Mekanik alaşımlanmış Co18Cr10Fe10Ni47Al10Ti5 yüksek entropili alaşımının spark plazma sinterleme ile üretimi ve karakterizasyonu

Abstract

Yeni malzeme grubu olarak keşfedilen yüksek entropili alaşımlar en az beş farklı elementin yapıya katılmasıyla elde edilerek çok bileşenli alaşımlama ile üretilmektedirler. Yüksek entropi etkisi, yavaş difüzyon etkisi, şiddetli kafes distorsiyonu ve kokteyl etkisi olarak adlandırılan dört temel etki sayesinde yüksek sıcaklıklarda yüksek mukavemet, yüksek korozyon direnci, yüksek aşınma direnci ve yüksek termal direnç gibi özellikleri sayesinde birçok alanda kullanılmaktadır. Jeotermal alanlarda, nükleer uygulamalarda, otomotiv ve motor malzemelerinde üstün özellikleri sayesinde kullanılmaktadır. Yüksek entropili alaşımların üretilmesinde üretim yöntemi olarak döküm ve toz metalurjisi dikkat çekmektedir. Ancak katılaşma prosesi kontrolünün zorluğu, döküm kusurları, denge fazlarının bastırılması, artık gerilmeler, çatlaklar ve segregasyon nedeniyle istenilen malzeme özelliklerine döküm ile kolaylıkla ulaşılamamaktadır. Bu sınırlamalar, mekanik alaşımlamanın (MA) toz halinde daha iyi kimyasal homojenliğe sahip stabil bir mikroyapı geliştirme ve ardından konsolidasyon yeteneği sayesinde toz metalürjisi yöntemi kullanılarak aşılabilmektedir. Spark plazma sinterleme (SPS) ile daha düşük sıcaklıklarda, kısa sürede, teorik yoğunluğa sahip YEA'lar elde edilen ve mekanik alaşımlama sonrası yapıya karışmayan elementel yapının SPS sonrası tamamen alaşımlanmaya katılmasını sağlaması sebebiyle son zamanlarda ön plana çıkan bir yöntemdir. Ni bazlı yüksek entropili alaşımlar; yüksek sıcaklıkta yüksek dayanım, yüksek mukavemet, yüksek sertlik, yüksek aşınma direnci ve metal alaşımlarından daha hafif olmaları gibi özellikleri sayesinde günümüzdeki en önemli malzeme grupları olarak değerlendirilmektedir. Bu çalışma kapsamında daha önce çalışılmamış olan Ni bazlı Co18Cr10Fe10Ni47Al10Ti5 yüksek entropili alaşım Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü'nde bulunan SpexTM 8000D Mixer/Mill mekanik alaşımlama cihazı ve 20.000 A kapasiteli SPS 7.40 MK VII, SPS Syntex Inc. model spark plazma sinterleme (SPS) cihazı ile üretilmiştir ve konsolide edilmiştir. Deneysel çalışmalar kapsamında Co18Cr10Fe10Ni47Al10Ti5 YEA mekanik alaşımlama parametreleri optimize edilerek üretilmiştir. Optimize edilen mekanik alaşımlanmış YEA'ın faz analizi ve mikroyapı karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Daha sonrasında farklı sinterleme sıcaklıklarında (1000°C, 1100°C ve 1200°C) sabit basınç altında (40 MPa) ve sabit ısıtma hızında (100°C/dak) YEA konsolide edilmiştir. Farklı sinterleme sıcaklıklarında konsolide edilen numunelerin karakterizasyonunu yapmak için yoğunluk ve Vickers mikrosertlik değerleri ölçülmüştür ve faz analizi ve mikroyapı karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmalar sonucunda artan sinterleme sıcaklığının relatif yoğunlukta artış (96.13%, 97.01%, 97.32%) meydana getirdiği gözlenmiştir. Relatif yoğunluktaki artış, porozite miktarının artan sıcaklıkla birlikte azalması ile meydana gelmiştir. Artan sinter sıcaklığıyla birlikte yapılan sertlik ölçümlerinde; oluşan intermetalikler ve tane büyümesi (0.123 mm, 0.147 mm, 0.573 mm) ile ilişkili olarak sırasıyla 724.05HV, 691.3HV ve 657.26HV değerleri elde edilmiştir. Yapılan mikroyapı incelemelerinde intermetalik yapı, gözenekli yapı ve tane büyümesinin mikrosertlik ve yoğunluk değerlerindeki artış ve azalışa neden oldukları belirlenmiştir.