LEE- Malzeme Bilimi ve Mühendisliği-Doktora
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Son Başvurular
1 - 5 / 13
-
ÖgeSızdırmazlık cam bileşimlerinin geliştirilmesi, farklı yöntemlerle şekillendirilmesi ve karakterizasyonu(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-05-10)Camlar antik çağlardan beri bilinmektedir, ancak hermetik malzemelerin elde edilmesi amacıyla camın kullanımı nispeten yeni olup, bu alanın gelişimi elektronik ve yarı iletken endüstrisinin büyümesiyle bağlantılıdır. Sızdırmazlık camları; bağlantı noktalarının, korozyon, aşındırıcılar, nem, titreşim ve sıcaklık dalgalanmaları gibi uygulandığı sistemin performansını düşüren ve/veya arızalanmasına sebep olan etkilerden korunması ve uzun ömürlü olmasının sağlanması açısından uzun yıllardır üzerinde çalışmaların devam ettiği malzemelerdir. Sızdırmazlık camlarının incelenmesi; cam bileşimlerinin tasarımı ve hazırlanması, yapışma ve difüzyon süreçleri gibi farklı konu başlıklarını ve ileri karakterizasyon tekniklerini birleştiren disiplinler arası bir araştırma alanıdır. Bu tür camların kullanımı, özellikle savunma sanayiindeki elektronik bileşenlerin, yakıt hücrelerinin, bataryaların sızdırmazlığı, diğer malzemelere hasar vermeden düşük sıcaklıkta birleştirme yapılabilen, operasyon süresince termal ve kimyasal kararlılık sağlayabilen enkapsülasyon-yapıştırma uygulamaları gibi alanlarda öne çıkmaktadır. Sızdırmazlık sağlanan/birleştirilen malzeme çeşitliliğine ve sistem gereksinimlerine göre cam bileşimleri ve formları da farklılık göstermektedir. Bu konuda yapılan uluslararası araştırma çalışmalarının çok geniş çerçevede olması tez çalışması için teşvik edici olmuştur. Bu tez kapsamında, hem yüksek sıcaklıkta faaliyet göstermesi beklenen cihaz, motor vb. yapılardaki elektrik-elektronik bileşenlerin sızdırmazlığı alanında kullanılabilen yüksek sıcaklık sızdırmazlık camları; hem de sensörler, implantlar, bazı batarya uygulamaları gibi düşük sıcaklıkta etkin sızdırmazlık beklenen sistemlerde kullanım yeri bulan düşük sıcaklık sızdırmazlık camları ile ilgili çalışılmıştır. Tez çalışması, yüksek sıcaklık ve düşük sıcaklık sızdırmazlık camlarının geliştirilmesi olarak iki aşamada gerçekleştirilmiştir. Yüksek sıcaklık sızdırmazlık camı ile ilgili çalışmalar kapsamında; baryum alkali silikat (5 farklı kompozisyonda) ve borosilikat esaslı cam fritler (3 farklı kompozisyonda) üretilerek, fritlerin karakterizasyonları X-ışınları kırınım difraktometre (XRD), diferansiyel termal analiz (DTA), yüksek sıcaklık viskozite, ısıl mikroskop optik dilatometre (HSM) teknikleri ile gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen baryum alkali silikat ve borosilikat esaslı fritlerin presleme ve sinterleme ile şekillendirilmesi (cam preform hazırlanması) yapılmıştır. Numunelerin kristalografik yapıları ve ısıl genleşme katsayılarının sıcaklığa bağlı olarak değişimi irdelenmiş, sinterleme koşullarının numunelerdeki gözenekliliğe etkisi optik mikroskop incelemeleri ile ortaya konmuştur. Belirlenen optimum koşullarda hazırlanan numunelerde cam-metal kaynağı/birleştirmesi gerçekleştirilerek yalıtkanlık ve basınç testleri yapılmış, yüksek sıcaklıkta cam-metal birleştirme uygulamalarına yönelik sıkıştırmalı ve uyumlu tipte sızdırmazlık camları başarıyla geliştirilmiştir. Ara bir üretim aşaması olan sinterleme şartlarıyla morfolojik ve