CoCrFeNiAl0.6 bileşimine değişen oranda B₄C ilavesinin mikroyapı-mekanik ve termal özellikler üzerine etkisinin araştırılması

Abstract

Yüksek entropili alaşımlar (YEA), %5-35 atomik orana sahip en az 5 farklı elementin, eş molar veya eş molara yakın oranlarda bir araya gelerek oluşturduğu çok bileşenli katı çözelti sistemleridir. Bu alaşımlar, sahip oldukları dört temel etki (yüksek entropi, kafes distorsiyonu, sınırlı (sluggish) difüzyon ve kokteyl etkisi) sayesinde üstün özellikler sergilemektedir. YEA'ların yüksek mekanik dayanım, yüksek sıcaklık kararlılığı, oksidasyon direnci gibi gelişmiş özelliklere sahiptirler. Bu üstün özellikler sayesinde YEA'lar; türbin kanatları, jet motorları, kesici takımlar, kaplamalar, nükleer reaktörler, boru sistemleri, implant malzemeleri gibi geniş uygulama alanına sahiptir. Yüksek entropili alaşım sistemleri arasında CoCrFeNi temelli alaşımlar, literatürde en yaygın çalışılan alaşım sistemlerinden biridir. Bu alaşımlar, sahip oldukları yüzey merkezli kübik (YMK) kristal yapı sayesinde süneklik-mukavemet dengesini kurmaları nedeniyle dikkat çekmektedir. Sisteme beşinci element olarak çeşitli alaşım elementleri ilave edilebilmesine karşın özellikle alüminyum (Al) ilavesi ön plana çıkmaktadır. CoCrFeNiAl sistemi, Al ilavesine bağlı olarak hacim merkezli kübik (HMK) fazın stabil olmasını teşvik ederek çift fazlı bir mikroyapı sergilemektedir. Yapıda YMK ve HMK fazlarının birlikte bulunması, süneklik ve mukavemet özelliklerinin birlikte iyileştirilmesine katkı sağlamakta ve alaşımın genel performansını artırmaktadır. Ancak, CoCrFeNiAl temelli yüksek entropili alaşımlar, özellikle yüksek sıcaklık uygulamalarında oksidasyon ve aşınma direnci açısından geliştirilmesi gereken yönlere sahiptir. Bu doğrultuda, literatürde YEA sistemlerini iyileştirmek amacıyla çeşitli seramik takviyeler kullanılmaktadır. Bilinen en sert üçüncü malzeme olan bor karbür (B4C), yüksek aşınma direnci, düşük yoğunluğu, kimyasal kararlılığı gibi özellikleri sebebiyle YEA sistemlerinde takviye fazı olarak öne çıkmaktadır. B4C ilavesinin, katı çözelti mukavemetlenmesi, tane incelmesi ve ikinci faz oluşumu gibi mekanizmalarla mekanik özellikleri ve aşınma direncini iyileştirdiği bilinmektedir. Bununla birlikte, yüksek sıcaklıkta oksidasyon davranışı üzerindeki etkileri henüz tam olarak netlik kazanmamıştır. Ayrıca, üretim parametreleri YEA'ların mikroyapı–özellik ilişkisi üzerinde belirleyici bir rol oynamaktadır. Katı hâl proseslerinden mekanik alaşımlama sonrası uygulanan spark plazma sinterleme (SPS) yöntemi, hızlı üretim, yüksek yoğunluk ve homojen mikroyapı elde edilebilmesi gibi önemli avantajlar sunmaktadır. Özellikle sinterleme süresi; difüzyon mekanizmalarını, faz oluşumunu ve tane büyümesini etkileyerek malzemenin mekanik ve kimyasal performansını doğrudan etkilemektedir. Literatürde, SPS yöntemi ile üretilmiş CoCrFeNiAl sisteminde, B4C takviyesi ve sinterleme süresinin mikroyapı, aşınma ve oksidasyon davranışı üzerindeki rolü yeterince kapsamlı olarak incelenmemiştir. Bu çalışmada, B4C takviyesinin ve sinterleme süresinin CoCrFeNiAl0,6 yüksek entropili alaşımı üzerindeki faz oluşumu, mikroyapı gelişimi, mekanik özellikler ile aşınma ve oksidasyon davranışları üzerindeki etkileri sistematik olarak incelenmiştir. Bu kapsamda daha önceki çalışmalardan mekanik alaşımlanmış olarak elde edilen CoCrFeNiAl0,6 tozları, hacimce %2 ve %4 B4C ile karıştırılmış ve 5 ile 6 dakika sinterleme sürelerinde, 100 ℃/dk ısıtma hızında, 40 MPa basınç altında ve 1000 ℃ sıcaklıkta spark plazma sinterleme (SPS) yöntemi ile üretilmiştir. Elde edilen numuneler; faz analizleri için X-ışını difraktometresine, yoğunluk tayini için Arşimet prensibine, mekanik özellikler için Vickers sertlik, oda sıcaklığı ve 600 ℃ yüksek sıcaklık aşınma testine ve oksidasyon davranışı için TG/DTA ile 1000 ℃'de fırın oksidasyon teslerine tabi tutulmuştur. Elde edilen sonuçlar doğrultusunda, CoCrFeNiAl0,6 yüksek entropili alaşım sisteminin literatürle uyumlu şekilde hem YMK hem de HMK fazlarını bir arada gösterdiği tespit edilmiştir. B4C ilavesindeki artışın, yapıda heterojen çekirdeklenme bölgeleri oluşturarak Cr segregasyonunu artırdığı; ek olarak X-ışını difraktometresinde gözlemlenen pik kaymalarının B ve C elementlerinin kristal kafes içerisinde çözünmesine bağlı olduğu ve bunun sonucunda kafes distorsiyonunun arttığı değerlendirilmiştir. TG/DTA analizleri, takviye malzemesinin oksidasyon başlangıç sıcaklığını, yüksek sıcaklıklara ötelemesine karşın kütle artışına sebep olduğunu göstermiştir. B4C ilavesinin; tane incelmesi, kafes distorsiyonuna bağlı dislokasyon hareketinin kısıtlanması ve sert ikinci fazların oluşumu gibi mekanizmalarla numunelerin sertliğini artırdığı belirlenmiştir. Sertlikteki bu artışa paralel olarak, artan B4C miktarı ile hem oda sıcaklığında hem de yüksek sıcaklıkta aşınma direncinde sırasıyla %87,3 ve %73,1 oranlarında iyileşme sağlanmış ve en iyi performansın %4 B4C içeren numuneye ait olduğu tespit edilmiştir. Aynı kompozisyonda artan sinterleme süresinin, takviye malzemesinin sağladığı iyileşmeyi sınırlandırdığı ve bu durumun tane büyümesi ile mikroyapıda faz genişlemesine bağlı olduğu değerlendirilmektedir. Yüksek sıcaklık oksidasyon sonuçları, B4C ilavesinin yüzeyde sürekli ve koruyucu oksit tabakası oluşumunu engelleyerek oksidasyon hızında ciddi artışa sebep olduğunu göstermektedir. Bu durumun, yüksek sıcaklıkta B4C'nin oksidasyonu sonucu oluşan B2O3 fazı ile birlikte CO/CO2 gaz çıkışına bağlı olarak gelişen gözenekli ve süreksiz oksit tabakasından kaynaklandığı sonucuna ulaşılmıştır. Bu tez çalışması MYL-2025-47749 numaralı İTÜ BAP Lisansüstü Tez projesi kapsamında İstanbul Teknik Üniversitesi BAP birimi tarafından desteklenmiştir.