Yüksek entropi (HfTiZrTa/Cr)B2 esaslı seramiklerin farklı yöntemler kullanılarak sinterlenmesi ve karakterizasyonu

Abstract

Son on yıldır, yüksek entropi alaşımları (YEA) adı verilen yeni malzemeler yaratmak üzere, yüksek konsantrasyonlarda çoklu ana elementlerin kombinasyonunu içeren yeni bir alaşım stratejisi ortaya çıkmıştır. Yapılan bazı çalışmalarda, yüksek entropi alaşımlarının, geleneksel alaşımlara göre daha üstün özelliklere sahip olduğu görülmüştür. Yüksek sertlik, yüksek mukavemet ve yüksek aşınma direnci gibi bazı özellikler, YEA'ları bazı kullanım alanları için (termoelektrik, manyetokalorik, süper iletken ve kataliz malzemeleri) çekici kılmaktadır. Ayrıca, YEA'lar, özel ekipmanlara ihtiyaç duyulmadan üç farklı konvansiyonel yol ile üretilebilmektedir. Birincil yöntem, ark ergitme, elektrik dirençli eriyik katılaştırma ve lazerle tasarlanmış net şekillendirmeyi içeren sıvı hal sentezi; İkincil yöntem, mekanik alaşımlama, yüksek enerjili bilyalı öğütme ve spark plazma sinterleme dahil olmak üzere katı hal sentezi; son olarak da plazma püskürtme işlemi, termal püskürtme ve magnetron püskürtme dahil olmak üzere gaz fazdan sentezdir. Yüksek entropi alaşımlarını sentezlemek popüler olmasına rağmen, çok yüksek işlem sıcaklığı gerektirir. Ayrıca, bu üretim esas olarak homojen hale getirmek için kapsamlı ısıl işlem gerektiren dendrit mikroyapısına yol açar. Yüksek entropi alaşımlar, bulk halinde oksitler, borürler, karbürler, nitrürler, silisitler ve florürler olarak sentezlenebilmektedir. Yüksek entropi metal borürleri, seramiklerin düşük yoğunluk, mükemmel yüksek sıcaklık mukavemeti, yüksek aşınma ve korozyon direnci ve spesifik fiziksel (optik, elektriksel ve manyetik) özellikler gibi üstün özelliklerinin kombinasyonuna sahip olabilmektedir ve bu özellikler yüksek entropi borürlerine geniş bir yelpazede kullanım potansiyeli (havacılık, güneş enerjisi sektörü, nükleer reaktörler, kesici uçlar, metalurji sektörü, mikroelektronik, vs.) sağlamaktadır. Yayınlanmış literatürde, yüksek entropi borür tozları, çoğunlukla parçacık boyutunu düşürmek ve yüksek entropi borürlü seramiklerin düşük sıcaklıkta yoğunlaşmasını hedeflemek için yüksek enerjili bilyalı öğütme (HEBM) yoluyla mekanik olarak alaşımlandırılarak elde edilmiştir. Bu çalışmada, (HfTiZrTa/Cr)B2 bazlı yüksek entropi borür seramiklerinin elde edilmesi için, ilk olarak hibritleştilecek olan borür tozları ucuz oksit hammaddelerinden hareketle yerli bor oksit ve magnezyum redüktan varlığında, oda sıcaklığında mekanokimyasal sentezleme ve takibindeki liç işlemi ile saflaştırma yöntemleri kullanılarak HfB2, ZrB2, TiB2, TaB-TaB2, CrB-CrB2-Cr3B4 tozlarının sentezi gerçekleştirilmiştir. Bu temel kompozisyona ilaveten, W-B, Mo-B, Mn-B tozları da optimum koşullarda aynı metot kullanılarak üretilmiştir. Tozların sentezlenmesinde çelik kap ve bilyalar kullanılmış, bilya/toz ağırlık oranı 10/1 oranı olarak seçilmiştir. Liç sonrası elde edilen tozların faz ve morfoloji karakterizasyonu X-ışınları difraktometresi (XRD) ve partikül boyut analizi ile gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, sentezlenen tozların yoğunluk ölçümleri de piknometre ile yapılmıştır. Elde edilen bu tozlar daha sonra eş molar olacak şekilde harmanlanıp tungsten karbür kap ve bilyalar kullanılarak yine bilya-toz ağırlık oranı 10:1 seçilip, 6 sa bouyunca öğütülerek hibrit hale getirilmiş, basınçsız sinterleme ve spark plazma sinterleme (SPS) yöntemleri ile sinterlenerek bulk hale getirilmiştir. Elde edilen sinter bünyelerde, faz karakterizasyonu için X-ışınları difraktometresi, taramalı elektron mikroskobu/enerji dağılımlı spektroskobu (SEM/EDS) kullanılmıştır. İlaveten Vickers sertlik testi, aşınma testi ile profilometre ölçümleri, ve Arşimet yöntemi kullanılarak yoğunluk ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Mekanokimyasal yöntemle hibrit hale getirilen (HfTiZrTa/Cr)B2 esaslı tozların partikül boyutları lazer kırınım teknikleri ile analiz edilmiş ve öğütme işlemi nedeniyle tozların partikül boyutunun azaldığı görülmüştür. Toz morfolojisi, elementel kompozisyon ve dağılım, taramalı elektron mikroskobu / enerji dağılımlı spektrometre (SEM / EDS) ile karakterize edilmiştir. Son olarak, öğütülmüş tozların yoğunluğu He gaz piknometresi ile ölçülmüştür. Bu hibrit tozlar daha sonra 1650 ̊C de atmosfer kontrollü fırınında basınçsız olarak sinterlenmiş, X-ışınları difraktometresi karakterizasyonu yapıldığında tek faz olacak şekilde elde edilemediği görülmüştür. Farklı bir yöntem kullanılarak tek faz olacak şekilde sentezlenmek istenen yüksek entropi borürleri, SPS yöntemi ile 2000 ̊C'de sinterlenerek bulk halde elde edilebilmiştir. Bu bulk numunelere taramalı elektron mikroskobu / enerji dağılımlı spektrometre (SEM / EDS) analizi yapılmıştır. Daha sonra Arşimet prensibi ile yoğunluk ölçümleri gerçekleştirilmiş, SPS ile üretilmiş numunelerde yoğunluğu en yüksek numunenin 8,4788 g/cm3 yoğunluk değerine sahip olduğu görülmüştür. Bu numunelere Vickers sertlik analizi yapılmıştır ve en yüksek sertlik değerine sahip olan SPS numunesinin 22,25 ± 1,31 GPa değerinde olduğu bulunmuştur. Bu değerlerin literatür ile karşılaştırıldığında uyumlu olduğu görülmüştür. En son olarak da sinter numunelerin aşınma karakterlerini incelemek için WC bilyalar ile bilya-disk tipi aşınma testi uygulanmıştır. Aşınma testi sonucunda aşınma özellikleri yüzey profilometresi yardımıyla ölçülen aşınma hacmi kaybından hesaplanmıştır ve aşınma izi optik mikroskop cihazı ile incelenmiştir.