SiC ve SiC-hBN içeren TaB2 seramiklerinin üretimi ve karakterizasyonu

Abstract

Ultra yüksek sıcaklık borürleri (ZrB2, TiB2, TaB2, NbB2, HfB2 vb.) periyodik tablonun IVB ve VB gruplarına ait geçiş metallerinin borürleridir. Ultra yüksek sıcaklık seramiklerinin 3000℃'yi aşan ergime sıcaklıkları ve yüksek kimyasal kararlılıkları, yüksek sertliğe (> 20 GPa) ve iyi termal şok direncine sahip olmaları sebebiyle 2000℃'nin üzerindeki çalışma koşullarında bile kullanılabilmektedirler. Ancak sahip oldukları bu üstün özelliklere rağmen, ultra yüksek sıcaklık seramiklerinin güçlü kovalent bağları ve düşük özdifüzyon katsayıları sebebiyle sinterlenebilme kabiliyetleri zayıftır. Düşük sinterlenebilirlikleri ve kırılma toklukları nedeniyle ultra yüksek sıcaklık borürlerinin tek başlarına kullanım alanları sınırlı kalmaktadır. Sinterlenebilme kabiliyetinin ve kırılma tokluğunun geliştirilebilmesi için geçiş metali diborürleri çeşitli malzeme gruplarıyla birlikte kompozit haline getirilerek kullanılırlar. Bu tez çalışmasında, monolitik TaB2, hacimce %10, %20 ve %30 oranlarında α-SiC takviyeli TaB2-SiC ikili kompozitler farklı üretim parametreleri kullanılarak spark plazma sinterleme (SPS) yöntemi ile üretilmiştir. Monolitik TaB2 için sinterleme işlemi 1750℃ SPS sıcaklığında 40 MPa basınç, 5 dakika bekleme süresi ile gerçekleştirilmiştir. Üretilen numunenin relatif yoğunluğu Archimedes metodu ile ~%90 olarak tespit edilmiştir. SPS yöntemi için düşük olan relatif yoğunluğu geliştirmek amacıyla TaB2-SiC ikili kompozitleri farklı hacim fraksiyonlarında ve farklı parametrelerde üretilmişlerdir. İkili kompozitler içerisinde en yüksek relatif yoğunluk 1650℃ SPS sıcaklığında 40 MPa basınç, 5 dakika bekleme süresi ile üretilen hacimce %30 SiC içeren ikili kompozitte (~%94) elde edilmiştir. İkili kompozitler arasında relatif yoğunluğu en yüksek olan hacimce %30 SiC içeren TaB2-SiC bileşiminin üretim parametreleri kullanılarak, TaB2 tozunun hacim fraksiyonu sabit kalacak şekilde hacimce %1, %3, %5, %7 ve %10 hBN içeren TaB2-SiC-hBN üçlü kompozitleri üretilmiştir. Üretilen numunelerin relatif yoğunlukları Archimedes prensibi ve yüksek basınçlı civa porozimetresi ile belirlenmiştir. Her bir numunenin faz analizleri X-ışını difraksiyonu (XRD) ile gerçekleştirilmiştir. Yapılan faz analizlerinde yeni faz oluşumu tespit edilmemiştir. Numunelerin mikroyapı karakterizasyonu için taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile mikroyapı görüntüleri ve enerji dağılım spektroskopi (EDS) analizleri, mekanik özelliklerinin belirlenmesi için Vickers mikrosertlik ve indentasyon kırılma tokluğu ölçümleri yapılmıştır. Mekanik özellik ölçümleri numunelerde sinterleme esnasında uygulanan basınca dik ve paralel bölgelerden ölçümler alınarak, malzemenin homojenliği ve anizotropik davranışı kontrol edilmiştir. Monolitik TaB2, 1650℃ SPS sıcaklığında 40 MPa basınçla 5 dakika bekleme süresi ile üretilen hacimce %30 SiC içeren TaB2-SiC ikili kompoziti, hacimce %1 ve %3 hBN içeren TaB2-SiC-hBN kompozitlerinin oksidasyon davranışlarının karakterizasyonu termal gravimetrik analiz (TGA) ve 1100℃ ve 1200℃'de 3 saat süreyle fırın oksidasyonu ile gerçekleştirilmiştir. hBN ilaveleri ile oluşturulan bazı üçlü kompozitlerin relatif