CoCrFeNiAlx (x=0.2; 0.6; 1.0; 1.5) yüksek entropili alaşım sistemlerin mekanik alaşımlamasının optimizasyonu ve B4C takviyesinin spark plazma sinterleme prosesine etkisinin araştırılması

Abstract

Yüksek entropili alaşımlar (YEA), en az beş farklı elementin yapıya dahil olmasıyla elde edilen malzeme grubudur. Alaşım sisteminde bulunan, veya eklenecek olan her bir elementin, malzemenin belirli özelliklerini geliştirmesi beklenir. Mevcut alaşıma, çeşitli takviye malzemeleri (bor karbür, silisyum karbür vb.) veya oranı %5'ten daha az olacak şekilde minör olarak adlandırılan alaşım elementleri de eklenerek, yüksek mukavemet, yüksek sertlik, yüksek aşınma direnci, iyi seviyede korozyon ve oksidasyon direncine sahip bir malzeme elde edilebilmektedir. Bu sayede, yüksek entropili alaşım sistemlerinin, üstün performans gerektiren çeşitli alanlara yönelik (havacılık, otomotiv vb.) geliştirilmesine devam edilmektedir. YEA sistemlerinin kendine has bazı özellikleri bulunmaktadır. Bu özellikler, dört temel etki olarak adlandırılmakta olup, yüksek entropi etkisi, yüksek latis distorsiyonu, yavaş difüzyon etkisi ve kokteyl etkileridir. İlgili parametreler sayesinde, malzemelerin temel özellikleri ve davranışları hakkında bilgi edinilebilmektedir. YEA sistemlerinde en çok kullanılan üretim yöntemleri, genellikle üç başlık altında değerlendirilmektedir. Bu yöntemler; katı hal, sıvı hal ve gaz hal olmak üzere sınıflandırılmaktadır. Sıvı hal yöntemlerinde en çok kullanılan vakum ark ergitme prosesidir. Bu yöntemin temel sınırlaması, homojenliğin elde edilmesinin uzun vakitler gerektirmesidir. Homojenliğin sağlanması için, yöntemin birden fazla kez tekrarlanması gerekebilmektedir. Gaz hal üretim yöntemleri, genellikle YEA film kaplamaları üretiminde tercih edilmektedir. Katı hal üretim yöntemlerinde ise mekanik alaşımlama (MA) prosesi yer almaktadır. Mekanik alaşımlama prosesinde, toz, bilye ve proses kontrol maddesinin içerisinde olduğu, genellikle paslanmaz çelikten oluşan bir kap sistemi kullanılır. Yüksek enerjili değirmenlerde gerçekleştirilen proseste, çarpışmanın kuvvetiyle, toz parçacıkları plastik olarak deforme olur ve deformasyon sertleşmesine uğrayıp ile parçacıkların kırılması sağlanır. MA sayesinde, vakum ark ergitme yönteminin sınırlamalarından olan homojen mikroyapı iyi bir şekilde elde edilebilmektedir. Malzemede istenen yoğunluğun elde edilebilmesi için, MA işlemini takiben spark plazma sinterleme ile malzemeler şekillendirilerek, yüksek yoğunluk değerleri elde edilebilmektedir. SPS işlemi, düşük voltajlı, doğru akımlı, darbeli akımla aktive edilen bir basınçlı sinterleme tekniği olarak da bilinir ve yüksek sıcaklıklarda bile malzemelerin çok kısa sürelerde sinterlenip, yoğunlaştırılması sağlanır. YEA sistemlerine takviye malzemesi olarak eklenebilen, bor karbür (B4C), elmas ve kübik bor nitrürün ardından bilinen en sert üçüncü malzemedir. Bor karbür, düşük yoğunluğu (2,52 g/cm3), yüksek sertliği (29.1 GPa), yüksek ergime sıcaklığı (2450°C), yüksek elastik modülü (448 GPa), yüksek nötron emilim kesiti (600 barns) ve mükemmel termoelektrik gibi birçok çekici kombinasyonu sebebiyle yüksek performans uygulamaları için