mekanik özelliklerin ilişkilendirilmesi amacıyla farklı koşullarda sinterlenen camların sinterleme sonrasındaki mekanik özellikleri (eğme dayanımları), bu camlar kullanılarak hazırlanan cam-metal birleştirilmiş numunelerin mekanik özellikleri (kayma dayanımları) ve cam-metal birleştirme sonrası taramalı elektron mikroskobu- enerji dağılımlı spektrometre (SEM-EDS) ile arayüzey kesit incelemeleri gerçekleştirilmiştir. Camların üretim, sinterleme ve birleştirme sonrası faz analizleri yapılmış, amorf yapının korunduğu tespit edilmiştir. Cam-metal sızdırmazlık numunelerinin üretiminde, sinterleme esnasında yüksek gözeneklilik oluştuğunda birleştirme sonrasında da kabarcıkların büyüdüğü, ayrıca sinterleme sıcaklığı maksimum seviyelere ulaştığında cam preformların hem gözenekliliğinin arttığı hem de üzerinde difüzyon bariyeri işlevi gören sır benzeri tabaka oluştumu sebebiyle 316L paslanmaz çelik ile birleştirildiklerinde cam-metal ara yüzey tabakası kalınlığının azaldığı görülmüştür. Sinterleme şartları optimize edilerek cam preformların gözenekliliği azaltıldığında, hem preform halde hem de birleşme sonrasında mekanik dayanım artmıştır. Optimizasyon çalışmaları sonucu nispeten düşük sinterleme sıcaklıklarında çalışıldığında daha yüksek yüzey pürüzlülüğü elde edilmiş ve metal yüzeylerde daha düşük ıslatma açısı sağlandığı gözlemlenmiştir. Bu numunelerde cam-metal birleştirme sonrası arayüzeyde difüzyon gerçekleştiği ve ~6-8µm arayüzey tabakası oluştuğu tespit edilmiştir. Düşük sıcaklıklarda sızdırmazlık camlarının geliştirilmesi çalışmaları kapsamında, alkali oksit ve kurşun içermeyen bizmut çinko borat esaslı (BiZn) cam bileşimleri (4 farklı kompozisyon) hazırlanmış, termal, yapısal ve fiziksel özellikler DTA, dilatometre, HSM, yoğunluk, XRD ve fourier dönüşümlü kızıl ötesi (FTIR) spektrometre analizleri ile incelenmiştir. Hazırlanan camların farklı yüzeylerde (Al 1050 alüminyum, alümina seramik, alkali içermeyen borosilikat cam, 316L paslanmaz çelik, silikon) HSM analizleri ile ıslatma davranışları incelenmiştir. Camların birleştirme işleminin yapılacağı fırın ortamında hem oksitleyici (hava) hem de redükleyici (Ar/%5H2) atmosferde aluminyum (Al) ve cam alttaşlar üzerindeki ıslatma açıları LBADSA (Low-Bond Axisymmetric Drop Shape Analysis) eklentisi kullanılarak ImageJ programı yardımıyla ölçülmüş, redükleyici atmosferde ıslatabilirliğin arttığı gözlemlenmiştir. Hafifliği ve düşük maliyeti ile dikkat çeken alüminyum metali ile gerçekleştirilen çalışmalarda, en yüksek ıslatabilirliği V2O5 ve TeO2 ile katkılandırılmamış bizmut çinko borat cam numunesinin gösterdiği belirlenmiştir. Birleştirme uygulamasından önce alüminyum alttaşta yapılan oksidasyon işleminin, alüminyumun ıslanabilirliğini ve cam ile arayüzey etkileşimini artırdığı açıkça gözlemlenmiştir. Katkısız ve yüksek oranda TeO2 (koşullu cam yapıcı) katkılı bizmut çinko borat cam numuneler, cam alttaş yüzeylerde iyi ıslatabilirlik sağlamış, sonuçlar SEM-EDS kesit analizleri ile de doğrulanmıştır. Seçilen düşük sıcaklık cam bileşimleri macun haline getirilmiş ve 28 gün boyunca belirli periyotlarda viskozite değerleri, artan açısal hızlardaki ve anlık ölçümler esnasındaki viskoziteleri takip edilmiştir. Macun numunelerinin bağlayıcı tipi ve miktarı, katı/sıvı oranının uzun süreli viskozite davranışlarına ve cam-cam birleştirme sonrası birleşme