LEE- Metalurji ve Malzeme Mühendisliği-Doktora

Bu koleksiyon için kalıcı URI


Son Başvurular

Şimdi gösteriliyor 1 - 5 / 20
  • Öge
    Investigating the effects of micro arc oxidation (MAO) process on thermal and elevated temperature mechanical properties of AZ91 MG alloy
    (Graduate School, 2023-12-06) Selvi, Ekin ; Baydoğan, Murat ; 506132403 ; Metallurgical and Materials Engineering
    Magnesium and its alloys are widely used in automotive, aerospace and communications industry due to their low density, high strength to weight ratio, castability, recyclability, magnetic shielding, and high vibration damping. However, the poor surface properties such as corrosion and wear resistance restrict their more common use. AZ91 is one of the mostly used Mg alloys due to its excellent castability, corrosion resistance and ductility combination. However, its creep resistance is low. It has been observed that the surface properties of Mg alloys are improved by the Micro Arc Oxidation (MAO) process. Its elevated temperature properties such as creep could also be improved thanks to high thermal insulating properties of the ceramic oxide layer produced by the MAO process. Moreover, when AZ91 alloy is exposed to the wear at an elevated temperature (~120 oC) in automobile components such as motor blocks, transmission box, its elevated temperature wear behaviour would need to be considered. Thus, it is proposed that elevated temperature wear resistance of the AZ91 alloy can be improved with the MAO process. A passive oxide layer is formed by the micro arc oxidation method at the surface of the material, similar to the anodization. However higher voltage or current density is applied in the MAO method than those in anodization. Thus, few hundreds μm coating thickness can be obtained. While light metal alloys (such as Ti, Al, Mg) are connected to the positive pole (anode) of the power supply, the cathode (stainless steel container) is connected to the negative pole and the substrate is immersed in the basic electrolyte. In the first stage of the process, passive oxide film is formed. Then, as a result of the dielectric breakdown of this passive oxide layer, micro arcs are discharged. The melting oxide layer results of the discharge is cooled by the electrolyte at room temperature. The ions in the electrolyte react with the melted oxide under the effect of the discharge and then, as a result of its contact with the electrolyte, the oxide layer solidifies and forms the oxide coating. Since the cooling rate can reach 108 K/s, cracks, and peeling off can be seen. Coating morphology is porous due to gas envelops and discharge channels formed due to discharge formation. There are two parameters, that effecting the coatings' morphology, composition and homogenity such as electrical parameters and electrolyte. Electrolyte which is consisted of silicate, aluminate and phosphate compounds as a major addition, is alkaline in the MAO process. Coating composition and properties can be controlled in a wide range by employing various electrolyte combinations in the MAO process. In the electrolyte, hydroxide ions react with Mg in the substrate and form MgO by the heat of the plasma. Ions in the solution such as SiO32-, PO43- and AlO21- react with the MgO film with the effect of electrostatic force and discharge. As a result, Mg2SiO4, Mg3(PO4)2, Mg(AlO2)2 compounds are formed in the coating. Fluoride salts form a MgF2 passive layer, forming a homogeneous and corrosion resistant coating. Wear, corrosion resistance and thermal barrier properties of MAO coatings have been improved by dissolving zirconium compounds in the electrolyte. In addition, with the increase of electrolyte concentration, the discharge caused by breakdown becomes stronger. Parameters such as current density, voltage, frequency, duty cycle, and processing time constitute electrical parameters of the MAO process. As voltages or current density increases, the energy of microarcs increases, which increases the rate of coating formation. However, increasing arc temperature and duration with increasing current density and voltage may cause coating spallation. The temperature of micro arcs varies between 1000-10000 K, and their duration can range from a few microseconds to hundreds of microseconds. When the coating, which reaches very high temperatures in a short time, is cooled rapidly with the electrolyte at room temperature, thermal stresses occur in the coating. As the frequency decreases or the duty cycle increases, the arc temperature and duration also increase due to the increase in voltage or current density. Therefore, decreasing the frequency or increasing the duty cycle increases the coating formation rate. However, due to increasing thermal stresses, roughness, cracks and spalling increase. In order to provide the best performance under all conditions, the coating obtained as a result of the MAO process is required to be homogeneous, high thickness and have optimum surface roughness. The aim of this study is to investigate the effect of single (silicate) or dual phase (aluminate and phosphate) electrolyte and different ZrO2 sources (K2ZrF6 and Na2ZrO3) on the thermal barrier properties, high temperature mechanical properties (creep and wear) and morphology of the coating. In this study, it is also aimed that high temperature properties of the AZ91 alloy such as elevated temperature wear resistance and creep resistance enchanced with the MAO coating due to the ceramic properties of the coating. Therefore, it is aimed that coating with the highest thickness and optimum roughness. Then, MAO process