SHS yöntemiyle tufal ve hematit kaynağı kullanılarak Fe3Al intermetalik bileşiğinin üretimi ve Ni, Cr, W ilavelerinin etkileri

Abstract

Bu yüksek lisans tez çalışmasında; kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık sentezi yöntemi (SHS) ile demir kaynağı olarak tufalin kullanıldığı Fe3Al intermetalik bileşiğinin üretilmesi, Fe3Al intermetalik bileşiğine Ni, Cr ve W alaşım elementlerinin kütlece % 5, % 10 ve % 15 olacak şekilde eklenmesi ve mekanik özelliklerine etkisinin incelenmesi planlanmıştır. Ayrıca demir kaynağı olarak hematit kullanılan Fe3Al intermetalik bileşiğinin üretilmesi ve kütlece % 10 Ni, Cr ve W alaşım elementlerinin eklenerek, demir kaynağı olarak tufal kullanılan deney sistemleri ile mekanik özelliklerinin karşılaştırılması planlanmıştır. SHS; düşük enerji gereksinimi, düşük üretim maliyeti, kısa işlem süresi, az enerji tüketimi gibi avantajlara sahip olması sebebi ile üretim yöntemi olarak tercih edilmiştir. İntermetalik bileşikler; iki veya daha fazla metalin uygun stokiyometrik oranda birleşmesiyle oluşur. Yüksek sıcaklıklarda yüksek mukavemet ve sertliğe sahip malzemelere olan talep, intermetalik bileşiklere olan ilgiyi daha da artırmıştır. Demir alüminidler en popüler intermetalik bileşikler arasındadır. Yüksek ergime noktaları, yüksek sertlik değerleri, düşük yoğunlukları, yüksek oksidasyon ve korozyon dirençleri sayesinde yüksek sıcaklıklarda yapısal uygulamalarda kullanılmak için sıklıkla çalışılmaktadır. D03 kristal yapısına sahip olan Fe3Al, en kararlı demir alüminidlerden biridir. Fiziksel ve mekanik özelliklerinden dolayı yüksek sıcaklıklarda kullanılmaya aday malzemeler arasındadır. Ancak oda sıcaklığında düşük sünekliği ve kırılma tokluğu nedeniyle kullanım alanlarında kısıtlamalar vardır. Son yıllarda demir alüminidlerin mekanik özelliklerini iyileştirmeye yönelik başarılı çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmalar, kompozisyon ve mikro yapı kontrolü ile oda sıcaklığında sünekliğin % 10-20'ye, 600 oC'de akma dayanımının ise 500 MPa'ya yükseldiğini göstermektedir. Sisteme eklenen alaşım elementlerinin; D03↔B2 dönüşüm sıcaklığını lineer olarak arttırdığı gözlemlenmiştir. Dönüşüm sıcaklığı arttıkça, yüksek sıcaklık direnci sağlanmaktadır. SHS yöntemi, sisteme verilen ilk enerji ile ekzotermik reaksiyonun başlatılmasına ve reaksiyon nedeniyle açığa çıkan yanma dalgası ile kendi kendine yayılmasına dayanır. Sistem, kimyasal reaksiyonlar sonucu oluşan ısı ile kendi enerjisini sağlar. Böylece malzeme üretiminde dış kaynaklardan sağlanması gereken yüksek enerjiye ihtiyaç duyulmaz. Reaksiyonun çok hızlı gerçekleşmesi ve kendi enerjisi ile ilerlemesi nedeniyle ekonomiktir. Sürekli döküm tesislerinde gerçekleştirilen çelik üretiminde, çelik külçelerin soğuması sırasında çelik yüzeyinde bir tabaka oluşur. Çelik yüzeylerde oluşan bu oksit tabakasına tufal denir. Tufal yaklaşık % 70 oranında demirden oluşur ve yapısında wüstit ve hematit gibi demir oksitler bulunur. Tufalin yüksek orandaki demir içeriği nedeniyle demir kaynağı olarak geri kazanımı çok önemlidir. Bu çalışmada öncelikle FactSage 7.1 termokimyasal modelleme programı ile simülasyon çalışmaları yapılmıştır. Termodinamik incelemeler için program bünyesinde bulunan modüller kullanılarak, SHS deneyleri sonucu üretilecek ürünlerin ağırlıkları ve elemental analizleri, deney esnasında açığa çıkacak ısı miktarları ve adyabatik sıcaklık değerleri hesaplanmıştır ve çıkan tüm sonuçlar deneysel kısımda paylaşılmıştır. Termodinamik incelemeler sonucu deney sistemleri planlanmış ve hammaddeler hazırlanarak deneysel çalışmalara başlanmıştır. Deneysel çalışmaların ilk aşamasında; demir kaynağı olarak tufalin kullanıldığı deney sistemleri gerçekleştirilmiştir. Atık olarak değerlendiren ve çelik üretimi esnasında tonlarca açığa çıkan tufal; yüksek oranda demir içermektedir. Demir kaynağı olarak tufali kullanmak; geri dönüşüme katkı sağlamanın yanında, hammadde ve üretim maliyetlerini düşürmektedir. Ni, Cr ve W alaşım elementlerinin ve miktarlarının SHS ürünlerine olan etkisini incelemek için saf ve kütlece % 5, % 10 ve % 15 olacak şekilde alaşım elementlerinin eklendiği 10 adet deney yapılmıştır. Bu deneylerde; Fe3Al, Fe3Al-(5Ni), Fe3Al-(10Ni), Fe3Al-(15Ni), Fe3Al-(5Cr), Fe3Al-(10Cr), Fe3Al-(15Cr), Fe3Al-(5W), Fe3Al-(10W), Fe3Al-(15W) elde edilmek istenmiştir. İkinci aşamada; demir kaynağı olarak tufal yerine hematit kullanılmıştır. İlk aşamada yapılan deneyler sonucu alaşım elementi olarak eklenecek Ni, Cr ve W için ideal değer % 10 olarak belirlenmiştir. Bu aşamada 4 adet deney gerçekleştirilmiştir. Bu deneylerde; Fe3Al, Fe3Al-(10Ni), Fe3Al-(10Cr), Fe3Al-(10W) elde edilmek istenmiştir. Üçüncü aşamada ise, tufal kullanılan deney sistemlerinde alaşım elementi miktarlarının SHS ürünlerine olan etkisini incelemek ve hematit kullanılan SHS ürünleri ile tufal kullanılan SHS ürünlerinin özelliklerini karşılaştırabilmek için analizler yapılmıştır. Deneyler sonucu elde edilen ürünler ile farklı analizler gerçekleştirmek için numuneler hazırlanmıştır. Numunelerin; verimlilik analizleri, X-ışınları difraksiyonu (XRD) ile faz analizleri, Vickers ile mikrosertlik ölçümleri, X-ışınları floresans spektrometresi (XRF) ile kimyasal analizleri, SEM ve EDS ile mikroyapı analizleri yapılmıştır. Analiz sonuçları; deney sonuçları ve sonuçların irdelenmesi kısmında detaylıca paylaşılmıştır.