Yeni Malzemeler ve Üretim Yöntemleri. İntermetalik Malzemeler / Yanma Sentezi Yrd.Doç.Dr. Aysun AYDAY

Transkript

1 Yeni Malzemeler ve Üretim Yöntemleri İntermetalik Malzemeler / Yanma Sentezi Yrd.Doç.Dr. Aysun AYDAY

2 Malzemeler Seramikler (iyonik ve/veya kovalent bağlı) Metaller (metalik bağlı) Polimerler (kovalent) Kompozitler İntermetalik malzemeler (metalik bağlı-az kovalent)

3 Mühendislik malzemeleri geleneksel olarak seramik, plastik ve metallerden oluşmaktadır. Ama ne var ki bu malzemelerin iyi oldukları özellikleri olduğu kadar eksik olduğu noktalarda vardır. Seramiklerin gevrek oluşu, metallerin yorulma ve paslanma gibi olumsuz özellikleri, plastiklerin göreceli olarak düşük mukavemetleri gibi. Bununla beraber kullanım yerine ve ortamına göre de değişen özellikleri bir sorun teşkil etmektedir

4 Yüksek sıcaklıkta kullanılacak malzemelerin yüksek oksitlenme ve sürünme dirençlerine, düşük yoğunluk gibi özelliklere sahip olmaları arzu edilir. Bunun nedeni çalışma ortamında istenilen mekanik özellikleri temin etmek için tasarlanmış kimyasal yapının korunması, yüksek sıcaklıklarda atomik difüzyon nedeniyle deformasyonun önlenmesi ve enerji tasarrufunun sağlanmasıdır. Ancak genellikle metal olarak imal edilen bu yüksek sıcaklık yapısal malzemeleri 1000oC gibi yüksek sıcaklıklarda gerekli performansı veremezler. Bu sıcaklıkta mukavemete ve yüksek oksitlenme ve sürünme dirençlerine sahip metalleri ise istenen şekle sokmak çok emek ve masrafa sebep olmaktadır. Bu noktada devreye yeni nesil malzemeler yani kompozitler ve intermetalik malzemeler girmektedir.

5 İntermetalik bileşikler Metallar ile seramikler arasında yer alan genellikle kimyasal açıdan birbirine benzeyen iki veya daha fazla saf metalin dar kompozisyon aralıklarında oluşturduğu kristal yapılı bileşik veya katı çözeltidir. Elektronegativiteleri arasındaki farklar arttıkça metaller arası bileşikler oluşur.

6 İlk metaller Cu (nabit) (MÖ 7000), Au, Ag,.. Cu-Sn Bronz çağı MÖ 2500 (intermetalik) Cu-As

7 İntermetalik bileşikler İntermetalik bileşikler, metalurjinin başlangıcından beri kullanılan malzemelerdir. Tarihsel süreç incelendiğinde, geçmişi M.Ö 2500 yıllarına dayanmaktadır. İntermetalik bileşikler, fiziksel metalurjinin gelişmesiyle son yüzyılda bilimsel araştırma konusu olmuş ve ilk olarak Almanya da 1939 lu yıllarda Karsten tarafından çalışılmıştır. Ancak içyapı ve mekanik davranışlar açısından detaylı olarak 1960 lı yıllardan itibaren araştırılmaya başlanılmıştır.

8 İntermetalikler, yüksek sertlik ve yüksek aşınma direnci gibi üstün mekanik özelliklere bağlı uygulamaların yanı sıra dekoratif uygulamalar için de kullanılmıştır. Örneğin, metalik parlaklıklarından dolayı Antik Mısır da bronz kaplamaların yapıldığı bilinmektedir.