was applied on AZ91 substrate at different electrolyte and electrical parameters. Furthermore, coating with the excellent thickness, homogenity and roughness combination was selected for thermal barrier tests such as thermal conductivity and thermal shock. Finally, coating showing best thermal barrier properties was selected for high temperature mechanical tests such as elevated temperature wear test and creep test. In the first section of this thesis, magnesium alloys and the MAO process were introduced, and the objective of this thesis was presented. In the second, third and fourth chapters, the journal articles prepared from the studies carried out within the scope of this thesis are included. The final chapter is Conclusions, which summarizes the general results of the journal articles. In the following paragraphs, the contents of each article are briefly summarized. In the second chapter of the study, AZ91 Mg alloy was micro-arc oxidised using different voltages in silicate- and aluminate/phosphate-based (dual) electrolytes that included K2ZrF6 or Na2ZrO3 as the zirconium source for synthesising ZrO2 in the coatings. Structural characterisations were done using SEM examinations and XRD analysis. Structural and morphological characteristics of the MAO coatings of different samples were compared by measuring coating thickness, surface roughness, pore size, and pore fraction. Furthermore, both hardness and pull-off tests were applied to characterise mechanical and adhesion properties. Thermal conductivity measurements and thermal shock tests were also carried out to evaluate the effect of both the electrolyte composition and zirconium containing compound addition on the thermal properties of synthesized the MAO coatings. It was found in the present study that the equivalent thermal conductivity of the MAO'ed samples was reduced up to 30% compared to the bare AZ91 alloy. The decrease of the thermal conductivity was mainly attributed to both the formation of a thicker and denser MAO coating and the incorporation of ZrO2 phase within the generated MAO coating. Finally, increased thermal shock resistance was strongly correlated with the lower hardness and higher cohesive bonding strength of the MAO coating, which also leads to smaller crack formation and spallation-free characteristics. In the third chapter of the thesis, tribological properties of the coatings were investigated. Low wear resistance of AZ91 alloy is the main factor limiting its more common use in industrial applications. It is therefore the MAO process is mostly applied to the alloy to improve its wear resistance at room temperature (RT). However, the effect of the MAO coating on the wear behaviour at elevated temperatures is investigated in limited works. In order to investigate the tribological behavior of the coatings, the MAO process was performed on an AZ91 alloy in single-phase (silicatecontaining) and dual-phase (aluminate+phosphate) electrolytes, and its wear behaviour was investigated at both RT and 200 ℃ compared to the bare alloy. The results showed that the wear resistance of the alloy can be significantly improved both at RT and 200 ℃, and the silicate-based electrolyte provided a better wear resistance at both temperatures. The results also showed that the dominant wear mechanism of the bare alloy is oxidation and brittle fracture of the MAO-treated alloys at both temperatures. In the fourth chapter of the thesis, creep properties of the coated alloy were investigated. AZ91 Mg alloy has a wide range of applications in the automotive industry, although its use is restricted to powertrain applications due to its low creep resistance. In this study, the effect of the micro arc oxidation (MAO) coating on the creep resistance of an AZ91 Mg alloy was investigated to take advantage of the coating layer with high thermal insulation properties. In this context, the MAO process was applied to AZ91 Mg alloy using a bipolar pulsed DC power supply. The creep tests were conducted at different temperatures (150 – 200 oC) and stresses (25 – 90 MPa) for the bare and coated samples, and the minimum creep rates were determined. It has been shown that the MAO coating reduces the creep rate of the bare alloy by 35% – 84% depending on the temperature and the stress due to the stress-reducing effect and thermal barrier properties of the MAO coating. Based on calculations based on creep activation energy and stress exponents, creep mechanisms were proposed for the bare and coated alloys. Activation energy was also calculated and lattice diffusioncontrolled dislocation climb was determined to be the effective creep mechanism for both samples at lower stresses, while pipe diffusion-controlled dislocation climb was effective at higher stresses. As a result, among the MAO coatings produced in single (silicate main phase) and dual electrolytes (aluminate and phosphate main phase), the dual electrolyte provided better thermal properties, and therefore the sample, which were micro arc oxidized in the dual electrolyte was selected for the creep tests. Also, elevated and room temperature wear tests were conducted on single phase coating with the highest hardness and dual phase coating and then single phase coating showed the higher wear resistance than dual phase coating due to the highest hardness. Finally, according to the creep test, MAO coating showed the higher creep resistance than bare AZ91 alloy since dual phase coating showed the highest thermal barrier property. However, creep mechanism of the AZ91 alloy was not changed with the MAO process at 150-200oC temperatures and 25-90 MPa stress.
