material applications that find applications in the aerospace and defense industries. Injection molding method is an effective method as a fast and economical method in the processing of plastics. Many plastic parts are produced by injection method in the automotive trim parts are exterior components such as bumpers, body panels, fan carrier and vehicle interior components such as dashboard and door panels. Today, when CO2(g) emission, fuel consumption and recycling gain importance, automotive plastics are gaining priority. The process-structure-property behavior of constantly evolving material properties is a subject that needs to be investigated. In the injection molding method, plastic materials are melted by kneading with the help of a screw with the effect of heat and friction forces, and this melt is filled into a mold at high speed and cooled under certain pressure. In other words, injection molding method, solid phase plastic materials into the melt phase; It is a process in which solid phase transformation and crystallization events occur again from the molten phase. Features of plastic injection molded parts (end product); visual quality is expressed by dimensional strength and mechanical property characteristics. In this context, the properties of molded plastics; It is related to the mechanical, physical and optical properties of materials. Therefore, it depends on the crystallinity and microstructure of the materials. During the injection process, the thermomechanical interaction between the plastic material properties and the screw, mold and process conditions determine the properties of the molded part (end product). This interaction affects the molecular arrangement of the molded plastic, namely its crystallinity and microstructure, with the effect of process parameters. On the other hand, thanks to the recent developments in plastic injection technology, many innovative methods are emerging. Current examples such as multi-injection, which allows plastic and/or composite sheets to be shaped and injected, and the microcellular injection method, which enables plastics to be formed into a microcellular structure by foaming, are among these methods. With the physical microcellular injection method developed at MIT University, it is possible to keep the changes in the final product properties at a minimum level by ensuring that the cells obtained are uniformly distributed, in size and density. The targeted uniformity and size control of microcellular structure depends on material properties and process variables. In this context, the effect of the interaction between material properties and process parameters on the molded plastic part properties gains importance once again. In this study which is carried out in the automotive supplier industry, the relationship between "material properties-process parameters-end product properties" in the injection molding of automotive plastics will be examined. In this context, it is important to support the industrial development of plastic injection technologies in our country by considering the innovations in polymer materials and injection technologies at a scientific level, to create the necessary knowledge and to turn university-industry cooperation into added value. This study aims to examine the interaction between material structure and properties and process parameters and the effect on the final product properties in plastic parts shaped by plastic injection molding and microcellular injection molding methods using new generation polypropylene (PP) based thermoplastic materials, also known as automotive plastics. Within the framework of the results obtained, the development of a thermoplastic material proposal for the automotive sector suitable for both methods. In this scope, - To figure out the structure and properties of new generation thermoplastic materials, primarily PP compounds and composites, which are used in the automotive industry. - Injection behavior of novel thermoplastic materials used in automotive applications - The effect of the structure and properties of the materials on the injection process parameters and the physical and mechanical performance of the final product. - The relationship between material structure and properties and process parameters will be examined in the solution of process-related errors. In terms of the microcellular foaming method; - Application and limitation in the automotive trim plastics - Process window which is determined for the PP materials used and data related to process stability will be generated, - Investigation of the effect of microcellular foaming method process parameters on the mechanical properties of the final product are researched. -It is aimed to examine the effect of the PP material type and the amount and size of the additives used in the microcellular foaming method on the distribution, density, and size of the cells, and its relationship with weight reduction
Uçak motorlarında kullanılan ınconel 718 süper alaşımının atmosferik plazma yöntemiyle kaplanarak sürünme davranışının incelenmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-12-01) Subaşı, Ergün ; Kayalı, Eyüp Sabri ; 521052002 ; Malzeme Bilimi ve Mühendisliği