9 İNTERMETALİKLER İki veya daha fazla metalden oluşan ve kendine özgü kompozisyonu, yapısı ve özellikleri olan bileşikler Düzenli iç yapı ile kuvvetli metalik-kovalent/iyonik bağ yapısı; yüksek ergime noktası yüksek mukavemet iyi korozyon ve yüksek sıcaklık oksidasyon direnci sağlar. Özellikle silisid ve aluminidler yüksek oksidasyon ve korozyon direncine sahiptirler

10 İntermetalik bileşikler, metaller ile seramikler arasında yer alan genellikle kimyasal açıdan birbirine benzemeyen iki veya daha fazla saf metalin dar kompozisyon aralıklarında ve basit oranlar çerçevesinde oluşturduğu kristal yapılı bileşik veya katı çözeltilerdir. Işığı yansıtırlar ve iletkendirler Ancak intermetalikler, kendilerini oluşturan metallerle benzer metalik bağ özelliği göstermezler. İntermetalikleri oluşturan farklı atomlar arasındaki bağ mukavemeti, aynı metal atomları arasındaki bağ mukavemetinden daha büyüktür ve bu nedenle intermetalikler, farklı atomlarla tercihli olarak çevrilmiş düzenli atom dağılımı ile özel kristal yapıları oluştururlar.

11 İntermetalikler ve düzenli yapı

12 Bütün bu üstün özelliklerine karşılık, intermetalikler oda sıcaklığında GEVREK Yeterli kayma sistemleri yok ve sünek davranış göstermiyorlar. Bu durum onların kullanımını sınırlayan ana faktör Buna bağlı olarak; intermetalik çalışmalarının ana konularından biri onları daha fazla sünek yapabilmek

13 İntermetaliklerin kırılma tokluğunu artırmak için: A) Alaşım elementi ilavesi: Nb, Si, Cr, B, Co gibi elementlerin bileşime eklenmesi sünekliği artırıyor B) Kompozit yapmak (sünek faz takviyesi) yolları takip ediliyor. Sünek faz takviyesi A) Partikül takviyesi B) Fiber takviyesi C) Laminat takviyesi Hepsinin sünekliği artırıcı etkisi var, fakat en etkili yol laminat faz takviyesi

14 İntermetaliklerin en önemli özelliklerinden biri yüksek sıcaklık oksidasyon direnci Bu şaşırtıcı değil Ellingham diyagramında oksijene karşı en çok ilgisi olan elementler arasında intermetalik yapan elementler önde geliyor Ancak yüksek sıcaklık oksidasyon direnci açısından özellikle Al, Si ve Cr önemli

15 İntermetalik alaşımlar özellikle günümüzde mevcut olan süperalaşımların çalıştıkları sıcaklıklarda yada daha yüksek sıcaklıklarda kullanılmak üzere uçak motor uygulamaları için aday malzemeler olarak görülüyor. En yüksek sıcaklıkta kullanılan metalik alaşımlar günümüzde nikel esaslı süperalaşımlardır (yaklaşık 1100 C ye kadar)

16 Ana intermetalik grupları Aluminidler Al-Ti, Al-Ni, Al-Fe, Al-Nb,. Nitinol Ti-Ni Silisidler Si-Mo Hepsinin oksijene ilgisi yüksek

17 Ti-Al sistemi (Aluminidler) Alüminid terimi, alüminyum esaslı intermetalikleri belirten bir kelimedir. Alüminidler, intermetalikler içerisinde gerek alüminyumun ucuz oluşu gerek diğer metaller ile kolay bağ kurabilmesi ve sinter için göreceli düşük sıcaklığa ihtiyaç duyması nedeniyle oldukça yoğun çalışılmıştır. Bu intermetaliklerin oksidasyona karşı direnci geliştiren alüminyum oksit tabakasının oluşmasıdır. Ayrıca bu bileşikler yüksek ergime noktasına, iyi korozyon direncine ve yüksek mukavemete sahip olup, nispeten düşük yoğunluklu malzemelerdir

18 Ti-Al sistemi (Aluminidler) Titanyum ve aluminyum titanyum aluminid olarak isimlendirilen 3 ana bileşik oluştururlar: TiAl, TiAl2, TiAl3, TiAl bileşiği, gama, en yüksek ergime sıcaklığına sahiptir ve diğer özellikleri de göz önüne alındığında mühendislik uygulamaları açısından en uygun olanıdır. Nominal olarak ağırlıkça %35 alüminyum içerir. Özelliklerini geliştirmek için diğer metaller ilave edilebilir.