  • Öge
    Düşük karbonlu yüksek dayanımlı çeliklerin özelliklerinin üretim parametreleri ile ilişkisi
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-12-13) Oktay, Serkan ; Şeşen, Mustafa Kelami ; 506112417 ; Metalurji ve Malzeme Mühendisliği
    Bu tez çalışmasının amacı; düşük karbonlu ve yüksek dayanımlı mikro alaşımlı çeliklerde kimyasal bileşim, haddeleme pratikleri ve tavlama ısıl işleminin mikro yapı ve mekanik özelliklere etkisini incelemektir. Düşük karbonlu yüksek dayanımlı çelikler, günümüzde otomotivden savunma sanayisine kadar çok geniş bir alanda kullanılmaktadır. Bu çeliklerin en belirgin avantajları; geleneksel çeliklere göre daha hafif olmaları, bileşimindeki karbon miktarının geleneksel çeliklere göre daha az olması sebebiyle kaynak edilebilirliğinin daha yüksek olması, karbon çeliklerine göre daha sünek ve tok olmaları, mukavemet değerlerinin uygun alaşımlama ile çok yüksek değerlere çıkabilmesi olarak sıralanabilir. Düşük karbonlu yüksek dayanımlı çeliklerin kullanımda sağladığı performans avantajlarına ilaveten, son dönemde çok önem verilen bir diğer konu da bu çeliklerin karbon salınımının azaltmasına katkısıdır. Türkiye'de cevherden veya hurdadan üretim yapan Demir-Çelik fabrikalarının neredeyse tamamında geleneksel ticari kalite (S235, S355, SAE 1010 vb.) çelikler, üretim tonajının önemli bir kısmını oluşturmaktadır. Düşük karbonlu yüksek dayanımlı çeliklerin üretilebilmesi için, gereken AR-GE yatırımları, üretim prosesi hat yatırımları, üretim denemeleri, uygun pazar-müşteri ve rekabetçi fiyat gibi birçok parametre bulunmaktadır. Tüm bu gereksinimler, ilgili çelik kalitelerinin ülkemizde üretimi için birer engel olabilmektedir. Bu tez çalışmasıyla, düşük karbonlu- mikro alaşımlı çelikler endüstriyel ölçekte üretilmiş ve literatüre sunulmuştur. Tez çalışmasında; Başlangıç kimyasal bileşimi, başlangıca göre daha yüksek alaşımlı kimyasal bileşim, bor'lu kimyasal bileşim ve daha yüksek Ni'li kimyasal bileşim olmak üzere 4 farklı hedef kimyasal bileşimde çelik, farklı bobin sarım sıcaklığı ve kalınlıklarda üretilmiştir. Çeliğin üretiminde ark ocağı prosesi temelli üretim yöntemi kullanılmıştır. Bu kapsamda; hurda malzeme AC tip Elektrik Ark Ocağı ile eritilmiş, buradan elde edilen sıvı metal pota fırınına gönderilerek Al ile deokside edilmiş ve hedef kimyasal bileşimi ayarlanmış, vakum tankına gönderilerek vakum gaz giderme işlemi yapılmış, Ca ile inklüzyon modifikasyonu işlemi yapılmış ve slab sürekli döküm makinasına gönderilmiştir. Üretilen çelik slablar sıcak sac haddehanesinde farklı hedef haddeleme parametreleriyle farklı kalınlıklara haddelenerek duşlu masada soğutulmuş ve çelik bobin olarak sarılmıştır. Bu bobinlerden numune alınarak; çekme, darbe, eğme ve sertlik gibi mekanik testler, ısıl işlem ve mikro yapı incelemeleri yapılmıştır. Yapılan çalışmalar neticesinde; başlangıç kimyasal kompozisyonu ile üretilen düşük karbonlu ve yüksek dayanımlı mikro alaşımlı çelikte, bobin sarılma sıcaklığı görece arttıkça (450 ºC, 500 ºC, 550 ºC, 600 ºC); çekme mukavemeti, uzama oranı ve sertliğin arttığı belirlenmiştir. Üretilen bobinlere 600 ºC de 1 saat tavlama ısıl işlemi yapıldığında; malzemenin akma-çekme mukavemetlerinin, uzama ve sertliğinin arttığı, darbe enerjisinin düştüğü belirlenmiştir. 