Processing of AlN-B4C/Al composites - Çırakoğlu, Menderes (Institute of Science and Technology, 1994)
Sermet olarak isimlendirilen seramik- metal kompoz itleri, her iki malzemenin iyi fiziksel ve mekanik özelliklerini biraraya getirdiği için bir mühendislik malzemesi olarak çok önemlidir. Özellikler, bileşenlerin kompoz it içindeki miktarlarını değiştirerek modifiye edilebilir. Metal matrixli kompozit malzemeler konusundaki araştırmalar 20 yıldan daha uzun bir zamandır devam etmektedir. Bu araştırmalar yeni malzemelerin geliştirilmesi zorunluluğundan doğmuştur. Yeni malzeme geliştirilmesinde birbiriyle çelişkili gibi görünen iki önemli parametre göz önünde bulundurulur, bunlar yüksek performans ve düşük maliyettir. Bu iki faktör, farklı malzemelerin biraraya getirildiği kompozit malzemelerin geliştirilmesine yol açmıştır. Metal matrixli kompozit malzemeler yüksek mukavemet, hafif ağırlık, yüksek aşınma direnci, elastik modül gibi önemli özelliklere sahiptirler. Seramik-metal kompoz itlerin üretimi konusunda literatürde çeşitli yöntemler önerilmektedir. Bu metotlar başlıca 5 kısma ayrılabilir: Difüzyon bağlanması, ön karıştırılmış sulu karışımların basıçlı veya basmçsız katılaştırma dökümü, bir sıvı fazın preform içerisine basınç yardımıyla veya ıslatma yardımıyla inf iltrasyonu ve ön karıştırılmış seramik-metal tozlarının ıslatma koşulları sağlanarak sinterlenmesi. Tabakalı kompozit yapıları için en uygun teknik difüzyon bağlanması yöntemidir. Bu yöntemde, matrix ve fiber tabakaları istenen şekilde üst üste dizilir daha sonra matrix malzemesinin ergime sıcaklığının altındaki bir sıcaklıkta sinter lenir. Bu yöntemle üretilen kompozitlerde özellikler anisotropiktir. Metal-seramik partikül kompozitlerinin katılaştırma dökümü ile üretiminde, seçilmiş erimiş haldeki bir matrix malzemesi içine seramik partiküller katılarak dispersiyon sağlanır. Daha sonra bu karışım, uygun dağılımı sağlayabilecek uygun koşullar altında katılaştırılır. Bu yöntem yaygın olmasına rağmen, matrix fazında segregasyon, kalıcı porozite ve çekilme gibi problemler görülür. Ayrıca, katılaşma sırasında oluşan mikrosegregasyonlar, kompoz itin mekanik özelliklerini olumsuz olarak etkiler. İnf iltrasyon bu yöntemler içinde en ekonomik ve çok yönlü uygulama alanı bulan bir yöntemdir. İnf iltrasyon sırasında ergimiş metal seramik malzemedeki gözenekleri doldurarak bir kompozit malzeme oluşturulur. Sıvı faz sintetlemsine benzemekle birlikte infiltrasyonda sıvı haldeki metal ile gözenekli seramik diştan temastadırlar ve sıvı gözenekleri kapiler kuvvetle doldurur. Bu yöntemle, ek bazı işlemlere ( extruzyon, sıcak presleme v.b.) yüksek yoğunluklu malzemeler üretilebilir. Ayrıca karmaşık şekilli veya büyük boyutlu ürünler istenen nihai şekle çok yakın olarak üretilebilir. Islatma olayında olduğu gibi, infiltrasyon içinde önemli bir koşul sıvı metal ile seramik faz arasındaki temas açısının düşük olmasıdır. Bunun dışında başarılı bir infiltrasyon için aşağıdaki koşullar da önemlidir: * Çeşitli yöntemlerle şekillendirilmiş seramik toz, kapiler kuvvetle infiltrasyonu sağlayacak şekilde por boyutu ve dağılımına sahip olmalıdır. * Metal fazın ergime sıcaklığı, seramik malzemenin ergime sıcaklığından düşük olmalı ve sıvı halde akışkanlığı yüksek olamlıdır. Metalin ısıl genleşme özellikleri, infiltre olmuş numunenin nihai mukavemetini önemli ölçüde etkiler. Eğer katılaşma sırasında