dayanımına etkileri gözlemlenmiştir. Cam macunlar, akışkanlığını koruyabilmesi, tersinir tiksotropik davranış sergileyebilmesi, serigrafik uygulama kolaylığı ve birleşme dayanımı açısından değerlendirilmiştir. Ağ. %3 polivinil bütiral (PVB) bağlayıcı içeren, 80:20 katı/organik taşıyıcı oranındaki düşük sıcaklık bizmut çinko borat cam macunlarının uygulanabilir olduğu belirlenmiştir. Tez çalışması sonucunda, cam-metal birleştirme yapılabilen ve 1x10-6 atm cm3/sn.'den düşük helyum sızdırmazlığı sağlayan yüksek sıcaklık sızdırmazlık cam preformları; mekanik olarak dayanıklı cam-cam birleştirme sağlayabilen düşük sıcaklık cam macunları başarıyla geliştirilmiştir. Sızdırmazlık camlarının sinterleme davranışları, macun formunda hazırlanmaları ve bu üretim aşamalarının farklı malzemelerle nihai birleştirme-arayüzey performansına etkileri ile ilgili çalışmaların kısıtlı sayıda olması sebebi ile bu tez çalışması ile literatüre önemli katkılar sunulmuştur. Ayrıca çalışılan konu, elektronik paketleme gibi mühendislik uygulamalarında sıklıkla kullanım yeri bulduğundan tez çıktıları günümüz teknolojik uygulamaları açısından da önemlidir.
-
ÖgeB4C-ZrB2 kompozitlerinin spark plazma sinterleme yöntemi ile üretimi ve karakterizasyonu(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-04-27)Bor karbür (B4C), düşük yoğunluğu, yüksek sertliği, yüksek kimyasal kararlılığı, yüksek aşınma direnci ve yüksek nötron absorplama kabiliyeti nedeniyle balistik zırh malzemelerinde, kesici ve aşındırıcı takımlarda, kumlama nozüllerinde, nükleer reaktörlerde kontrol çubuğu ve nötron zırhlama malzemesi olarak yaygın olarak kullanılan önemli bir yapısal seramiktir. Bor karbürün tüm bu üstün özelliklerine rağmen, kırılma tokluğunun düşük olması ve yüksek yoğunluklara sinterlenmesi zor bir malzeme olması, kullanım alanlarını kısıtlamaktadır. Spark plazma sinterleme (SPS) yöntemi, tek eksenli basınç ve darbeli doğru akımın uygulandığı, malzemelerin düşük sıcaklıklarda ve kısa sürelerde sinterlenmesine olanak sağlayan bir sinterleme yöntemidir. Son yıllarda, özellikle B4C gibi sinterlenmesi zor seramik malzemelerin üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bor karbürün sinterlenmesini geliştirmek ve kırılma tokluğunu iyileştirmek için çeşitli metalik, oksit, karbür, borür ve nitrür katkı malzemeleri kullanılmaktadır. Zirkonyum diborür (ZrB2), yüksek ergime noktası, yüksel elektriksel iletkenliği, yüksek termal iletkenliği ve korozyon dayanımı gibi özelliklere sahip bir ultra yüksek sıcaklık seramik malzemesidir. Bu tez çalışmasında nükleer uygulamalarda termal nötron, gama-ışını ve x-ışını radyasyonlarının zırhlanmasında kullanılması hedeflenen B4C-ZrB2 kompozitleri spark plazma sinterleme yöntemi ile üretilmiştir. ZrB2 katkısının malzemenin yoğunluğu, mikroyapısı, mekanik ve radyasyon zırhlama özellikleri üzerindeki etkileri belirlenmiştir. Üretilen malzemelerin; faz analizleri x-ışını difraktometresi (XRD) ile, yoğunluk değerleri Arşimet prensibiyle, Vickers sertlik ve indentasyon kırılma tokluğu değerleri Vickers indentasyon yöntemiyle, mikroyapı analizleri alan emisyonlu taramalı elektron mikroskobu (FE-SEM) ile gerçekleştirilmiştir. Malzemelerin termal nötron zırhlama özellikleri nötron transmisyon tekniği, gama-ışını zırhlama özellikleri gama transmisyon tekniği ve x-ışını zırhlama özellikleri x-ışını transmisyon