600 °C 'de tavlama ısıl işlemi sonrasında akma ve çekme mukavemetlerindeki artış ve darbe enerjisindeki düşüşün; (Nb,Ti)C çökelmesi, beynitik ferrit mikroyapıda aşırı doymuş karbonun epsilon karbon olarak çökelmesi ve yaşlanma mekanizmasının etkili olduğu değerlendirilmiştir. Başlangıç kimyasal bileşimine göre daha yüksek alaşımlı olarak üretilen çelikte, bobin kalınlığı 6 mm 'den 10 mm 'ye yükseldiğinde, akma ve çekme mukavemetinin düştüğü, darbe enerjisinin arttığı belirlenmiştir. Çelikte bobin sarım sıcaklığı 450 ºC 'den 600 ºC 'ye çıkarıldığında; akma mukavemeti bir miktar düşerken, çekme mukavemeti büyük oranda artmaktadır. Öyle ki, 6 mm kalınlıklı çelikte çekme mukavemetindeki artış 170 MPa seviyelerine ulaşmaktadır. 600 ºC 1 saat tavlama ısıl işlemi etkisiyle; düşük ve yüksek sarım sıcaklıklı bobinlerde akma mukavemeti artarken, çekme mukavemeti yalnızca düşük bobin sarım sıcaklıklı bobinde artmıştır. Yüksek bobin sarım sıcaklıklı ve 6 mm kalınlıklı çelikte tavlama ısıl işlemi ile çekme mukavemeti 80 MPa kadar düşmüştür. Darbe testi enerjilerindeki düşüş, düşük sarım sıcaklığı ile üretilen çelikte daha yüksektir. Yüksek sarım sıcaklıklı çelikte çekme mukavemetindeki artışın, darbe enerjisindeki düşüşün ve 600 ºC de 1 saat tavlama ısıl işlemi sonrası darbe enerjisinin bariz düşmemesinin nedeninin tamamlanmamış dönüşüm kaynaklı oluşan ferrit+marzenzit mikro yapısı ve çözeltide kalan Nb' çökeltileri kaynaklı olduğu, düşük sarım sıcaklığı ile üretilen çelikte görülen yüksek akma mukavemeti ve darbe enerjisi beynitik mikro yapı kaynaklı olduğu değerlendirilmiştir. Düşük sarım sıcaklığı ile üretilen çelikte 600 ºC de 1 saat tavlama ısıl işlemi sonrası beynitik mikro yapı bozulmuş ve darbe enerjisinin büyük oranda düşmüştür. Kimyasal bileşimine yaklaşık 20 ppm bor ilave edilerek üretilen çelikte, akma ve çekme mukavemetlerinin 200 MPa 'a kadar arttığı görülmüştür. En yüksek sertlik değerleri bu çelikte görülmüştür. Buna karşın, bor ilavesiyle, darbe enerjisi ve uzama oranları büyük oranda düşmüştür. Bor ilavesiyle, mikro yapı diğer borsuz çeliklere göre daha ince taneli, beynitik, iğnemsi, kaotik ve bantlı olmuştur. 600 ºC'de 1 saat tavlama ısıl işlemi etkisiyle akma mukavemeti büyük oranda artarken, çekme mukavemeti sınırlı oranda düşmüştür. Isıl işlem etkisiyle, sertlik ve darbe enerjisinde bariz artış- azalışlar olmamıştır. Çeliğin kimyasal bileşimine 30 ppm i geçmeyecek miktarda bor ilavesiyle akma ve çekme mukavemetlerinin büyük oranda artması literatür ile de uyumludur. Literatürde, kimyasal bileşimde bor miktarının fazla olmasının tokluğu düşürdüğü not edilmiştir. JMatPro ile çizilen CCT grafikerinde ferrit burnunun 10℃/s de sonlandığı görülmüştür. Bu değer, çeliğin duşlu masadaki soğuma hızının çok altındadır. Bu sayede ince taneli, iğnemsi ve kaotik bir mikro yapı elde edilebilmiştir. 300 HB üzeri sertlik elde edilmesi, mikro yapıda bir miktar martenzitik fazların da olduğuna işaret etmektedir. Isıl işlemle akma mukavemetlerinin artması, çekme mukavemetlerinin ise belirgin bir artış göstermemesinin martenzitin temperlenmesi ile ilgili olduğu değerlendirilmiştir. Kimyasal bileşiminde Ni oranı bir miktar arttırılarak üretilen çelikte, tokluk artışı sınırlı kalmıştır. İlaveten, akma mukavemeti de bir miktar düşmüştür. Üretilen yüksek Ni katkılı çelikte tokluk, literatürle uyumlu olarak, diğer daha düşük Ni katkılı çeliklere göre bir miktar daha yüksek çıkmıştır. Üretilen bobinin düşük sarım sıcaklıklı bölgesinden hazırlanan numunede beynitik mikro yapı ve daha ince karbür-nitrür partikülleri sayesinde darbe enerjisi yüksek sarım sıcaklıklı bölgeden hazırlanan ferritik ve daha iri karbür-nitrür partiküllü numuneye göre daha yüksek çıkmıştır. Bu durum, beynitik mikro yapının yüksek tane sınırı açısı sayesinde enerji absorblayabilme özelliğinin ferritik mikro yapıdan daha üstün olması bilgisiyle ile uyumludur.