19 Ti-Al sistemi

20 Ti-Al Bu alaşımlar şekillendirmeye uygun değildir (gevrektirler) Titanyum aluminid otomotiv uygulamaları için uygun bir malzeme olarak göz önüne alınabilir Üstelik C deki mukavemeti oda sıcaklığındakinden yüksektir.

21 Ti-Al sistemi Alaşımsız TiAl halen otomobil motor buhar vanası (poppet valve) için alaşımsız TiAl halen denemektedir fakat diğer motorlar için, az miktarda krom, silisyum ve/veya niyobyum (%1 veya daha az katkılı) katkısı sürünme, oksidasyon ve süneklik gibi özellikleri geliştirmek için gerekli Ancak, niyobyum ilavesi fiyatı önemli derecede artırır.

22 İntermetalik bileşikler istisnai özellikleri ile ileri malzemeler arasında öncü bir yer işgal etmektedir. Bu özellikler yüksek ergime noktası, yüksek sıcaklıklarda yüksek mukavemet sağlayan düzenli yapıları, yüksek oksidasyon direnci gibi özelliklerdir.

23 İntermetalik malzemeler iki farklı metalin üstün özelliklerini kullanabilmek maksadı ile bileşik oluşturmasını sağlayarak elde edilen yapay metallerdir. Günümüzde birçok çeşit intermetalik malzeme hali hazırda mevcuttur. Kolay şekillenebilirlikleri, alüminyum oksit tabakası oluşturarak kazandırdıkları üstün oksidasyon direnci ve metallerle olan bileşik oluşturabilme sınırının geniş olması alüminyum esaslı intermetalikleri diğerlerine göre daha ön plana çıkarmaktadır.

24 Alüminyum esaslı intermetalikler yani alüminidler pek çok farklı kombinasyona sahip olabilirler. Ancak yapı malzemesi olarak nikel alüminidler, titanyum alüminidler ve demir alüminidlerin hatırı sayılır oranda üstünlükleri vardır. Bunun nedeni kolay üretimi ve nispeten ekonomik oluşlarıdır. Ancak bu malzemelerinde en büyük sorunları gevreklik. Yapısal olarak tok olan metallerin alaşıma katılması ile gevreklik problemi; yüksek sıcaklığa dayanıklı refrakter metallerin alaşıma katılması ile mukavemet problemleri nispeten çözülmüş olur.

25 Bu özellikler onları özellikle havacılık, uçak ve kimya endüstrisi gibi bir çok uygulama için aday malzemeler yapar. Ayrıca düzenli intermetalik bileşiklerin bir çoğu sıcaklık arttıkça mukavemetleri artar. Bu bakımdan da yüksek sıcaklık uygulamaları açısından daha çekici malzemeler haline gelmişlerdir.

26 x Aluminidler nispeten yüksek ergime sıcaklıkları, düşük yoğunlukları ve süneklik ve toklukları (yüksek sıcaklıkta) gibi özellikleri nedeniyle yüksek sıcaklık uygulamaları açısından yüksek potansiyele sahiptirler. Ne var ki, bu malzemelerin soğuk şekillendirilmesi sınırlıdır, zira gevrektirler, oda sıcaklığında düşük sünekliğe sahiptirler ve kırılacaklardır.

27 Alüminidler için yapılan araştırmalar daha hafif, hızlı ve daha kullanışlı olarak taşımacılık endüstrisi ve özellikle uzay endüstrisi için gerekli olan özelliklere itici güç oluşturmaktadır. Bu durumda alüminidler nikel esaslı süperalaşımlarla yarışmaktadır. Yüksek sıcaklıkta kullanılacak malzemeler yüksek oksitlenme, sürünme dirençleri ve düşük yoğunluk gibi özelliklere sahip olmalıdır. Tüm bu özelliklerinin mükemmel bir bileşime sahip olan alüminidler, kırılganlıkları giderildiği takdirde yüksek sıcaklık uygulamaları için en uygun adaylardır. Bununla birlikte bu intermetalikler yüksek korozyon direnci ve ısıl şok direnci gösterirler.

