Niyobyum Katodik-ark Plazması Kullanılarak Titanyumun Alaşımlanması İle Niyobyum-titanyum Yapılarının Üretimi

Abstract

Bu çalışma, katodik ark fiziksel buhar plazma işlemi yöntemi ile süper iletken özellik gösteren Nb-Ti alaşımlarının üretilmesine yöneliktir. Kullanılan yaklaşım, grubumuzda geliştirilmiş olan, katodik ark plazmasının taban malzeme üzerinde yarattığı ısı ve iyon karışımı etkileri ile yayınmayı hızlandırma yöntemine dayanmaktadır. Taban malzeme olarak kullanılan titanyum (Ti) metalinin, niyobyum (Nb) katodik ark plazması etkisine tabi tutularak hem niyobyum kaplanmış hem de kaplanan niyobyum, titanyum içerisine yayındırılmıştır. Niyobyum kaplanması sürecinde düşük bias voltajları, yayındırma (ısıtma) sürecinde ise yüksek bias voltajları kullanılmıştır. Nb-Ti ikili denge diyagramına göre 882oC üzerinde niyobyum ve titanyum birbiri içerisinde tam çözünürlük göstermektedir. Bu nedenle özellikle yayındırma süreçlerinde taban malzemenin sıcaklığının 882oC’nin üzerinde olmasını sağlayacak koşullar belirlenmiştir. Çalışma sırasında 40 mikron kalınlığında titanyum folyolar ve 100 mikron çapında titanyum teller kullanılmıştır. Kaplama ve yayındırma süreçleri optimize edilerek süper iletkenlik özelliği gösteren Nb-47%Ti (ağ%) katı eriyiğinin yapı içerisinde oluşma koşulları belirlenmiştir. Folyo veya tellerin süperiletkenlik gösterebilmesi için tüm yapının kompozisyonunun aynı olmasına gerek yoktur. Yapıda belirli bir kalınlığa sahip Nb-47%Ti (ağ%) alaşımının varlığı yeterli olmaktadır. Yapılan çalışma sonucunda hem tellerde hem de folyolarda niyobyumun titanyum içerisine yayınması sağlanmış ve işlem koşullarına bağlı olarak yapı içerisinde değişik kalınlıklarda Nb-47Ti (ağ%) bileşimine sahip bölgeler oluşturulabilmiştir. Numunelerin üretilmesi için katodik ark fiziksel biriktirme cihazı kullanılmış, kaplama ve yayındırma süreçlerindeki sıcaklık kızıl ötesi pirometre ile sürekli ölçülüp kayıt edilmiştir. Üretilen numuneler, faz analizleri için x-ışınları difraktometresi, mikro yapı incelemesi için taramalı elektron mikroskobu ve element analizi için enerji saçılım spektrometresi kullanılmıştır. Grubumuzda geliştirilen ve daha önce Fe-Cr, Al-Cu, Cu-Al ve Ti-Al sistemlerinde başarı ile kullanılan katodik ark buhar plazma işlemi Nb-Ti sisteminde de beklenen sonuçları vermiştir. Kullanılan yöntem halihazırda kullanılan süper iletken Nb-Ti tel üretim yöntemlerinden farklıdır ve özgündür. Yöntem süperiletken Nb-Ti alaşımlarının üretiminde yeni bir alternatif olabilme potansiyeline sahiptir.

This study aims to produce superconducting Nb-Ti alloys via cathodic-arc physical vapor plasma treatment (CAPT). The principle of this method, which was developed in our group, relies on the diffusion accelerator processes (ion mixing and heating) created during CAPT. Titanium substrates are treated with niobium cathodic arc plasma in such a manner that will allow both coating and diffusion of Nb. During coating stages of niobium, lower bias voltages were applied. Higher bias voltages were applied during heating (diffusion) stages. Above 882oC, titanium shows full solubility in niobium according to Nb-Ti binary diagram. Therefore conditions were selected to keep the substrate temperature above 882oC, especially during diffusion stages. As substrates, 40 microns titanium foils and 100 microns diameter titanium wires were used. Conditions for producing superconducting Nb-47%Ti (wt%) solid solution were optimized by tuning of the coating and the diffusion stages. It is not necessary for the bulk material to consist fully of Nb-47%Ti (wt%) in order to show superconducting properties. For the creation of superconducting effect the formation of a thin zone with a composition of Nb-47%Ti (wt%) is enough. In our study diffusion of Nb into both titanium wires and foils were successfully achieved. Different Nb-47%Ti (wt%) zones thickness were obtained with different process parameters. Cathodic arc physical vapor deposition system was used to produce the samples. IR pyrometer was used to measure temperature of samples during processes. Samples were analyzed with x-ray diffractometer for phase analysis, scanning electron microscopy to observe microstructure, energy-dispersive x-ray spectroscopy for element analysis. Expected results were obtained for Nb-Ti system as for Fe-Cr, Al-Cu, Cu-Al, Ti-Al systems which previously studied by our research group. This method is different and unique than other Nb-Ti superconducting materials production methods, hence it may have potential to become a new alternative production method for Nb-Ti superconducting alloys.