  • Öge
    Fonksiyonel derecelendirilmiş Al2O3 CYZS termal bariyer kaplamaların cmas ve sıcak korozyon özelliklerinin belirlenmesi
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-03-29) Kırbıyık, Fatih ; Göller, Gültekin ; 506162418 ; Metalurji ve Malzeme Mühendisliği
    Bu çalışmada, fonksiyonel derecelendirilmiş sekiz katmandan (FD8) oluşan alümina/serya-itriya ile stabilize edilmiş zirkonya (Al2O3/CYSZ) ve referans olarak tek katmanlı CYSZ termal bariyer kaplamalar (TBK) üretilmiştir. Termal bariyer kaplama numuneleri, bağ katmanı için yüksek hızlı oksi-yakıt (HVOF) ve seramik üst katman için atmosferik plazma spreyleme (APS) cihazları ile ticari tozlar kullanılarak spreylenmiştir. Çalışmanın temel amacı, üretilen kaplamaların CMAS tozu ve sıcak korozyon tuzlarına karşı dirençlerini belirlemektir. Bu amaçla TBK'lara termal çevrim ve termal gradyan testleri olmak üzere iki farklı termal test uygulanmıştır. Testlerde gaz türbin motorları sıcak bölgesinde kullanılan TBK'ların çevresel hasar mekanizmasını oluşturan CMAS ve sıcak korozyon bileşenlerinin varlığındamotor çalışma şartlarını simüle etmek amaçlanmıştır. Bundan dolayı TBK seramik üst katmanı yüzeyine CMAS ve sıcak korozyon toz + tuz bileşenleri aynı anda yerleştirilerek üst yüzeyden lazer ışını ile 1200 °C'ye ısıtma ve altlık arka yüzeyinden de sırasıyla su ve hava soğutma sayesinde oluşturulan statik termal gradyan ve dinamik termal çevrim testleri uygulanmıştır. Ayrıca TBK yüzeyleri lazer ışını ile terkar ergitilerek lazer yüzey modifikasyonu yapılmış ve bu numunere de aynı testler uygulanarak lazer yüzey modifikasyonunun etkisi belirlenmiştir. Lazer yüzey modifikasyonu parametreleri CYSZ numunesi için lazer gücü, güç yoğunluğu, lazer mesafesi, spot çapı ve tarama hızları sırasıyla 360 W, 90 W/cm2, 5,5 cm, 2,2 mm ve 170 mm/s olarak belirlenmiştir.
  • Öge
    CO2 yakalayıcı sorbent olarak Li4SiO4 tozlarının yanma sentezi ile üretimi ve SPS ile sinterlenmesi
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-04-27) Benzeşik, Kağan ; Yücel, Onuralp ; 506162408 ; Metalurji ve Malzeme Mühendisliği
    Li4SiO4 hem CCS teknolojileri hem de füzyon reaktörleri için kritik bir malzemedir. Geleneksel ve ticari olarak Li4SiO4 katı-hal sentezi yoluyla sentezlenmektedir. Bu teknik, reaktif malzemeleri (Li2CO3 ve SiO2) sentez için yeterli sıcaklığa ısıtmak ve burada yeteri kadar beklemek için yüksek bir enerji tüketim değeri gerektirmektedir. Bu da sentezlenen tozların büyük partikül boyutu ve kristalit boyutu değerlerine sahip olmasına neden olur. CO2 yakalayıcı sorbent olarak Li4SiO4 tozlarının partikül boyutu, spesifik yüzey alanı ve kristalit boyutu gibi fiziksel özellikleri CO2 yakalama performanlarını doğrudan etkilemektedir. Benzer şekilde kompakt halde ve bilya geometrisine sahip bir şekilde gelecekteki füzyon reaktörlerinde, trityum üretici battaniye olarak kullanılacak olan Li4SiO4'ün densifikasyon davranışları da bu fiziksel özelliklere bağlı olarak değişkenlik göstermektedir. Yanma sentezi yöntemleri, ekzotermik reaksiyonlardan açığa çıkan enerjiyi kullanarak düşük enerji tüketimi ile mikron altı tozların üretilmesini sağlar. Geleneksel üretim yöntemlerine bir alternatif olarak, CO2 yakalayıcı yüksek sıcaklık katı sorbent malzemelerinin üretiminde yanma sentezi yöntemleri de kullanılmaktadır. Yanma sentezi hızlı, enerji verimliliği yüksek ve basit bir yöntem olarak üstün özelliklere sahip sonuç ürünü vermesi gibi birçok avantaj sağlamaktadır. Spark plazma sinterleme yöntemi, düşük sinterleme sıcaklığı ve kısa sinterleme süresi gibi sunduğu avantajlar sayesinde sonuç üründe tane irileşmesi olmadan densifikasyon sağlayan yenilikçi bir sinterleme yöntemidir. Elde edilen