sıvı haldeki metal genleşirse kompozitin mukavemeti azalır. * Sıvı metal faz ile seramikfaz arasındaki reaksiyon az olmalıdır. Çünkü eğer infiltrasyon sırasında oluşan reaksiyon ürünlerinin hacmi, başlangıçtaki seramik ve sıvı metalin hacimlerine eşit veya daha büyük olursa, sıvı metal gözenekleri tamamen dolduramaz ve infiltrasyon tamamlanamaz. * Searmik fazın metal içindeki çözünürlüğü az olmalıdır, aksi durumda infiltrasyon hızı azalır. * İnfiltrayon sistemine vakum uygulanması, kapiler infiltrasyonu arttırabilir. * B4C/ Al ve SiC/ Al gibi infiltrasyon sırasında kuvvetli kimyasal reaksiyonların meydana geldiği sistemlerde infiltrasyon basınç uygulanarak gerçekleştirilebilir. Basınç uygulaması ile infiltrasyon sıcaklığı düşürülerek sıvı metal ile searmik fazları arasındaki reaksiyonlar azaltılır. Ayrıca sıvı metalin seramik fazı ıslatmasının az olduğu veya por boyutu ve dağılımı uygun olmayan sistemlerde de yeterli basınç uygulaması ile üretilebilecek parçaların boyutları sınırlıdır ve işlem sırasında seramik fiberlerin zarar görmesi söz konusudur. Basınçlı inf iltrasyonun en önemli vı dezavantaj x, ergimiş metalin üzerine basınç uygulayabilmek için alet ve donatımın gerekli olmasıdır. İnfiltrasyon yönteminin geliştirilmesi sırasında çeşitli metotlar denenmiştir. Kısmen daldırarak yapılan infiltrasyonda, seramik parça ergimiş metal banyosu içine kısmen daldrılır, kapiler kuvvetin etkisiyle sıvı gözenekleri doldurur. Tam doldurmalı infiltrasyonda seramik parça ergimiş metal içine tamamen daldırılır ve sıvı her yönden gözenekleri doldurur. Diğer bir metotda başlangıçta seramik ve metal birbirleriyle temas edecek şekilde yerleştirilir ve yüksek sıcaklıklara çıkıldığında metal ergiyerek seramik malzemedeki gözenekleri doldurur. Bu çalışmada alüminyum metali ile inf iltre edilmek üzere AİN ve B.C içeren seramik preformlar hazırlanmıştır. Alüminyum nitrür kovalent bağa sahip ve önemli özellikleri olan bir nitrür seramiktir. En dikkat çekici özelliği yüksek ısıl iletkenliğidir. AİN tek kristalin oda sıcaklığındaki ısıl iletkenliği 320 W/mK dır. Polikristalin AİN ün ise üretim şartları ve saflığa bağlı olarak 10-260 W/mK arasında değişir. AİN ün içerdiği empüriteler özellikle oksijen atomları AİN kafes içinde çözünerek ısıl iletkenliği düşürür. Yüksek ısıl iletkenliğinin yanı sıra düşük ısıl genleşme katsayısına sahiptir ayrıca iyi bir yalıtkandır. Karbon monoksitli ortamda 1800°C ye, hidrojenli ortamda 1400°C ye, vakum altında 1500 °C ye ve azot atmosferinde 2700 °C ye kadar kararlıdır. Oksitleyici ortamlara karşı oldukça hassastır, 1000°C nin üzerindeki sıcaklıklarda AİN ün A1203 e oksidasyonu oldukça hızlıdır bu nedenle yüksek sıcaklıklarda oksitleyici atmosferde uygulama alanı kısıtlıdır. Saf alüminyum nitrürü klasik yöntemlerle sinterlemk mümkün değildir. Her ne kadar, ticari AİN ü 2000°C de sıcak presleme ile sinterleyerek teorik yoğunluğun % 97-99 una sahip malzemeler üretmek mümkünse de bu yöntemle sadece basit şekilli parçaların üretilebilmesi ve pahalı olması araştırmacıları basmçsız sinter leme konusuna yöneltmiştir. Yapılan çalışmalar periyodik tablonun ikinci ve üçüncü grup elemntlerinin oxit ler inin sinter lemeye olumlu katkılarının olduğunu ortaya koymuştur. Bu çalışmada AİN ile birlikte kullanılan ikinci seramik malzeme B4C dür. Düşük yoğunluk ( 2.52 gr/ cc), yüksek sertlik ( Mohs skalasmda 9.5 ) gibi özelliklere vn sahip