uygun bir malzemedir. Bu kapsamda, bor karbür, nükleer endüstride, personel ve araç güvenliği için zırh, roket yakıtı vb. uygulamalarda kullanılmaktadır. Çalışma kapsamında CoCrFeNiAlx (x=0,2 0,6 1,0 1,5) yüksek entropili alaşım sistemleri, mekanik alaşımlama yöntemi ile farklı sürelerde (2, 4, 6 ve 8 saat), sabit rpm dönüş hızında (800) üretilmiştir. Üretilen toz alaşımının partikül boyut dağılımları belirlenmiş ve X-ışını difraktormetre analizi (XRD) ile faz analizleri gerçekleştirilmiştir. Sinterleme işleminden önce, ThermoCalc yazılım programında yapıda hangi fazların oluşabileceğine ilişkin faz tahmin analizi gerçekleştirilmiştir. MA yöntemiyle üretilen toz alaşımlarının şekillendirilmesi için spark plazma sinterleme (SPS) prosesi gerçekleştirilmiştir. Sinterleme işleminde başlangıç tozu olarak 20 saat 300 rpm hızında öğütülmüş CoCrFeNiAl0,2 ve CoCrFeNiAl1 alaşım sistemleri kullanılmıştır. Bor karbür takviyeli alaşım sistemlerinde, sinterleme işleminden önce, öğütülmüş YEA tozları ve bor karbürün daha iyi homojen dağılımı için turbulada 6 saat süreyle karıştırma işlemi gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda, hem takviyesiz hem de değişen oranlarda (hacimce %2 ve %4) bor karbür takviyeli CoCrFeNiAl0,2 ve CoCrFeNiAl1 alaşım sistemleri değişen sıcaklıklarda (845, 900, 1000°C), sabit basınçta (40 MPa) ve sabit sinterleme sıcaklığında (3 dakika) SPS yöntemiyle şekillendirilmiştir. SPS işlemlerinden sonra, malzemelerin yoğunluk ölçümleri, XRD yöntemiyle faz analizleri, taramalı elektron mikroskobu ve enerji dağılım spektrometresi ile mikroyapı karakterizasyonları gerçekleştirilmiştir. Mekanik testler kapsamında, malzemelerin Vickers mikrosertlik ölçümleri, aşınma ve basma testleri yapılmıştır. Malzemelerin termal davranışları hakkında bilgi sahibi olabilmek için termogravimetrik analiz (TGA) ve diferansiyel termal analiz (DTA) işlemleri gerçekleştirilmiştir. Partikül boyut analizlerinde, genellikle 2-4 saat aralığında partikül boyutlarında bir azalma görülmüştür. Burada mekanik alaşımlama mekanizmalarından kırılma, soğuk kaynağa göre daha baskındır. 4-6 saat aralığında ise partikül boyutlarında bir artış görülmüştür. Burada ise soğuk kaynağın kırılmaya göre baskın olduğu gözlemlenmiştir. En yüksek yoğunluk değeri (7,87 ± 0,012), 1000°C sıcaklık, 40 MPA basınç ve 3 dakika sinterleme süresinde sinterlenen CoCrFeNiAl0,2 sisteminde elde edilmiştir. Yoğunluk artışının temel sebebinin, sinterleme sıcaklığındaki artışa bağlı olarak por miktarının azalması ve alüminyum oranının düşük olmasından kaynaklandığı görülmüştür. Mekanik alaşımlanmış CoCrFeNiAlx sistemlerinin faz analizlerine bakıldığında tüm alüminyum içeriğinde, YMK ve HMK katı çözeltilerinin bir arada bulunduğu görülmüştür. Elde edilen bu sonuçların termodinamik hesaplamalarla da uyumlu olduğu görülmüştür. Sinterlenmiş numunelerin faz analizlerine bakıldığında ise, eşmolar alaşım sistemlerinin hepsinde YMK ve HMK fazları bir arada bulunurken, ek olarak alüminyum esaslı intermetalik bileşiğin ve işlemler sırasında karbon difüzyonuna bağlı olarak karbürlü yapılarının da bulunduğu görülmüştür. Eşmolar olmayan CoCrFeNiAl0,2 alaşım sistemlerinde