ürünler üstün mekanik özelliklere sahiptir. Sunduğu bu eşsiz proses koşulları ile, spark plazma sinterleme, ileri teknoloji seramiklerin sinterlenmesinde sıklıkla tercih edilen bir yöntem haline gelmiştir. Bu tez çalışması kapsamında yürütülen deneysel çalışmalar üç kademeden oluşmaktadır. Birinci kademe Li4SiO4 tozlarının yanma sentezi yöntemleri ile üretimini, ikinci kademe yanma sentezi yöntemleri ile üretilmiş olan Li4SiO4 tozlarının CO2 yakalama performanslarının değerlendirilmesini ve üçüncü kademe katı hal yanma sentezi yöntemi ile üretilmiş olan Li4SiO4 tozlarının spark plazma sinterleme ile kompaktlaştırılmasını içermektedir. Deneysel çalışmaların birinci kademesi, katı hal yanma sentezi ve çözelti yanma sentezi deneyleri olmak üzere iki ana gruba ayrılmıştır. Katı hal yanma sentezi deneyleri ise üç alt gruba ayrılmıştır. Birinci grup katı hal yanma sentezi deneylerinde lityum kaynağı olarak toz halde Li2CO3, silisyum kaynağı olarak metalik Si tozu kullanılmıştır. İkinci grup katı hal yanma sentezi deneylerinde ise lityum kaynağı değişmezken, silisyum kaynağı olarak değişen mol miktarları ile metalik Si tozu ve toz halde SiO2 birlikte kullanılmıştır. Üçüncü grup katı hal yanma sentezi deneylerinde ise lityum kaynağı olarak LiOH.H2O ve silisyum kaynağı olarak yine değişen mol miktarları ile metalik Si tozu ve toz halde SiO2 birlikte kullanılmıştır. Deneysel çalışmalar öncesinde Li4SiO4'ün yanma sentezi ile üretim koşulları FactSage 8.2 yazılımı ile modellenmiştir. Modelleme sonuçlarına göre birinci grup katı hal yanma sentezi başlangıç karışımı 700 °C'ye ısıtıldığında reaksiyon sırasında açığa çıkan enerji miktarında büyük artış gözlemlenmiştir. Bu sıcaklık yanmanın gerçekleştiği ve Li4SiO4 dönüşümünün gerçekleştiği sıcaklık olarak belirlenmiştir. Birinci grup katı hal yanma sentezi reaksiyonlarında kendiliğinden ilerleyebilir karakterde Li4SiO4 dönüşümü için gerekli olan ekzotermik enerjinin ilk olarak silisyumun oksijen ile yanmasından sağlandığı tespit edilmiştir. Li2O süblimleşmesinin, katı hal sentezi ve yanma sentezi gibi yüksek sıcaklıklarda yürütülen üretim proseslerinde göz ardı edilmemesi gereken bir parametre olduğu bilinmektedir. Bu yüzden Li2O süblimleşmesi de modellenmiştir. Simülasyon sonuçları incelendiğinde Li2O süblimleşmesinin her sıcaklıkta gerçekleşebileceği fakat artan sıcaklık ile birlikte süblimleşme oranının da arttığı görülmüştür. Birinci grup katı hal yanma sentezi deneyleri öncesinde 500 ile 750 °C arasında değişen sıcaklıklarda 60 dk. süre ile ön denemeler yapılmıştır. Katı hal yanma reaksiyonunun 700 °C'de büyük ölçüde tamamlandığı tespit edilmiştir. Önce sentez sıcaklığının optimizasyonu için 800, 850 ve 900 °C'de katı hal yanma sentezi deneyleri tamamlanmıştır. Sıcaklık optimizasyonu ardından sentez süresinin optimizasyonu için 700 ile 900 °C arasında 45 ve 75 dk. süre ile deneyler yapılmıştır. Ürünlerin Li4SiO4 içerik miktarı (%) artan sentez sıcaklığı ile artmıştır. Aynı ürünlere ait olan kristalit boyutu ve ortalama partikül boyutu değerleri artan sentez sıcaklığı ile artmıştır. Spesifik yüzey alanı değerleri ise sentez sıcaklığı ile ters orantılı sonuçlar vermiştir. Toz Li4SiO4 için fiziksel özellikler, sentez sıcaklığı ve süresi göz önünde bulundurulduğunda optimum sentez şartları 850 °C ve 60 dk. olarak belirlenmiştir. Bu ürünün Li4SiO4 içeriği %98,6, nm kristalit boyutu 318,57, spesifik yüzey alanı2,091 m2/g ve ortalama partikül boyutu 14,33 µ olarak ölçülmüştür. İkinci grup katı hal yanma sentezi deneyleri 700, 800 ve 900 °C'de 60 dk. süre ile gerçekleştirilmiştir. Deneylerde, 0,8-1,2 arası değişkenlik gösteren SiO2 mol miktarları kullanılmıştır. En yüksek Li4SiO4 içeriği %99,7 ile 900 °C'de 1 mol SiO2 kullanılan deney sonucu elde edilen üründe gözlemlenmiştir. Bu ürünün 335,35 nm kristalit boyutuna, 0,522 m2/g spesifik yüzey alanına ve 18,14 µ ortalama partikül boyutu değerlerine sahip olduğu ölçülmüştür. Lityum kaynağı olarak LiOH'nin kullanıldığı üçüncü grup katı hal yanma sentezi deneyleri 60 dk. süre, değişkenlik gösteren SiO2 mol miktarı koşulları ile 800 ve 900 °C'de gerçekleştirilmiştir. Bu gruba ait olan ürünlerin Li4SiO4 içeriği düşük olduğundan spesifik yüzey alanı ve ortalama partikül boyutu gibi fiziksel özelliklerinin ölçümü yapılmamıştır. Çözelti yanma sentezi çalışmalarına yakıt olarak glisinin kullanıldığı ön denemeler ile başlanmıştır. Reaksiyonlar çok patlayıcı bir şekilde gerçekleştiği için yakıt sitrik asit ile değiştirilmiştir. Başlangıç malzemeleri LiNO3, TEOS ve sitrik asit olan ve ısıtıcılı manyetik karıştırıcı üzerinde gerçekleştirilen çözelti yanma sentezi deneyleri sonucu Li2CO3 ve Li2SiO3 içeren ara ürünler elde edilmiştir. Li4SiO4 dönüşümünü tamamlayabilmek için bu ara ürünler 650 °C'de sırasıyla 4, 5 ve 6 saat süre ile kalsinasyon işlemine tabi tutulmuştur. En yüksek Li4SiO4 içeriği %96,8'lik değer ile 6 saat kalsine edilmiş olan üründe gözlemlenmiştir. En yüksek spesifik yüzey alanı değeri, 4 saat kalsine edilen üründe 5,2 m2/g olarak ölçülmüştür. CO2 yakalama testlerinden önce, Li4SiO4'ün, hacmen %92 CO2, %8 N2 ve %20 CO2, %80 N2 gaz atmosferlerinde CO2 yakalama koşulları modellenmiştir. %92 CO2 koşulunda, teorik olarak 600 °C'ye kadar CO2 yakalayan Li4SiO4, bu sıcaklıktan sonra rejenere olmuştur. CO2 kısmi basıncı %20'ye azaltıldığında Li4SiO4'ün teorik olarak 500 °C'ye kadar CO2 yakalayabildiği, bu sıcaklıktan sonra rejenerasyona uğradığı görülmüştür. Ortamdaki CO2 kısmi basıncı düştükçe Li4SiO4'ün yakalayacağı CO2 miktarının azalacağı tespit edilmiştir. Yanma sentezi ile üretilen Li4SiO4 tozlarının CO2 yakalama performansı termogravimetrik analiz cihazında yapılan deneyler ile değerlendirilmiştir. Tüm ürünler hac.%92 CO2 (kalan N2) içeren gaz karışımı ile sorpsiyon işlemine tabi tutulmuştur. Katı hal yanma sentezi ürünleri %4,79 – 12,80 arasında değişen CO2 yakalama performansı sergilemiştir. Çözelti yanma sentezi ürünleri ise %13,89 – 29,50 arasında değişen CO2 yakalama değerlerine ulaşmıştır. En iyi performansı gösteren iki ürün, fosil yakıt kullanan bir enerji santralinin baca gazı koşullarını temsil eden hac.%20 CO2 (kalan N2) içeren gaz karışımı ile sorpsiyon işlemine tabi tutulmuştur. Bu ürünler sırasıyla %21,4 ve %15,8'lik yakalama performansı sergilemiştir. Çözelti yanma sentezi sonrası 650 °C'de 4 saat boyunca kalsine edilen ürün en üstün CO2 yakalama performansına sahip olmuştur ve 15 çevrimlik CO2 yakalama testi sırasında %21-24 arasında değişen CO2 yakalama performansı sergilemiştir. 850 °C ve 60 dk. katı hal yanma sentezi şartları ile elde edilmiş olan Li4SiO4 tozları 700 – 950 °C arasında değişen SPS sıcaklıkları ile kompakt hale getirilmiştir. En yüksek yoğunluk ve sertlik değerlerinin sırasıyla 2,363 g/cm3 ve 166,68 HV olarak 850 °C SPS sıcaklığında sinterlenen ürüne ait olduğu belirlenmiştir. SPS sıcaklığı 850 °C'ye kadar arttırıldığında, yoğunluk ve sertlik değerlerinin arttığı, SPS sıcaklığının 900 ve 950 °C'ye ulaştığı durumlarda ise yoğunluk ve sertlik değerlerinin azaldığı tespit edilmiştir. Faz analizi sonuçları, kompakt ürünlerin, 800 °C ve daha düşük sıcaklıklarda sinterlendiği koşullarda Li2CO3 ve Li2SiO3 fazlarını içermediğini, 850 °C'de %30,2 Li2SiO3, 900 °C'de %15,1 Li2SiO3 ve 950 °C'de %11,8 Li2SiO3 ihtiva ettiğini ortaya koymuştur. SPS ürünlerindeki yoğunluk ve sertlik değişiminin yapıda oluşan Li2SiO3 ve Li2CO3 fazlarından kaynaklandığı belirlenmiştir.