yoğunluk değerleri ~%99 seviyelerine kadar yükselmiştir. SiC ve hBN ilavesi ile birlikte monolitik TaB2'ye göre relatif yoğunlukta ~%10'luk bir artış sağlanmıştır. Daha yüksek hBN ilavelerinde relatif yoğunluk değerlerinde düşüş gözlenmiştir. hBN tozunun hacimce %3'ten fazla ilave edilmesi durumunda hBN'nin aglomere olduğu mikroyapı karakterizasyonları ile tespit edilmiştir. Vickers mikrosertlik değerleri karşılaştırıldığında hacimce %30 SiC içeren matrise farklı oranlarda yapılan hBN ilavelerinin sertlik üzerinde önemli bir etkisi olmadığı belirlenmiştir. Ancak indentasyon kırılma tokluğu değerleri yapılan katkı türü ve miktarına göre farklılıklar göstermiştir. Monolitik TaB2'nin kırılma tokluğu ~3,3 MPa∙m1/2 iken TaB2-SiC ikili kompozitlerinde en yüksek kırılma tokluğu değeri (~5,3 MPa∙m1/2) 1500℃'de 50 MPa basınçla 5 dakika bekleme süresi ile üretilen ve %30 SiC içeren numune ile elde edilmiştir. İkili kompozitler içerisinde en yüksek relatif yoğunluk değerine sahip olan numunenin kırılma tokluğu değeri ~3,9 MPa·m1/2 olarak belirlenmiştir. TaB2-SiC-hBN üçlü kompozitleri içerisinde %1 hBN ilavesi ile en yüksek kırılma tokluğu değeri ~5,4 MPa∙m1/2 olarak ölçülmüştür. Bu numune, 1650℃'de 40 MPa basınçla 5 dakika bekleme süresi ile üretilmiştir ve relatif yoğunluğu ~%96,6'dir. Kırılma tokluğundaki bu artışın sebebinin çatlak dallanması ve çatlak sapması mekanizmaları olduğu mikroyapı görüntüleri ile belirlenmiştir. SiC ve hBN ilavesi ile birlikte TaB2'nin kırılma tokluğu ~%28 artmıştır. Oksidasyon davranışı incelemesi için yapılan TG analizi ve fırın oksidasyonu işlemleri sonucunda kompozitin oksidasyon direnci hBN ilavesi ile birlikte monolitik TaB2'ye göre ~33 kat, ikili kompozitlere göre ise ~2,7 kat iyileşme göstermiştir. TaB2'nin oksidasyonu sonucu oluşan camsı B2O3 fazı yapıyı bir miktar korumaktadır ancak çabuk uçuculuğu sebebi ile buharlaşarak yapıda boşluklar oluşmasına ve oksidasyonun devam etmesine sebep olmaktadır. Ancak SiC ilavesi ile birlikte oksidasyon sonucu elde edilen B2O3, SiC'nin oksidasyon ürünü olan SiO2 ile birleşerek silikaca zengin borosilikat cam tabakası oluşturmaktadır. Bu sayede malzemenin atmosfere açık yüzeylerinin oksijen ile teması kesilmiş olur ve oksidasyonun devam etmesi önlenmektedir. hBN plakalarının TaB2 ve SiC tanelerini sararak oksijenin TaB2 tanelerine difüz olmasını zorlaştırdığı, bu sayede malzemenin oksidasyon direncini arttırdığı düşünülmektedir. Bu tez çalışmasında yapılan deneysel çalışmalar ve karakterizasyon işlemleri sonucunda monolitik TaB2'ye yapılan SiC ve hBN ilaveleri ile birlikte malzemenin yoğunlaşma davranışı, kırılma tokluğu ve oksidasyon direncinin iyileştiği belirlenmiştir. Bu karakterizasyon işlemlerine ek olarak ileriki süreçte aşınma davranışlarının, termal ve işlenebilirlik özelliklerinin incelenmesiyle kesici takım uçlarında, yüksek sıcaklık uygulamalarında, zırh ve nozül malzemesi veya havacılık-uzay uygulamalarında koruyucu malzeme olarak kullanılabilme potansiyeli araştırılabilir. TaB2'yi diğer ultra yüksek sıcak seramiklerinden ayıran ışık absorblayıcılığı analiz edilerek gerekli standartları sağlaması durumunda konsantre güneş enerjisi sistemlerinde ışık toplayıcı malzeme olarak da kullanılabilirliği araştırılabilir.