olması dolayısıyla aşınma direnci ve darbe direnci gerektiren uygulamalar için uygun bir malzemedir. Gevrek kırılganlığı en önemli dezavantajıdır. A1N gibi B4C de sinter lemek zordur. Yüksek sıcaklıklarda ( 2100°C) sıcak presleyerek yüksek yoğunluklar elde edilebilir. Bor karbürü metalik bir malzeme ile kompozit yaparak mekanik özellikleri geliştirilebilir. Halverson ve arkadaşları kolay bulunabilmesi, toksik olmaması, sünek olması ve nispeten ucuz olması sebebiyle alüminyum metalini kullanmışlardır. İnfiltrasyon için ıslatma olayı önemli bir parametre olduğu için kullanılacak malzemelerin metal matrix ile ( bu çalışmada alüminyum) ıslanabilirliği konusunu bilmek önemlidir. A1N, alüminyum ile süblimasyon sıcaklığı olan 2800°C ye kadar reaksiyona girmez. Bu nedenle A1N/A1 kompoziti termodinamik olarak kararlıdır ve zararlı olabilecek reaksiyon ürünleri meydana gelmez. Rhee'nin çeşitli seramik malzemelerin alüminyum ile ıslanmaları konusundaki çalışmalarına göre, A1N/A1 sistemi en az ıslanma gösteren sistemdir. Bununla birlikte, 1000 °C nin üzerinde vakum altında alüminyum B4C ü ıslatmaya başlar ve B,C ile alüminyum arasındaki kimyasal reaksiyonlar sonucu birçok ikili ve üçlü bileşik oluşur. Bu reaksiyonlar sistemin yüzey enerjisinin sürekli değişmesine neden olur bu da serbest enerjinin azalmasına ve bunun sonucu olarak alüminyumun B4C üzerinde yayılmasına sebep olur. Bu çalışmada alüminyum ile etkileşimi farklı olan iki seramik malzeme çeşitli oranlarda karıştırılarak, alüminyum metali ile inf iltrasyonu denenmiştir. Bor karbürün seramik preformdaki miktarına bağlı olarak inf iltrasyonu nasıl etkilediği incelenmiştir. Ticari AİN ( Hermann Starck, ortalama partikül boyutu 13.6ju) ve B4C ( ESK, ortalama partikül boyutu 5/a) tozları kullanılmıştır. Tozlar, AİN ün suya karşı reaktif olamsı dolayısıyla isopropanol alkol içinde, karışımdaki B4C ün ağırlıkça yüzdesi sırayla 1,2,4 ve 10 olacak şekilde hazırlanmıştır. Karıştırma işlemleri önce mekanik daha sonra ultrasonik karıştşrıcı kullanılarak yapılmıştır. Ultrasonik karıştırma sırasında karışıma ağırlıkça %4 bağlayıcı (Carbowax 8000, polietilen glikol) katılarak numunelere mukavemet kazandırılmıştır. Hazırlanan tozlar, çelik bir kalıba belirli miktarda doldurularak, kuru presleyici ile eşeksenli olarak 1800 kg lık yük altında şekillendirilmiştir. Daha sonra soğuk isostatik pres ile 172 MPa basınç ile her yönden sıkıştırılmıştır. Bağlayıcı \rm uçurma işlemi 200°C de 1 saat tutularak yapılmıştır. Hazırlanan seramik preformlar 1400-1600 °C de azot altında 1 saat sinter lenmiştir. S inter leme # fırını olarak bir indüksiyon fırını kullanılmıştır. İnfiltrasyon işlemleri de aynı fırın da gerçekleştirilmiştir. % 99.99 saflıkta alüminyum numuneleri sinterlenen kap şekilli numuneler üzerine yerleştirilerek 1250°C de yapılmıştır. İnfiltrasyon işlemi vakum, 50 torr ve 400 torr Ar gibi çeşitli ortamlarda gerçekleştirilmiştir. Kullanılan argon gazı sisteme bakır ve titanyum dan geçirilip temiz bir şekilde verilmiştir. İnfiltrasyon sonrası numuneler, elmas kesici ile kesilmiş ve çeşitli tane büyüklüğüne sahip SiC aşındırıcı kağıtlar ve alümina solüsyonu kullanılarak çuha üzerinde parlatılmıştır. Genellikle nitrürler bir miktar oksijen içerirler, AİN deki bu oksijen A1203 formundadir. Bilindiği gibi alüminyum oksit infiltrasyonu önlediği için uzaklaştırılması gereklidir. Karışımdaki B4C un tüm Al^O^ u, AİN ve BN e dönüştürebilmesi için B4C yüzdesinin %2 nin üzerinde olması gerektiği hesaplanmıştır. Ağirlık kazanımı meydana gelen numunelerde bu dönüşüm oluşmakta ve bu nedenle de infiltrasyon gerçekleşmektedir. Civa porozimetresi analizleri, sinterleme sıcaklığının artışı ile por boyutunda artış gözlenmiştir, bu muhtemelen tanelerin sinter lenerek büyümesi sonucu oluşmaktadır. Infiltre olan numunelerin X-işınları ile analizlerinde tam infiltre olmuş numunelerde yari infiltre olmuş olanlara gore daha şiddetli Al piklerine rastlanmıştır. Kompozitlerin sertlik ölçümleri, makro Vickers cihazı ile 50 kg lık yük kullanılarak yapılmıştır. B4C yüzdesinin artlşl ile sertlikte artış olduğu bulunmuştur ayrıca 50 torr ve 400 torr da yapılan deneyler sonucu elde edilen kompozitlerin sertliği vakumda üretilenlere göre daha düşük çıkmaktadır. Bunun sebebi olarak, ergimiş metalin vakum altında daha kolay hareket etmesi ve ayrıca argon basıncı altında, preformdaki gözenekler gaz ile dolu olacağından ergimiş metalin gözenekleri doldurmasına imkan vermeyeceği düşünülmüştür.

Metal matrix composites are attractive engineering materials. They have good properties like; high strength, low weight, higher service temperature and higher elastic modulus. There are several methods for the preparation of these composites. Infiltration is one of the most economical process. Infiltartion can be done by two ways; by pressure and by wetting assisted. Wetting assisted infiltartion becomes important when near net shape composites are needed. Many metals have been considered as a possible matrix material. Copper, titanium, magnesium and aluminum. Aluminum matrix composites are more widely used at present. In this study, A1N - B4C ceramic preforms were infiltrated with aluminum metal. To understand the effect of B4C to infiltration, preforms contains different percentage of B4C (1, 2, 4 and 10 wt%) were prepared. The mixtures first dry pressed then cold isostatically pressed at 25000 psi. Then sintered at 1400-1600°C for 1 hour under nitrogen flow in an induction furnace. 99.99% pure aluminum metal was used for infiltration. Infiltration experiments were carried out in the same furnace by placing the aluminum metal into the reservoir of cup shaped sintered preforms. Heating was conducted under vacuum to 900°C. Infiltration experiments were done under different atmosphere ( 50 torr, 400 torr and vacuum). The infiltration temperature was 1250°C. Each sample was weighed before and after every sintering experiment to determine weight change. Infiltrated samples were cut through the middle, mounted and polished for optical microscopy. Pore distribution of the sintered preforms were analyzed by mercury porosimetry and surface area measurements were done by 3 point BET method. Hardness of the composites were measured with macro Vickers. Weight change measurements showed that, for a succesful infiltration for this system samples must weight gain which indicates the reduction of A1203 on A1N surface. Pore analysis indicated that, pore size decreases with increasing B4C content. Higher hardness values are obtained from the samples which have higher ceramic content.
AIN-B4C/ AI kompozitlerinin üretimi
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 1994
Keywords: Metalurji Mühendisliği; Kompozit malzemeler; Üretim; Metallurgical Engineering; Composite materials; Production