28 Metal, intermetalik ve seramiklerin bazı özelliklerinin kıyaslanması

29 Üretim Genel anlamda malzemeleri üretmek ve şekillendirmek için döküm, ekstrüzyon, toz metalurjisi gibi kapsamlı ve çok sayıda yöntem vardır. Ancak yanma sentezi başta olmak üzere, intermetaliklerin üretimine imkân vermektedir.

30 Aluminidleri üretmek için genellikle kullanılan üç metod vardır: Geleneksel ergitme ve döküm Toz metalurjisi Yanma sentezi

31 Geleneksel ingot metalurjisi yolu ile intermetalik bileşik üretilmesi durumunda, çoğu kere, bileşenlerin ergime sıcaklıkları ve yoğunluklarındaki büyük farklar ve hatta stokiometrilerindeki farklar nedeniyle problemlerle karşılaşılır. Ergitme yönteminde genellikle indüksiyon fırınları ve vakum ark ergitme ocakları kullanılır. Her iki yöntemde de elektrik akımı kullanılarak elde edilen ısı enerjisiyle ergitme yapılır.

32 Diğer bir yöntem ise toz metalurjisi yöntemidir. Bilinen toz metalurjisinde olduğu gibi saf elementel tozlar karıştırılır ve yüksek bir basınç ile preslenir. İstenilen şekle getirilmiş parça alüminyumun ergime sıcaklığının üzerinde bir sıcaklığa ısıtılarak ergiyik alüminyum ile aktif hale gelmiş diğer elementin alaşım oluşturması sağlanır. En sık kullanılan ve en ucuz olan laboratuvar yöntemi budur.

33 Geleneksel metotlarla üretiminde, hem yüksek enerji fırınları hem de uzun işlem süreleri gerekli olduğundan üretimi maliyetlidir. Son zamanlarda, seramikler, seramik kompozitler ve intermetalik bileşikler gibi refrakter malzemeleri sentezlemek için yanma sentezi yöntemi kullanılmaktadır.

34 Bu yöntem, preslenmiş toz karışımının açık ya da inert atmosfer altında ateşlenerek yeterli ısı meydana geldiğinde kimyasal reaksiyonun (ekzotermik reaksiyon) başlaması ve kendi kendine ilerlemesi esasına dayanır. Yanma sentezi

35 Bu sentezleme yaklaşımı, sentezleme reaksiyonuyla büyük ısı çıkışı sayesinde çok yüksek hızda, kendi kendine ilerleyen işlemlerden meydana gelmektedir. Katı reaktan yapısına sahip malzemelerin yanma sentezi, yanma reaksiyonlarının başlatılma şartlarına bağlı olarak, kendi kendine ilerleyen yüksek sıcaklık sentezi (selfpropagating high temperature synthesis, SHS) ve hacim yanma sentezi (Volume Combustion Synthesis) olarak iki şekilde tanımlanmaktadır.

36 in-situ (yerinde) sentezleme tekniklerinde kendi kendini destekleyen yanma ile metal veya seramik matrisli kompozit malzemeler üretilebilmektedir. Kompozit içinde meydana gelen kimyasal reaksiyon sonucu oluşan ekzotermik ısı reaksiyonun bir uçtan diğer uca kendiliğinden ilerlemesini sağlar. Hacim yanma yönteminde ise şekil verilmiş ham toz karışımı toptan ısıya maruz kalır ve intermetalik oluşum reaksiyonu her tarafta aynı anada yürür.

37 Yanma sentezi iki şekilde meydana gelebilir: i)kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık sentezi (self - propagating high temperature synthesis -SHS) ve hacim yanma sentezi (volume combustion synthesis -VCS). Bu modlara ait şematik bir diyagram Şekil 1 de verilmiştir. Her iki halde de, reaktanlar gevşek toz formunda veya pellet şekline preslenmiş halde olabilir. Numuneler daha sonra ekzotermik reaksiyonu başlatmak üzere bir dış kaynakla (tungsten bobin veya lazer gibi) ya lokal olarak (SHS) veya uniform olarak (VCS) ısıtılır.