tekniği kullanılarak belirlenmiştir. Deneysel çalışmalar üç ana bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde, hacimce % 5, 10, 15 ve 20 ZrB2 içeren 50 mm çapında, 5 mm kalınlığında dairesel geometride B4C-ZrB2 kompozitleri SPS ile üretilerek, kompozitlerin yoğunlaşma davranışları, mekanik özellikleri ve mikroyapı özellikleri incelenmiştir. SPS parametrelerinin optimizasyonu için farklı sıcaklık ve basınçlarda gerçekleştirilen deneyler sonrası dairesel geometrideki kompozitler için üretim parametreleri; sinterleme sıcaklığı 1650°C, ısıtma hızı 100°C/dk, basınç 60 MPa, olarak belirlenmiş ve tüm kompozitler 5 dakika süreyle vakum atmosferinde spark plazma sinterlenmiştir. Dairesel geometrideki B4C-ZrB2 kompozitlerinin yoğunluk değerleri monolitik B4C'ye göre artmış olup tüm kompozitler için %98'in üzerinde relatif yoğunluğa ulaşılmıştır. Elde edilen yoğunluk değerleri mikroyapı analiziyle desteklenmiş ve yapıdaki por miktarının azaldığı tespit edilmiştir. Kompozitlerin sertlik ve kırılma tokluğu değerleri artan ZrB2 miktarıyla monolitik B4C'ye kıyasla yükselmiştir. Ancak, %20 ZrB2 katkısıyla kırılma tokluğunun azalma trendine girdiği belirlenmiştir. Deneysel çalışmaların ikinci bölümünde, hacimce % 5, 10, 15 ve 20 ZrB2 içeren, endüstriyel kullanıma yönelik, 50x50 mm boyutlarında, 5 mm kalınlığında kare geometride B4C-ZrB2 kompozitleri SPS ile üretilerek, kompozitlerin yoğunlaşma davranışları, mekanik özellikleri ve mikroyapı özellikleri incelenmiştir. Kare geometride malzemelerin merkez, kenar ve köşesinden yapılan yoğunluk ölçümleri ve mikroyapı analizleriyle malzemelerin homojenliği incelenmiştir. Kare geometrideki kompozitler 1540°C'de, 100°C/dk ısıtma hızıyla, 50 MPa basınç altında 7 dakika süreyle vakum atmosferinde spark plazma sinterlenmiştir. %15 ZrB2 katkılı kompozitte merkez, kenar ve köşe homojenliği elde edebilmek adına aynı parametrelerde farklı sinterleme sürelerinde ( 9, 12 ve 20 dk.) deneyler yapılmıştır. Kare geometrideki numuneler için, merkez yoğunluk değerlerinin kenar ve köşe yoğunluk değerlerinden daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Artan ZrB2 miktarıyla merkez, kenar ve köşe yoğunluklarının arttığı belirlenmiştir. %15 ve %20 ZrB2 katkısıyla %97 üzerinde relatif yoğunluğa ulaşılmıştır. Kompozitlerin merkez, kenar ve köşe bölgelerinde yoğunluk ve mikroyapı özellikleri bakımından homojenlik sağlanması için, optimum katkı miktarı olarak belirlenen %15 ZrB2 katkılı numunelerde artan sinterleme süresiyle malzemenin homojenliğinin arttığı tespit edilmiştir. 20 dakika süreyle sinterlenen B4C-%15 ZrB2 kompozitinde kenar ve köşe yoğunluk değerleri %98'in üzerine yükselmiş olup, daha homojen bir malzeme elde edilmiştir. Mikroyapı incelemelerinde yapıda bulunan por miktarlarıyla yoğunluk değerlerinin uyumlu olduğu ve artan relatif yoğunlukla por miktarının azaldığı tespit edilmiştir. Kare geometrideki kompozitlerin sertlik değerleri incelendiğinde, B4C-ZrB2 kompozitlerinin sertlik değerlerinin, artan ZrB2 miktarıyla monolitik B4C'ye göre daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Monolitik B4C'nin sertlik değeri 21,90 GPa iken, B4C-ZrB2 kompozitlerinin sertlik değerlerinin 27,64 ile 33,08 GPa arasında değiştiği saptanmıştır. Kare geometrideki kompozitlerin kırılma tokluğu değerleri 3,75 ile 3,82 GPa arasında değişmekte olup, artan ZrB2 miktarıyla