Borür katı çözeltilerin spark plazma sinterleme (SPS) yöntemi ile üretimi ve karakterizasyonu

Abstract

Ultra yüksek sıcaklık seramikleri (UHTC) grubunda yer alan geçiş metali borürleri (HfB2, ZrB2, TiB2, NbB2, TaB2), ergime sıcaklığı 3000°C'nin üzerinde olan, yüksek sıcaklık koşullarında yapısal bütünlüklerini koruyabilen seramikler olarak tanımlanmaktadır. Yüksek sertlik, iyi aşınma performansı, ısıl ve elektriksel iletkenlik, iyi ısıl şok dayanımı gibi özellikler borürlerin atmosfere giriş ve hipersonik sistemlerde burun ucu, kanat kenarı parçalarında, çeşitli metal üretimlerinde katot malzemesi olarak, nozül ve zırh malzemesi uygulamalarında ve konsantre güneş enerjisi sistemlerinde absorbans olarak potansiyel malzeme haline getirmektedir. Bu çalışmada, spark plazma sinterleme (SPS) yöntemi kullanılarak, borür katı çözeltilerinin üretimi ile borürlerin monolitik formlarına, borür esaslı kompozitlere ve çift borürlü sistemlere oranla daha iyi densifikasyon ve daha üstün mekanik özellik gösteren yapılar elde edilmesi amaçlanmıştır. Seramik numunelerin üretiminde, tane boyutunda gerçekleşen büyümenin nihai ürünün mekanik özelliklerini olumsuz yönde etkilediği bilinmektedir. Katı çözelti sistemlerine GNP (grafen nanoplaka) ve h-BN (hekzagonal bor nitrür) katkısı ile hem tane büyümesinin önüne geçilmesi hem de mekanik özelliklerin iyileştirilmesi hedeflenmiştir. Bu tez çalışması kapsamında (Zr,Ti)B2, (Zr,Nb)B2, (Ti,Nb)B2, GNP katkılı (Zr,Ti)B2, (Zr,Nb)B2, (Ti,Nb)B2 ve h-BN katkılı (Zr,Nb)B2, (Ti,Nb)B2 katı çözelti sistemlerinin SPS yöntemi ile üretimi gerçekleştirilmiştir. Üretilen numunelerin yoğunluk değerleri ve densifikasyon davranışları belirlenmiştir. Faz analizleri gerçekleştirilen numunelerin kafes parametreleri belirlenerek, Vegard yasasına göre katı çözelti oluşumları incelenmiştir. GNP katkısının sinterleme öncesi ve sonrası yapısal durumunu kontrol edebilmek için Raman analizi gerçekleştirilmiştir. Numunelere ait ortalama tane boyutu, morfoloji ve kırılma modu mikroyapı karakterizasyonu ile tespit edilmiştir. Katkılı numunelerde, katkı ve ana matris arayüzeyini detaylı inceleyebilmek için geçirimli elektron mikroskobu (TEM) analizi yapılmıştır. Homojen yapıdaki sürekli katı çözelti oluşumunu belirleyebilmek için taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve TEM sistemlerinin enerji dağılım spektrometresi (EDS) haritalama yöntemi kullanılmıştır. Numunelerin mekanik özellikleri Vickers sertlik ve indentasyon kırılma tokluğu yöntemiyle, oksidasyon davranışları termogravimetrik analiz (TGA) yöntemiyle ve optik özellikleri 300-2000 nm dalga boyu aralığında UV-VIS-NIR sprektrofotometresi kullanılarak belirlenmiştir. SPS yöntemi ile üretilen (Zr,Ti)B2, (Zr,Nb)B2, (Ti,Nb)B2, GNP katkılı (Zr,Ti)B2, (Zr,Nb)B2, (Ti,Nb)B2 ve h-BN katkılı (Zr,Nb)B2, (Ti,Nb)B2 katı çözelti sistemlerinin hepsinde tek fazdan oluşan %100 katı çözelti oluşumu gerçekleşmiştir. Vegard yasasının gerekliliği olan kafes parametrelerinde lineer değişime sahip numunelerdeki katı çözelti oluşumu, SEM ve TEM analizi EDS haritalaması ile doğrulanmıştır. En iyi özellikleri sergileyen katı çözelti ana matrisleri ve katkılı numunelerin hepsinde hedef relatif yoğunluk değeri olan %97 ve üzeri değerler elde edilmiştir. (Zr,Ti)B2, (Zr,Nb)B2, (Ti,Nb)B2 sistemlerinin hepsinde GNP katkısı yapılan numune en yüksek relatif yoğunluk, sertlik ve kırılma tokluğu değerine sahip olmuştur. Böylelikle katı çözelti oluşumu ile borürlerin monolitik formlarından daha yüksek densifikasyona ve yüksek mekanik özelliklere sahip numuneler üretilmiştir. Katı çözelti sistemleri içinde (Ti,Nb)B2 en iyi oksidasyon performansı ve optik absorbans sergileyen sistem olmuştur. h-BN katkılı (Zr,Nb)B2 sistemi ise monolitik numunelere oranla daha yüksek oksidasyon direnci göstermiştir.