In engineering applications, the material; tensile, compression, creep, wear, buckling, corrosion and fatigue strengths are the mechanical properties that directly affect the working life of the material. There are engineering parameters that trigger these features in the background. These; effects such as applied stress, shape and magnitude of stress, ambient temperature, ambient conditions (corrosive environment), design directly affect the durability of the material during usage. While choosing the material in engineering, choosing the proper material according to the environment in which the material will be used is important in terms of material strength and cost. For this reason, it is not enough to choose the right material in terms of engineering, it is also necessary to choose the suitable material in terms of cost. While choosing the material in engineering design, the material must be made in the production process in thermo-mechanical processes (heat treatment, rolling, surface treatments, forging, coating, etc.) that increase the service life. The selection of engineering materials to be used in aviation is very important. The selected engineering material should be long-life. For this reasons; superalloys are used extensively in aviation, especially in high temperature environments in certain areas, the use of superalloys alone is not sufficient. Additional processes should be carried out according to the usage of area for the materials. In recent years, plasma spray coating is the most common thermal barrier coating (TBC) in industrial applications, plasma coating with inert gas, nitrogen or a secondary gas, hydrogen or helium under direct current with water-cooled tungsten electrode or annular water, it works by generating high voltage between the cooled copper anode. The gas is heated, decomposed and plasma flame is formed in ionized form, the flame reaches about 16650 ºC to spray any inorganic material with sufficient temperature, the inorganic material melts without decomposition. The inert gas applies a force towards the plasma flow of the coating powder, where the coating powder melts and plasticizes and precipitates on the base material at speeds of approximately 80 m/sec to 300 m/sec. With the developer cooling techniques, the surface temperature of the base material is kept low so that there is no heat treatment effect. The purpose of thermal barrier coatings; it is to increase the creep life of the material by reducing the temperatures coming to the main material used at high temperatures. Thermal barrier coatings (TBC) are usually a combination of multiple layer coatings, the top layer provides thermal insulation and the ceramic layer has the lowest thermal conductivity and is known as ZrO2 zirconia. The ceramic insulating layer is deposited on the base material alloy by interacting with the so-called oxidation resistant bond layer. The bond layer is the diffusion of aluminum, for example the bond coating of platinum aluminum or NiCrAlY. A thermally growing Al2O3 oxide layer is formed between the ceramic coating and the bond coating. The approximate thickness of each layer, respectively; ceramic layer changes from 125μm to 1000μm, the thickness of the bond coating layer changes from 50μm to 125μm, and the thermally growing oxide layer from 0.5μm to 10μm. Inconel 718 superalloy, which is widely used a material in aviation, is an alloy with high yield strength, tensile strength, fracture toughness, corrosion resistance and as well as sufficient creep strength at high temperatures, but it cannot be used for a long time at high temperatures only by aging heat treatment, additional protective processes are required for its use. One of the suitable processes to enhance for creep strength of this material is a thermal barrier coating of the material surface. In this study, aged inconel 718 specimens were coated with 100 µm bond coating (NiCrAlY ) and 250 µm (ZrO2) yttrium stabilized thermal barrier coating (TBC) by atmospheric plasma coating method. Creep rupture-tests were performed at temperatures of 750 °C, 800 °C and stresses between 250-350 MPa for TBC coated and uncoated Inconel 718 specimens. What makes this study different from similar studies is that creep-rupture tests were performed on TBC coated and uncoated Inconel 718 samples and the effect of TBC coating on creep properties of Inconel 718 material were investigated. Thus, it was determined that the creep-rupture life decreased with the increase in temperature and stress for all samples which is an expected result, at the same time, it was also observed that the creep-rupture life of the coated samples were longer than that of the uncoated samples at the same stress and temperatures. On the other hand, using Comsol finite element software, it has been determined that the temperature on the core of the base material varies depending on the rupture time. When the rupture time is short, the temperature difference between the surface and center of the coated samples is higher compared to uncoated samples, but when the rupture time is long, the temperature difference between surface and center of all samples were close each other for coated and uncoated samples. This result showed that TBC coating is more effective at the creep conditions when creep lifes are short.
The effect of europium on the oxidation of A356 alloy and pure aluminum

(Graduate School, 2022-12-14) Dizdar, Kerem Can ; Dışpınar, Derya ; 521191006 ; Materials Science and Engineering