kırılma tokluğu değerlerinde büyük bir değişime neden olmadığı gözlemlenmiştir. Monolitik B4C'nin kırılma tokluğu değeri malzemenin düşük yoğunluğu nedeniyle Vickers indentasyon yöntemi ile belirlenemediği için, 4-nokta eğme düzeneği kullanılarak eğmede yüzey çatlağı methoduyla ölçülmüştür. Kıyaslama yapabilmek adına optimum katkı olarak belirlenen %15 ZrB2 katkılı kompozitin kırılma tokluğu da bu yöntemle ölçülmüştür. Kırılma tokluğu değeri, monolitik B4C için 3,03 GPa olarak belirlenmiş olup, %15 ZrB2 katkısıyla kırılma tokluğu değeri 3,63 GPa'ya yükselmiştir. ZrB2 katkısının malzemenin toklaşma mekanizması üzerindeki etkilerinin belirlenebilmesi için SEM ile mikroyapı analizi yapılmıştır. B4C-ZrB2 kompozitleri için ana toklaştırma mekanizmasının çatlak sapması olduğu tespit edilmiştir. Sonuç olarak, ZrB2 katkısının B4C'nin mekanik özelliklerini iyileştirdiği belirlenmiştir. Deneysel çalışmaların üçüncü bölümünde, hacimce % 5, 10 ve 15 ZrB2 içeren kare geometrideki kompozitlerin Pu-Be termal nötron kaynağı karşısındaki termal nötron zırhlama özellikleri, Cs-137 ve Co-60 radyoizotopları karşısındaki gama-ışını zırhlama özellikleri ve 50, 60, 70, 80 ve 90 kV tüp voltajları karşısındaki x-ışını zırhlama özellikleri incelenmiştir. Kompozitlerin termal nötron radyasyonu zırhlama özellikleri, yapılan ölçümler sonrasında termal nötronlar karşısındaki zayıflatma eğrileri malzeme kalınlığına bağlı olarak çizilerek, toplam makroskopik tesir kesiti ve yarı değer kalınlıklarının belirlenmesiyle incelenmiştir. B4C-ZrB2 kompozitlerinin, monolitik B4C ile kıyaslandığında, artan ZrB2 miktarıyla malzeme kalınlığı arttıkça zayıflatma miktarının arttığı belirlenmiştir. Toplam makroskopik tesir kesiti monolitik B4C için 0,773 cm-1 iken, %15 ZrB2 katkısıyla 0,903 cm-1'e yükselmiştir. Malzemelerin yarı değer kalınlıkları artan ZrB2 miktarı ile azalmıştır. Monolitik B4C ve B4C- %15 ZrB2 kompoziti için yarı değer kalınlıkları sırasıyla 0,897 ve 0,767 cm olarak belirlenmiştir. Kompozitlerin gama-ışını radyasyonu zırhlama özellikleri, yapılan ölçümler sonrasında Cs-137 ve Co-60 radyoizotopu karşısındaki zayıflatma eğrileri malzeme kalınlığına bağlı olarak çizilerek, lineer zayıflatma katsayısı, kütle zayıflatma katsayısı ve yarı değer kalınlıklarının belirlenmesiyle incelenmiştir. B4C-ZrB2 kompozitlerinin, monolitik B4C ile kıyaslandığında, her iki radyoizotop kaynağına karşı, artan ZrB2 miktarıyla malzeme kalınlığı arttıkça zayıflatma miktarının arttığı belirlenmiştir. Kompozitlerin deneysel kütle zayıflatma katsayıları ve yarı değer kalınlıkları incelendiğinde, artan ZrB2 miktarıyla kütle zayıflatma katsayılarının ve yarı değer kalınlıklarının her iki radyoizotop için de azaldığı belirlenmiştir. Deneysel kütle zayıflatma katsayılarının, XCOM programı kullanılarak hesaplanan teorik kütle zayıflatma katsayıları değerlerine çok yakın olduğu belirlenmiştir. Cs-137 radyoizotopu karşısındaki lineer zayıflatma katsayılarının ve kütle zayıflatma katsayılarının, Co-60 radyoizotopunun daha yüksek enerjili olmasından dolayı, Co-60 radyoizotopundaki zayıflatma katsayılarına göre daha düşük olduğu, yarı değer kalınlıklarının ise daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Monolitik B4C'nin Cs-137 ve Co-60 radyoizotop kaynakları karşısındaki yarı değer kalınlıkları sırasıyla 3,821 ve 5,269 cm olarak belirlenmiştir. Yarı