KRTD-bor uygulamasında alüminyum oksit (Al2O3) katkısının etkisi

Abstract

Bor rezervi açısından dünyada ilk sırada bulunan ülkemizde geleneksel borlama yöntemleri olan kutu ve pasta borlama yöntemleri dışında elektrokimyasal borlama gibi yenilikçi yöntemler üzerine birçok çalışma yapılmaktadır. Geleneksel borlama yöntemlerinin çevresel ve ekonomik (üretilen katı atık miktarının fazlalığı, zehirli gaz emisyonları ve işlem süresinin uzunluğu) dezavantajları bu yöntemleri sınırlamaktadır. Yenilikçi "Katodük Redüksiyon Termal Difüzyon (KRTD)" prosesi, borlama sürecini daha verimli ve kontrollü bir şekilde uygulanmasını sağlamaktadır. Temel olarak KRTD-Bor prosesi, metalik taban malzeme yüzeyinde katodik reaksiyonlar sonucunda oluşturulan bor atomlarının, düşük atom çapları ve sıcaklığın etkisiyle malzemenin latis ara yerlerine difüzyonu sonucu yüzeyde sert metal-bor tabakası oluşumunu sağlayan "difüzyon esaslı yüzey sertleştirme" yöntemidir. Endüstriyel olarak geniş bir kullanım yelpazesine sahip çeliklerin borlama prosesi ile yüzeylerinde demir borür (FeB ve Fe2B) fazları oluşturularak korozyona ve aşınmaya karşı dayanımları arttırılabilmektedir. Borlanmış yüzeyler, yüksek sıcaklık koşullarında ve kimyasal olarak aşındırıcı ortamlarda üstün dayanıklılık sergilemektedirler. Çok bileşenli borlama, borlama işleminin geliştirilmiş bir versiyonu olup, birden fazla elementin bor ile birlikte difüze edilmesi yoluyla yüzey özelliklerini iyileştirmeyi hedefleyen bir yöntemdir. Bu teknik, tek başına yapılan borlama işlemine kıyasla, daha üstün mekanik, termal ve kimyasal özellikler sunar. Çok bileşenli borlama, özellikle yüksek sıcaklıklara dayanıklılık ve aşındırıcı koşullara karşı direnç gerektiren yüzeylerin oluşturulmasında önemli bir avantaj sağlar. İşlem sırasında, borun yanı sıra silisyum, krom, vanadyum veya alüminyum gibi diğer elementlerin de yüzeyde difüze olmasıyla çeşitli borür fazları meydana gelir. Bu yöntem, yüzey sertliğini artırırken sünekliği koruma yeteneğiyle kırılganlık riskini azaltır. Boralüminyumlama, bor ve alüminyumun eş zamanlı olarak metal yüzeye difüzyonuyla gerçekleştirilen bir yüzey sertleştirme yöntemidir. Bu teknik, özellikle oksidasyon ve yüksek sıcaklık korozyonuna karşı dayanıklı yüzeyler elde etmek için tercih edilmektedir. Çelik taban malzemesi kullanılarak yapılan boralüminyumlama işlemi sonucunda yüzeyde hem alüminyum hem de demir içeren borür fazları oluşur. Bu çift fazlı yapı, malzemenin mekanik dayanımını artırırken aynı zamanda kimyasal stabilitesini de iyileştirir. Boralüminyumlama, özellikle buhar türbinleri, kimyasal reaktörler ve yüksek sıcaklık koşullarında çalışan ekipmanların korunmasında geniş bir uygulama alanı bulmuştur. Bunun yanı sıra, enerji sektöründe kullanılan çeliklerin oksidasyon direncini artırarak hem uzun vadeli performans hem de maliyet avantajı sağlamaktadır. Bu özellikler, boralüminyumlamayı modern yüzey sertleştirme teknikleri arasında önemli bir yere taşımaktadır. Bu tez çalışmasında boralüminyumlama yöntemi üzerinde durularak, KRTD-bor uygulamasında alüminyum oksit (Al2O3) katkısının etkisi araştırılmıştır. Yapılan deneylerde düşük karbon çeliği taban malzemesi olarak kullanılmış ve katot olarak yüklenirken, elektrolit bileşimi içeren alümina korumalı grafit pota anot olarak yüklenerek deneyler gerçekleştirilmiştir. Yapılan ön deney sonucunda alüminyum borür fazlarının (AlB2, Fe2AlB2) varlığına x-ışını kırınımı analizi sonucunda ulaşılmıştır. Yapılan ilk seri çalışmalarda elektrolit olarak susuz boraks (Na2B4O7) içerisine %15 alüminyum oksit tozu eklenerek 950°C de 60 dk sabit tutularak 25-50-75-100-200-400-600 mA/cm² akım yoğunlukları taranmıştır. 25-200 mA/cm² akım yoğunluğu aralığında borür tabaka kalınlığında artan akım yoğunluğuna bağlı olarak artış gözlemlenerek 200 mA/cm² akım yoğunluğunda ortalama 180 μm kalınlığa ulaşılmıştır. 25, 50 ve 400, 600 mA/cm² akım yoğunluğunda tek fazlı Fe2B faz oluşumu gözlemlenmiştir. Elektrolit bileşimi deneyleri için optimum akım yoğunluğu 200 mA/cm² belirlenerek 950°C, 60 dk'da üç farklı grup denenmiştir. İlk grup için yüksek frekanslı indüksiyon fırını kullanılarak %100 boraks, sodyum karbonat (Na2CO3), alüminyum oksit ve farklı stokiometrilerdeki kombinasyonlarını içeren elektrolitler ergitilerek çalışılmıştır. En yüksek borür tabaka kalınlığına 152 μm ile %85 boraks + %15 alüminyum oksit içeren bileşimde ulaşılmıştır. Ardından düşük frekanslı indüksiyon fırını kullanılarak %100 boraks, sodyum karbonat, alüminyum oksit, kalsiyum florür (CaF2) ve farklı stokiometrilerdeki kombinasyonlarını içeren çalışmalar yapılmıştır. %80 boraks, %10 sodyum karbonat + %10 alüminyum oksit içeren çalışmadaen yüksek borür tabaka kalınlığına (110 μm) ve sertlik değerine (2200±200 HV) ulaşılmıştır. Son grup için düşük frekanslı indüksiyon fırını kullanılarak %5-10-15-20 alüminyum oksit oranları taranmıştır. Alüminyum oksit oranı artması ile Fe2B içeren tek fazlı yapı gözlemlenmiştir. Yapılan çalışmalar kapsamında numuneler metalografik teknikler uygulanarak hazırlanmış ve yapısal karakterizasyonu tamamlanmıştır. Bu bağlamda yapıdaki fazların tayini x-ışını kırınımı (XRD) ile, yapıların morfolojik incelenmesi ve tabaka kalınlıklarının saptanması optik mikroskop (OM) ve taramalı elektron mikraskobu (SEM) yardımı ile yapılmıştır. Büyütülen borür yapılarının mikrosertlik analizleri Vickers sertlik cihazı ile tayin edilmiştir. Ayrıca elektrolit içerisindeki alüminyum oksit katkısının büyütülmüş borür tabakalarının düşük, orta ve yüksek sıcaklıktaki oksidasyon performansına etkisi incelenmiştir.