Mekanik alaşımlanmış intermetalik toz ve sinter Ti-47.5Al-3Cr alaşımını analitik elektron mikroskop ve x-ışınları teknikleri ile karakterizasyonu

Abstract

Son yıllarda uçak-uzay ve otomotiv sanayinde geniş bir uygulama alanı bulan TiAl esaslı alaşımlar iyi okşidasyon dayanımları, yüksek sürünme dirençleri ve mukavemet / yoğunluk özelliklerine sahip olmalarına karşın, oda sıcaklığı özellikleri geleneksel döküm metalürjisi yöntemleriyle üretildiklerinde oldukça düşüktür. Oda sıcaklıklarında arzu edilen yüksek süneklik ve kırılma tokluğu özelliklerine ancak toz metalürjisi teknikleri ile üretilmeleri sayesinde ulaşılır. TiAl bazlı alaşımlarda mekanik alaşımlama ve ardından sıcak izostatik presleme yöntemleriyle oluşturulan nano-seviyelerdeki mikroyapının mevcut mekanik özelliklerini yüksek sıcaklık uygulamalarında koruyabilmesi malzemenin performansı açısından oldukça önemlidir. Titanyum alüminitlerin söz konusu bu gevreklik problemini çözmek amacıyla dengeden uzak tekniklere başvurulmuş ve böylecede malzemelerin kristal yapıları, mikroyapı özellikleri ve bileşimleri kontrol edilmeye çalışılmıştır. Dengeden uzak bu tekniklere örnek olarak hızlı katılaştırma, mekanik alaşımlama, sıçratma, kimyasal buhar biriktirme ve plazma süreçleri verilebilir. Hızlı katılaştırma (HK) genel anlamda ergimiş metali 104 °C/s gibi yüksek bir soğutma hızı ile katılaştırma sürecidir. Bu süreç sayesinde tane boyutu küçültme, katı eriyik çözünürlük limitlerinin geliştirilmesi, denge dışı kristal arafazların oluşumu, metalik camların üretimi işlemleri gerçekleştirilebilir. Gaz atomizasyonu (GA) yüksek oranda katılaşmanın sağlandığı bir hızlı katılaştırma prosesidir. Gaz atomizasyonu işleminde yüksek hızlı gaz (ör: argon) erimiş metal akışına bir nozul vasıtası ile yönlendirilir ve böylece ince ergimiş dropletler oluşur. Bu dropletler toz toplama bölümüne ulaşırken' ısı kaybına uğrarlar ve katılaşırlar. Bir başka denge koşullarından uzak teknik mekanik alaşımlama (MA)' dır. Bu proses toz partiküllerin tekrarlı kaynama ve kırılma işlemini içeren bir yüksek enerjili top değirmeni operasyonudur. MA ile dispersiyon sertleştirilmiş malzemelerin üretimi, katı eriyik çözünürlük limitlerinin geliştirilmesi, karışmayan sistemlerden veya çok farklı ergime noktasına sahip elementlerden alaşım sentezi, denge dışı kristal fazların üretimi, metalik fazların/amorf fazların üretimi, tane boyutu küçültme (nanoseviyelerde) işlemleri gerçekleştirilebilir. Sözkonusu bu denge dışı iki sistemi (Gaz atomizasyonu ve mekanik alaşımlama) kullanarak istenilen özelliklerde toz sentezi yapılabilir, örneğin gaz atomizasyonu ile ön-alaşımlandınlmış tozlar, mekanik alaşımlama ile amorf veya nano yapıya dönüştürülebilir. Bu sayede elde edilecek nanoyapı ile de malzemenin akma mukavemeti ve düşük sıcaklık sünekliği geliştirilir. Yukarıda değinilen bu iki prosesin (GA ve MA) sonucunda elde edilen tozların nanoboyuttaki tane yapısını verimli bir şekilde pekiştirmek ve yoğun bir yapının oluşturulması için sıcak izostatik presleme (SİP) prosesi uygulanır. SİP'leme, pekiştirme ve sinterleme adımlarını aynı kademede, sıcak pekiştirme ve izostatik presleme yardımı ile içeren bir işlemdir. Bu teknikler ile üretilen nanoyapıdaki malzemeler (<100 nm) büyük taneli çok kristalli malzemelere göre üstün özellikler sergilerler. Tane boyutunun küçülmesi ile akma mukavemeti ve sertlik değeri artar. Aynı zamanda da oda sıcaklığındaki süneklik özelliğide azalan tane boyutu ile gelişir. Bu yüksek lisans tezi 5 ana bölümden oluşmaktadır. İlk bölüm, teze kısa bir giriş ve amaç kısmından oluşmaktadır. îkinci bölümde, Ti- Al denge diagramı, TiAl'lerin toz metalürjisi teknikleri ile geliştirilmesi ve potansiyel uygulamaları ile ilgili literatür çalışmaları yeralmaktadır. Üçüncü bölümde, geçirimli elektron mikroskobu görüntü kontrast teorileri, difraksiyon patentlerinin analizi ve görüntü yorumlan ile ilgili literatür anlatılmaktadır. Dördüncü bölümde, deneysel çalışmalarda kullanılan başlangıç malzemelerinin bileşimleri, üretim koşullan ve aynca deneylerde kullanılan analiz yöntemleri (örnek : X-Işınları difraksiyonu (XRD), taramalı elektron mikroskobu (SEM), geçirimli elektron mikroskobu (TEM)) hakkında bilgi verilmektedir. Beşinci bölüm ise deneysel sonuçlan içermekte ve kendi içersinde beş ayrı bölüme ayrılmaktadır. İlk bölümde deneysel sonuçlara kısa bir giriş. İkinci bölümde Ti-47.5 Al-3Cr gaz atomize ve mekanik alaşımlanmış tozların mikroyapı karekterizasyonu, üçüncü bölümde gaz atomize mekanik alaşımlanmış tozların sıcak izostatik preslenmesi ile elde edilen nanokristal mikroyapının karakterizasyonu, dördüncü bölümde bu sıcak izostatik preslenmiş malzemelerin 975°C'de tavlanması sonucu elde edilen konpakt yapılann karekterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Son bölüm ise deneysel sonuçlar hakkında genel sonuçlan ve gelecekle ilgili önerileri içermektedir.

Titanium aluminides based on TiAl and Tİ3AI intermetallic compounds in either a monolithic form or a metal matrix composite are candidates for high temperature applications due to their attractive combination of properties such as low density (light weight), high temperature strength, modulus retention, and high resistance to oxidation. Over the last decade, a large number of research programs have been carried out to utilize titanium aluminide materials for high temperature applications leading to improved operating efficiency and fuel savings in aerospace systems. Due to their excellent elevated temperature properties, titanium aluminides (TixAl, x=l or 3) belong to an attractive class of "advanced materials" and they are composed of ordered intermetallic alloy phases formed between two or more metallic elements. An alloy phase is ordered if two or more sublattices are required to describe its atomic structure. Ordered intermetallics generally exhibit attractive high temperature properties, because the long-range ordered superlattice lowers dislocation mobility and diffusion processes at elevated temperatures. However, this reduced dislocation motion also results in generally extremly low ambient temperature fracture-related properties including ductility and fracture toughness. Thus, the main drawback of the intermetallic titanium aluminides is their very limited ductility at ambient temperatures which results in low fracture toughness and fast fatigue-crack growth rates. However, these properties are very sensitive to the microstructure and can be improved by microstructural control and alloying. Therefore, many research groups have focused on understanding and controlling the brittleness of these intermetallics while maintaining the attractive elevated temperature characteristics. Ductility improvements have been achieved by many approaches such as additions of ternary and quaternary alloying elements, microstructural modifications, grain size refinement (down to nanometer levels), and innovative heat treatments to change the distribution, morphology and proportion of the constituent phases. In recent years "far-from-equilibrium" processing techniques have been employed to control the crystal structure, microstructural features, and grain-boundry structure and composition to overcome the brittleness problem of ordered intermetallic titanium aluminides. Examples of the "far-from-equilibrium" processes are rapid solidification, mechanical alloying, sputtering, chemical vapor deposition and plasma processing. xn Rapid solidification (RS) refers to cooling of metallic melts at rates exceeding 10 °C/s. It is now well established that RS can results in refinement of grain size, extension of solid solubility limits, formation of non-equilibrium crystalline or quasicrystalline intermediate phases and production of metallic glasses. The gas atomization (GA) technique is one of the RS methods which have been developed to produce high rates of solidification. Mechanical alloying (MA'ing) is another "far-from-equilibrium" process that allows larger departures from equilibrium than RS. MA'ing is a high energy ball milling operation which involues repeated welding and fracturing of powder particles. The important attributions of MA'ing are production of dispersion-strengthened materials, extension of solid solubility limits, synthesis of alloys from elements with widely different melting point or from immiscible systems, production