değer kalınlıkları hacimce %15 ZrB2 katkısıyla Cs-137 ve Co-60 radyoizotop kaynakları için sırasıyla 3,213 ve 4,374 cm'ye düştüğü belirlenmiştir. Kompozitlerin x-ışını radyasyonu zırhlama özellikleri, yapılan ölçümler sonrasında 50, 60, 70, 80 ve 90 kV tüp voltajları karşısındaki zayıflatma eğrileri malzeme kalınlığına bağlı olarak çizilerek, lineer zayıflatma katsayısı, kütle zayıflatma katsayısı ve yarı değer kalınlıklarının belirlenmesiyle incelenmiştir. Kompozitlerin x-ışını radyasyonu zayıflatma eğrileri incelendiğinde uygulanan tüm tüp voltajlarında, artan ZrB2 miktarıyla malzeme kalınlığı arttıkça zayıflatma oranının arttığı belirlenmiştir. Kompozitlerin lineer zayıflatma katsayıları ve kütle zayıflatma katsayıları tüm tüp voltajları karşısında artan ZrB2 miktarıyla artmıştır. Kompozitlerin yarı değer kalınlıkları ise tüm tüp voltajları karşısında artan ZrB2 miktarıyla azalmıştır. Malzemelerin radyasyon zırhlama özellikleri incelendiğinde, ZrB2 katkısının B4C'nin termal nötron zırhlama kabiliyetini bozmadan gama-ışını ve x-ışını radyasyonu zırhlama özelliklerini yüksek oranda geliştirdiği tespit edilmiştir. %15 ZrB2 katkısının en yüksek termal nötron, gama-ışını ve x-ışını radyasyonu zırhlama kabiliyetine sahip olduğu tespit edilmiştir. Tüm sonuçlar değerlendirildiğinde, ZrB2 katkısının monolitik B4C'nin yoğunlaşmasını ve mekanik özelliklerini iyileştirdiği belirlenmiştir. Dairesel geometride elde edilen değerlerin kare geometride sürdürülebileceği tespit edilmiştir. Endüstriyel kullanıma yönelik; yüksek yoğunluklu, iyi mekanik özelliklere ve iyi termal nötron, gama-ışın
-
ÖgeDevelopment of zeolite-based adsorbents for deep desulfurization of liquefied petroleum gas(Graduate School, 2023-01-18)Air pollution has become one of the major problems facing humanity. A significant part of air pollution is originated from transportation sector. Organic sulfur compounds present in transportation fuels are converted to sulfur oxides (SOx) during combustion, which cause smog, global warming, and acid rain. Also, stringent sulfur regulations imposed on fuels have been mandated worlwide. Thus, the urgent need for deep desulfurization methods, such as adsorption, is required. Understanding the factors that affect the sulfur removal performance of adsorbents is important for both adsorbent and fuel industries. Most commercial desulfurization adsorbents are derived from zeolites due to their relatively high performance and low cost. Desulfurization adsorbents are expected to have the properties like high sulfur adsorption capacity, selectivity, thermal stability, regenerability and economical advantage. The effectiveness of zeolites to adsorb organic sulfur compounds in the fuels has been strongly influenced by the structural, textural and chemical properties of the adsorbent. On the other hand, the type of sulfur compound plays an important role in the overall capacity since different adsorption mechanisms are effective for each compound. Therefore, zeolites used in desulfurization should be developed to be suitable on a target-based seperation. The sulfur adsorption capacity and selectivity of zeolites are continuing to be explored in depth as new materials and methods are developed. According to the investigations on adsorptive desulfurization from fuels, sulfur removal performance of zeolites can be