The modification processes made during rapid solidification and heat treatment are called thermal, and the modification process made by preventing the growth of Si by adding elements from the outside is called the chemical method. The chemical method is frequently used in the industry in terms of ease of applicability. It has been observed that modifications have been made with elements such as Na, and Sr from past to present. Recently, it has been discovered that modifications occur with rare earth elements such as Eu, Er, and Yb. It is known that Sr, which is the most used element in the industry, modifies the structure by using it at the addition level of ppm. However, the Sr element has two noted disadvantages. Because of its high oxygen affinity, strontium tends to oxidize from within the liquid metal and mix with the dross. In this case, since the amount of Sr is lost over time, the modification effect decreases. In addition, it has been observed that making intermetallic with element B, which is used as a grain refiner, reduces both the grain refinement effect and the modification effect . For this reason, a search for new modifier elements has been started. Recent studies have shown that a small amount of Eu addition can modify the structure. However, the relationship of the Eu element with other elements and its oxidation behavior in the alloy has not been investigated yet. When the Richardson & Ellingham diagram is examined, it is seen that the oxygen affinity of Eu+2 is higher than that of Al. Therefore, in this study, it is aimed to investigate the effect of the Eu element on the oxidation behavior of A356 alloy in both solid and liquid states. In order to understand the Al-Eu interaction and to examine the change in oxidation behavior, the oxidation behavior of 10% Eu added Al was also investigated. Two different europium ratios (0.1 and 0.4wt.%) were selected for addition to the alloy. Characterization of these alloys was carried out. Afterwards, they were subjected to oxidation tests for 2, 4, 6, 12 and 24 hours at 500 and 750 °C. The oxidation kinetics were obtained over time by calculating the weight gain/surface area. No significant change was observed at 500 °C. The oxide layer which is formed at 750 °C and internal structure were analyzed using an optical microscope, SEM and XRD. It was observed that a MgO layer was formed on the surface after oxidation, 0.1 Eu amount had no effect on oxidation, and 0.4 Eu increased oxidation kinetics at 750 °C. In addition, it was determined that Al2Si2Eu intermetallics precipitated on the oxide surfaces. Oxidation tests were carried out similarly to the Al master alloy containing 10% Eu. In addition, the 48-hour examination was carried out to find the moment when the oxidation slowed down. As a result of the oxidation tests, it was observed that the addition of Eu greatly increased the oxidation kinetics of pure aluminum at 750 °C. When the oxide structure was examined, it was observed that an oxide layer containing Eu-Al-O was formed according to SEM analysis. According to XRD results, it is thought that Eu3O4 and Al2O3 oxides are intermixed. In addition, the hardness values were measured and it was observed that the hardness values decreased as the oxidation time increased. The oxidation behavior of the Al10Eu master alloy in the semi-solid state was investigated by exposing it to oxidation for 24, 48 and 72 hours at 650 °C. According to the results of microstructure analysis, it was observed that EuAl4 intermetallics were selectively oxidized.
Grafen ve bor nitrür katkılarının titanyum diborür – titanyum karbür kompozitlerinin özellikleri üzerine etkilerinin incelenmesi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023) Kayar, Beste Ecem ; Karadayı Akın, İpek ; 803614 ; Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

Yüksek ergime sıcaklığı ve sertliğe sahip titanyum diborür (TiB2), nozul, elektrot malzemesi, aşınmaya dayanıklı ve yüksek sıcaklık koşulları gerektiren uygulamalarda kullanılan seramiklerden biridir. Yüksek ergime sıcaklığı, güçlü kovalent bağ yapısı ve düşük öz-difüzyon katsayısından kaynaklı olarak monolitik TiB2'nin sinterlenmesi oldukça zordur. TiB2 şekillendirmesini kolaylaştırmak ve tam yoğunlaşmış malzeme elde etmek amacıyla titanyum karbür (TiC) gibi ikincil fazlar eklenerek seramik matrisli kompozitler elde edilebilir. Bu tür seramikler kırılma tokluğunu iyileştirmede etkili olmayabilirler. Kırılma tokluğunu artırmak ve toklaştırma mekanizmalarını aktive etmek için TiB2 esaslı seramikler grafen nanoplaka (GNP) ve hekzagonal bor nitrür (hBN) gibi tabakalı katkı malzemeleri ile güçlendirilebilir. Buna ek olarak, içerdiği zayıf bağ kuvvetlerinden dolayı yağlayıcı özelliği taşıyan bu malzemelerin kompozit içerisinde takviye olarak kullanılması aşınma uygulamaları için gelecek vaat etmektedir. Bu çalışmanın ilk kısmında, TiB2 içerisine farklı hacim oranlarında (%10-30) TiC eklenen kompozitler, 1700 °C SPS sıcaklığında, 40 MPa basınç altında ve 5 dakika sinterleme süresi ile spark plazma sinterleme (SPS) yöntemi kullanılarak üretilmiş ve numunelerin karakterizasyonları yapılmıştır. Ardından, en iyi "yoğunluk-mekanik özellik" kombinasyonuna sahip TiB2-TiC ikili kompozitine, GNP ve hBN olarak tabakalı malzeme eklenerek aynı yöntem ile üçlü bileşimden oluşan TiB2-TiC-GNP ve TiB2-TiC-BN kompozitleri üretilmiştir. Numuneler, yoğunluk ölçümü için Archimedes prensibi, faz analizi için X-ışını kırınımı (XRD), mikroyapı değerlendirmesi için taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak karakterize edilmiş ve farklı oranda TiC ilavesinin TiB2'nin fiziksel ve mekanik özellikleri üzerine etkisi incelenmiştir. Monolitik TiB2'de teorik yoğunluğun %97'sine ulaşılabilmiştir. Hacimce %10, 15, 20 ve 30 TiC ilavesi ile TiB2-TiC ikili kompozitlerinin relatif yoğunluğu sırasıyla %99,2, %99,5, %99,9 ve %99,5 olarak ölçülmüştür. TiC katkısı TiB2'nin densifikasyon davranışını iyileştirmiştir. XRD analiz sonuçlarında toz ve sinterlemiş TiB2-TiC kompozitleri için TiB2 ve TiC dışında herhangi bir faz oluşumu gözlenmemiştir.

Gözat

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

Sayfa başına sonuç

Sıralama Seçenekleri