of non- equilibrium crystalline or quasicrystalline phases, formation of metallic glasses/amorphous phases since the high energy ball milling can break down long- rang ordered structure and refinement of microstructure down to a nanometer-sized scale. It is possible to utilize the benefits of both RS and MA'ing by combining these processes in a stepwise production of powders. In other words, pre-alloyed powder produced by RS techniques (such as gas atomization) can be mechanically alloyed to achieve nanosized (10"9) grains and chemical homogeneity in the resultant microstructures. Nanocrystalline materials with a typical grain sizes less than 100 nm show improved yield strength (or hardness) and low temperature ductility. Hot isostotic pressing (HIP'ing) is a viable comercial compaction technique which is used for powder consolidation of titanium products. It fulfills the simultaneous tasks of the consolidation and isostatic pressing. It is one of a number of consolidation techniques which are capable of producing full density while retaining a nanocrystalline structure. Because of a very fine grain size (typically<100 nm) nanocrystalline materials exhibit a variety of properties that are different and often considerably improved in comparison with those of conventional coarse grained polycrystalline materials. The yield strength and hardness increase with decreasing in the grain size according to the Hall-Partch relationship. Ductility at room temperature can also be increased by reducing the grain size and the high rates of diffusivity. This ultrafine grain microstructure can only be analyzed by using high resolution microscopy techniques. Transmission Electron Microscopy is the most usual technique that describes the microstructure morphology and crystallographical behavior of the nanosized materials. In this disertation work, the materials that have been produced by the techniques described briefly above, were characterized by using x-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM) and scanning transmission electron microscopy (STEM). This thesis consists of five chapters. Chapter 1 is a brief introduction to the thesis. Chapter 2 is a literature review which presents general information on the Ti-Al phase diagram, development of titanium aluminides, chemistry and microstructural xni optimization to enhance mechanical properties of titanium aluminides, and potential applications of titanium aluminides. This chapter also presents some aspects of powder metallurgy (P/M) including MA'ing and hot isostatic pressing. The nature of chapter 3 is a detailed literature review presenting basic operational modes and techniques during the operation at transmission electron microscopy (TEM). These are image formation techniques, image contrast teories, formation and analysis of diffraction patterns and sample preparation methods in transmission electron microscopy. Chapter 4 presents the characteristics of starting materials and their compositions used in the present study. The experimental techniques employed, i.e. x-ray diffraction, transmission electron microscope, scanning transmission electron microscope and scanning electron microscope one also described in this chapter. Chapter 5 presents the experimental results obtained during the investigations of GA'd and MA'd powders and of the consolidated and annealed compacts. This chapter is divided into five sertions. The first section is a brief introduction to experimental results. The second section covers the work pertinent to the microstructural study of Ti-47,5Al-3Cr GA'd and MA'd powders. The third section presents, the microstructural results of GA'd, MA'd and HIP'd nanocrystalline Ti- 47,5Al-3Cr compact. The forth section reports the results of the microstructural characterization of GA'd, MA'd, HIP'd and annealed Ti-47,5Al-3Cr powders. The last section presents the microstructural results of GA'd, MA'd, HIP'd and annealed (T=975°C) Ti-47,5Al-3Cr compact. The last chapter, chapter 6 includes the discussion of the results, summarizes the results obtained in this investigation, presents some concluding remarks, and makes some suggestions for furture work.