enhanced by ion-exchange method which increases the number of active sites for adsorption. A fundamental understanding of ion-exchange process and its effects on capacity is needed to design high performance desulfurization adsorbents. Considering the difficulties associated with industrial applications, studies should be evaluated by using real fuels to model adsorption system and optimize the parameters. In this thesis, the adsorptive removal of dimethyl disulfide (DMDS) and thiophene (TP) from real liquefied petroleum gas (LPG) over zeolites was studied. NaX and NaY type zeolites were modified using Cu2+, Zn2+ and Cu2+-Zn2+ ions by liquid phase ion-exchange (LPIE) method in order to improve their adsorption capacity and selectivity. The adsorbents were characterized to investigate their surface area, crystal structure, surface acidity, ion-exchange rate, and adsorption mechanism. The desulfurization performances of zeolites were tested and compared in both static and dynamic adsorption conditions. Then, the best performing adsorbent, Cu-Y, was investigated in detail to understand the effects of calcination temperature, concentration of Cu(NO3)2 solution, initial sulfur concentration, competitive adsorption between sulfur compounds and LPG flow rate. Cu-Y zeolite was characterized for its chemical composition, crystal structure, auto-thermal reduction of copper species, surface acidity, adsorption mechanism, textural properties and surface morphology to reveal performance-structure relationships. Furthermore, the equilibrium isotherms and kinetics for both DMDS and TP adsorption over zeolites in real LPG were also investigated for the first time in the literature. Results indicate that ion-exchange process enhances the DMDS and TP removal performance of the zeolites in the order of Cu > CuZn > Zn. Among the all prepared zeolites, Cu-Y ion-exchanged with 7 wt.% Cu2+ and calcined at 550 ℃ displays the highest sulfur removal capacity in both static and dynamic tests. It is clear that the calcination temperature has great influence on adsorption capacity since the auto-reduction of Cu2+ ions into Cu+ improves mainly the Lewis acid sites of the zeolites that enhance the sulfur adsorption. Mechanistic investigation shows that DMDS is attached to Cu-Y via direct sulfur-metal (S-M) interaction while both direct S-M interaction and π-complexation contributed in TP adsorption onto zeolite. According to the characterization results, textural, structural and chemical properties directly affect the adsorption performance. The adsorption of both DMDS and TP on the adsorbents appears to fit Langmuir isotherm and the pseudo-second-order kinetic models. Furthermore, Cu-Y has good thermal stability and can be reused efficiently up to 3 cycles that makes it highly beneficial and economical for deep desulfurization of LPG in industrial applications.
-
ÖgeUçak motorlarında kullanılan ınconel 718 süper alaşımının atmosferik plazma yöntemiyle kaplanarak sürünme davranışının incelenmesi(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-12-01)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.
-
ÖgeÇelik üzerinde titanyum karbür katmanlarının katodik ark fbb temelli yayındırma yöntemi ile üretilmesi(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-07-22)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.