  • Öge
    CrCoNiFeMo katkılı B4C matrisli kompozitlerin SPS ile üretimi ve karakterizasyonu
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-03-15) Ocak, Burak Çağrı ; Göller, Gültekin ; 506162420 ; Metalurji ve Malzeme Mühendisliği
    Bor karbür (B4C) sahip olduğu düşük yoğunluk, oldukça yüksek sertlik, yüksek ergime noktası yüksek aşınma direnci, üstün kimyasal dayanım gibi öne çıkan özelliklere sahip bir yapısal seramiktir. Elmas ve kübik bor nitrürün ardından bilinen en sert malzemedir. Sahip olduğu bu üstün özellikleri sayesinde askeri amaçlı araç ve kişisel zırh sistemleri, havacılık ve uzay uygulamaları, balistik ve nükleer uygulamalar gibi çok çeşitli kullanım alanlarına sahiptir. Bunun yanında, yapılarında bulunan bor ve karbon atomları arasındaki güçlü kovalent bağları, yüksek ergime sıcaklıkları yalnızca yüksek sıcaklık ve basınç gerektiren üretim yöntemleri ile şekillendirilmelerine yol açar. Aynı zamanda, düşük kırılma tokluğu özelliğinden dolayı, yüksek darbe dayanımı gerektiren balistik uygulamalar gibi alanlarda kullanımı sınırlıdır. Bor karbürün monolitik olarak yüksek yoğunluklarda sinterlenememesi ve düşük kırılma tokluğundan dolayı çeşitli alanlarda kullanımın kısıtlanması, kompozit yapı halinde üretimini ve kullanımını ihtiyaç haline getirmektedir. Yüksek entropi alaşımları, beş ve daha üzeri birincil elementin atomistik ölçüde bir araya gelmesiyle oluşan yeni nesil alaşımlar olarak tanımlanmaktadır. Üstün mekanik, elektriksel ve termal özelliklere sahiplerdir. Yüksek entropi alaşımlarının özelliklerinin ve mikroyapılarının benzersiz olmasını sağlayan yüksek entropi etkisi, latis distorsiyon etkisi, yavaş difüzyon etkisi ve karışım etkisi olmak üzere dört temel etkiye sahiptir. Bu çalışmada, spark plazma sinterleme (SPS) yöntemi kullanılarak kompozit yapılı B4C-FeNiCoCrMo seramiklerinin üretimi ile bu kompozit yapının monolitik B4C seramiklerine göre daha iyi yoğunlaşma, daha üstün mekanik özellikler ve iyileşmiş nükleer performans elde edilmesi, çalışmanın ana amacı olarak belirlenmiştir. Doktora tez çalışması kapsamında monolitik B4C ve B4C-FeNiCoCrMo seramiklerinin üretimi SPS yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Sinterlenen disk şeklindeki numunelerin yoğunluk değerleri ve yoğunlaşma davranışları incelenmiştir. Yüksek sıcaklıklarda gerçekleşen sinterleme işleminde gerçekleşebilecek reaksiyonlar sonrasında B4C stokiyometrisini ve oluşan yapıyı incelemek adına sırasıyla Raman ve faz analizi yapılmıştır. Üretilen numunelerin matriks ve katkı fazı arasındaki arayüzeyi, tane yapısını ve katkı dağılımını incelemek için taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile mikroyapı incelemesi, oluşan fazların elementel dağılımını görmek için enerji dağılım spektrometresi (EDS) incelemeleri gerçekleştirilmiştir. Mekanik incelemeler kapsamında Vickers mikrosertlik, 4 nokta eğme ve indentasyon yöntemi ile kırılma tokluğu değerleri belirlenmiştir. İkinci grup üretimler, birinci grup üretimlerde elde edilen optimum bileşimi sağlayan bileşim üzerinden farklı sinterleme süreleri ve SPS sıcaklıkları ile gerçekleştirilmiştir. Bu üretimlerde sinterlenen numunelerin yoğunluk ve mikroyapısı ilişkisi göz önünde bulundurularak formal sinterleme analizi gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçlarına göre matematiksel modelleme kullanılarak belirli SPS sıcaklıkları için aktif olan sinterleme mekanizmaları saptanmıştır. Üçüncü grup üretimlerle birlikte numunelerin gama ve nötron radyasyonu karşısındaki zırhlama özellikleri incelenmiştir. Numunelerin Cs-137 gama radyasyonu karşısında doğrusal zayıflatma katsayısı ve yarı değer kalınlıkları belirlenmiştir. Nötron radyasyonu karşısında ise total makroskopik kesit değeri ve yarı değer kalınlıkları hesaplanmıştır. SPS yöntemi ile üretilen B4C-FeNiCoCrMo seramikleri, monolitik B4C numunesine göre daha iyi yoğunluk değerleri, iyileşmiş yoğunlaşma davranışları, daha yüksek sertlik ve kırılma tokluğu değerleri, daha yüksek doğrusal zayıflatma katsayısı, daha düşük yarı değer kalınlığı ve gelişmiş total makroskopik kesit değeri göstermiştir. B4C-FeNiCoCrMo hedeflenen relatif yoğunluk değerine (%97) ulaşmıştır. En iyi yoğunluk ve mekanik özellikleri gösteren numune hacimce %2 FeNiCoCrMo içeren seramik numunesi olarak belirlenmiştir.