CrCoNiFeMo katkılı B4C matrisli kompozitlerin SPS ile üretimi ve karakterizasyonu

Abstract

Bor karbür (B4C) sahip olduğu düşük yoğunluk, oldukça yüksek sertlik, yüksek ergime noktası yüksek aşınma direnci, üstün kimyasal dayanım gibi öne çıkan özelliklere sahip bir yapısal seramiktir. Elmas ve kübik bor nitrürün ardından bilinen en sert malzemedir. Sahip olduğu bu üstün özellikleri sayesinde askeri amaçlı araç ve kişisel zırh sistemleri, havacılık ve uzay uygulamaları, balistik ve nükleer uygulamalar gibi çok çeşitli kullanım alanlarına sahiptir. Bunun yanında, yapılarında bulunan bor ve karbon atomları arasındaki güçlü kovalent bağları, yüksek ergime sıcaklıkları yalnızca yüksek sıcaklık ve basınç gerektiren üretim yöntemleri ile şekillendirilmelerine yol açar. Aynı zamanda, düşük kırılma tokluğu özelliğinden dolayı, yüksek darbe dayanımı gerektiren balistik uygulamalar gibi alanlarda kullanımı sınırlıdır. Bor karbürün monolitik olarak yüksek yoğunluklarda sinterlenememesi ve düşük kırılma tokluğundan dolayı çeşitli alanlarda kullanımın kısıtlanması, kompozit yapı halinde üretimini ve kullanımını ihtiyaç haline getirmektedir. Yüksek entropi alaşımları, beş ve daha üzeri birincil elementin atomistik ölçüde bir araya gelmesiyle oluşan yeni nesil alaşımlar olarak tanımlanmaktadır. Üstün mekanik, elektriksel ve termal özelliklere sahiplerdir. Yüksek entropi alaşımlarının özelliklerinin ve mikroyapılarının benzersiz olmasını sağlayan yüksek entropi etkisi, latis distorsiyon etkisi, yavaş difüzyon etkisi ve karışım etkisi olmak üzere dört temel etkiye sahiptir. Bu çalışmada, spark plazma sinterleme (SPS) yöntemi kullanılarak kompozit yapılı B4C-FeNiCoCrMo seramiklerinin üretimi ile bu kompozit yapının monolitik B4C seramiklerine göre daha iyi yoğunlaşma, daha üstün mekanik özellikler ve iyileşmiş nükleer performans elde edilmesi, çalışmanın ana amacı olarak belirlenmiştir. Doktora tez çalışması kapsamında monolitik B4C ve B4C-FeNiCoCrMo seramiklerinin üretimi SPS yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Sinterlenen disk şeklindeki numunelerin yoğunluk değerleri ve yoğunlaşma davranışları incelenmiştir. Yüksek sıcaklıklarda gerçekleşen sinterleme işleminde gerçekleşebilecek reaksiyonlar sonrasında B4C stokiyometrisini ve oluşan yapıyı incelemek adına sırasıyla Raman ve faz analizi yapılmıştır. Üretilen numunelerin matriks ve katkı fazı arasındaki arayüzeyi, tane yapısını ve katkı dağılımını incelemek için taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile mikroyapı incelemesi, oluşan fazların elementel dağılımını görmek için enerji dağılım spektrometresi (EDS) incelemeleri gerçekleştirilmiştir. Mekanik incelemeler kapsamında Vickers mikrosertlik, 4 nokta eğme ve indentasyon yöntemi ile kırılma tokluğu değerleri belirlenmiştir. İkinci grup üretimler, birinci grup üretimlerde elde edilen optimum bileşimi sağlayan bileşim üzerinden farklı sinterleme süreleri ve SPS sıcaklıkları ile gerçekleştirilmiştir. Bu üretimlerde sinterlenen numunelerin yoğunluk ve mikroyapısı ilişkisi göz önünde bulundurularak formal sinterleme analizi gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçlarına göre matematiksel modelleme kullanılarak belirli SPS sıcaklıkları için aktif olan sinterleme mekanizmaları saptanmıştır. Üçüncü grup üretimlerle birlikte numunelerin gama ve nötron radyasyonu karşısındaki zırhlama özellikleri incelenmiştir. Numunelerin Cs-137 gama radyasyonu karşısında doğrusal zayıflatma katsayısı ve yarı değer kalınlıkları belirlenmiştir. Nötron radyasyonu karşısında ise total makroskopik kesit değeri ve yarı değer kalınlıkları hesaplanmıştır. SPS yöntemi ile üretilen B4C-FeNiCoCrMo seramikleri, monolitik B4C numunesine göre daha iyi yoğunluk değerleri, iyileşmiş yoğunlaşma davranışları, daha yüksek sertlik ve kırılma tokluğu değerleri, daha yüksek doğrusal zayıflatma katsayısı, daha düşük yarı değer kalınlığı ve gelişmiş total makroskopik kesit değeri göstermiştir. B4C-FeNiCoCrMo hedeflenen relatif yoğunluk değerine (%97) ulaşmıştır. En iyi yoğunluk ve mekanik özellikleri gösteren numune hacimce %2 FeNiCoCrMo içeren seramik numunesi olarak belirlenmiştir.