ise ağırlıklı olarak YMK katı çözelti fazı ve karbürlü yapılar mevcuttur. Alüminyum oranının arttıkça, tek fazlı bir HMK yapısının oluşacağı bilinmektedir. Dolayısıyla eşmolar olmayan CoCrFeNiAl0,2 sisteminde alüminyum oranının düşük olmasına bağlı olarak ağırlıklı olarak YMK fazının bulunması beklenen bir durumdur. Taramalı elektron mikroskobu ve enerji dağılım spektrometresi ile yapılan mikroyapı karakterizasyonlarıyla, X-ışını difraktormetre analizi sonuçlarının birbiriyle uyumlu olduğu görülmüştür. En yüksek sertlik değeri (4,76 ± 0,17 GPa), 900°C sıcaklıkta – 40 MPa basınçta – 3 dakika sinterleme süresinde sinterlenen takviyesiz CoCrFeNiAl alaşımında elde edilmiştir. Genel olarak, yoğunlaşmanın daha iyi olduğu sıcaklıklarda bor karbür takviyesiyle birlikte sertlik değerleri, takviyesiz sisteme göre eşdeğerdir. En yüksek sinterleme sıcaklığında (1000°C) ise, B4C takviyesiyle birlikte, sertlik değerinde belirgin bir artış görülmüştür. Bunun sebebinin, yüksek yoğunlaşmaya ek olarak, takviyesiz sisteme göre farklı pik açılarında oluşan Fe,Cr esaslı karbür yapılarından kaynakladığı düşünülmektedir. Aşınma testi sonuçlarına göre, 845 ve 900°C'de B4C ilavesiyle, daha düşük aşınma derinliği ve genişliğiyle birlikte ortalama sürtünme katsayısı, hacimsel aşınma kaybı ve spesifik aşınma hızı değerleri azalarak aşınma direncinde iyileşme elde edilmiştir. 1000°C sıcaklıkta ise, B4C ilavesiyle birlikte daha yüksek sürtünme katsayısı, hacimsel aşınma kaybı ve aşınma hızı elde edilmiştir. Bunun sebebinin malzeme yüzeyinde oksit tabakasının meydana geldiği düşünülmektedir. Elde edilen verilerin, profilometre sonuçlarıyla ve optik mikroskop görüntüleriyle uyumlu olduğu görülmüştür. Basma testleri, en yüksek sertlik değerine sahip 900°C sıcaklıkta sinterlenen takviyesiz CoCrFeNiAl alaşımı ve en yüksek yoğunluk değerine sahip 1000°C sıcaklıkta sinterlenen eşmolar olmayan takviyesiz CoCrFeNiAl0,2 alaşım sisteminde gerçekleştirilmiştir. Eşmolar olmayan alaşım sisteminin basma mukavemeti 1388,19 MPa bulunurken, eşmolar alaşım sisteminin ise 395,62 MPa bulunmuştur. Sinterleme sıcaklığının artışıyla beraber basma mukavemeti değerinde de artış görülmüştür. Basma mukavemetindeki artışın, azalan gözenek miktarı ve gözenek boyutuna bağlı olarak gerçekleştiği düşünülmektedir. Termal testler kapsamında, en yüksek sertlik değerine sahip 900°C sıcaklıkta sinterlenen takviyesiz CoCrFeNiAl alaşımı ve %2 bor karbür takviyeli sistemleri için termogravimetri (TG) ve diferansiyel termal analizleri (DTA) gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda her iki alaşım için parabolik hız sabitleri hesaplanmıştır. Takviyesiz alaşımın parabolik hız sabiti, kp=1.21×10−8 (mg²/cm⁴/s), bor karbür takviyeli alaşımın parabolik hız sabiti değeri ise kp≈1.71×10−9 (mg²/cm⁴/s) olarak bulunmuştur. Her iki sistemde de ağırlık artışının az olduğu (takviyesiz sistemde %0,7 takviyeli sistemde ise %0,3) ve parabolik hız sabiti değerlerinin düşük olması sebebiyle oksidasyona karşı iyi bir dirence sahip oldukları söylenebilir. B4C ilavesinin, daha az ağırlık artışına ve hız sabiti değerinin daha düşük olmasına sebep olarak, oksidasyon direncini iyileştirmiştir.