38 Kendi kendini destekleyen (kendiliğinden ilerleyen) yüksek sıcaklık sentezinde, harmanlanmış reaktan tozlar, ham yoğunluğa sahip tabletler şeklinde preslenir; daha sonra lokal olarak bir noktadan tutuşturulur. Tutuşturma işlemi; lazer ışını, ısıtıcı bobin, kıvılcım gibi ekipmanlarla gerçekleştirilir. Hacim yanma sentezinde ise, reaktan karışım tozdan şekillendirilmiş olan numunenin tamamı, hacimde meydana gelen kendi kendini destekleyen tutuşma sıcaklığına kadar, kontrollü bir biçimde, üniform olarak ısıtılır ve yanma sırasında reaktanlar kendiliğinden dönüşüme uğrar.

39 Operasyon adımları CS teknolojisi için gerekli operasyon sırasını göstermektedir. Gerekli reaktanların kurutulmuş tozları (e.g. silicon and carbon) uygun oranlarda yüksek derecede homojen bir durum oluşuncaya dek uzun süre ıslak bir ortamda karıştırılır. Bu şekilde hazırlanan green (ham) karışım sızdırmaz ve vakum pompası ile havası alınmış reaktöre yüklenir. Bundan sonra, reaktöre inert veya reaktif gaz (Ar, N2, air) doldurulur. Sabit hızlı bir gaz akışı poroz raektan karışımı içinden gazın belli bir hızda geçmesini sağlar.

40 Yanma sentezi (CS) Yanma sentezi (CS) geleneksel toz metalurjisi teknolojilerine nazaran çeşitli avantajlara sahiptir: i) kısa sentez süresi (dakikalar ölçeğinde), ii) enerji tasarrufu, zira malzeme üretimi için dahili sistemin kimyasal enerjisi kullanılmaktadır, iii) basit teknolojik donanım, iv) yüksek saflıkta ürün üretme kabiliyeti, zira yanma dalgasında meydana gelen aşırı yüksek sıcaklıklar (4000K e kadar) emprütelerin çoğunun yanmasına yol acar.

41

42 Şarj hazırlama Toz kurutma, tartma, karıştırma, presleme, şekillendirme (pelet üretimi) SHS işlemi Hava ortamında, reaktörde, gaz halde, basınç altında, ekstruderde SHS sonrası işlemler Yüzey işlemi-temizleme-, taşlama, parlatma, kesme

43

44 SHS çeşitli yüksek sıcaklık seramikleri, intermetalik malzemeler ve nano-kompozit malzemelerin bir tek adımda üretimine imkan veren iyi bilinen bir prosestir. SHS tekniği yüksek sıcaklık fırınları ve uzun işlem süreleri gerektiren diğer metotlara nazaran doğal bazı avantajlara sahiptir. SHS metodu ile üretilen malzemeler yüksek ürün saflığı, düşük enerji ihtiyacı ve nispeten basit bir proses olması gibi avantajlara sahiptir. SHS sırasında üretilen ekzotermik ısı kimyasal reaksiyonun tamamlanması için kullanılmaktadır.

45 SHS nin avantajları SHS metodu ile seramik malzeme üretiminin en büyük avantajı uzun proses zamanlarına ve yüksek sıcaklık fırınlarına ihtiyaç duyulmamasıdır. Reaksiyon spontane olarak devam eder ve yanma prosesi ile açığa çıkan yüksek ısı onun devam etmesini sağlar. Çeşitli reaktör tipleri mevcuttur: yüksek basınç veya düşük basınçlı sistemler, sabit basınçlı sistemler (Basınç destekli yanma sentezi-hip) Üretim miktarı reaktörün büyüklüğüne bağlıdır. Reaksiyon başına 10 kg a kadar ürün eldesi mümkün olabilir.

46 Orneğin TiC yapmak icin, Ti ve C tozları karıştırılır ve preslenerek bir pelet haline getirilir. Pelet paslanmaz celikten yapılmış basit, silindirik reaksiyon kabına (reaktorune) yerleştirilir. Pelet bir ucundan elektrikle ısıtılan bir bobin teli ile tutuşturulur. Bu ısıtılan tel ısıtılmış yuzey tabakasında Ti ve C arasında kimyasal reaksiyonu başlatmak icin ısı girdisi (impuls) sağlar. Reaksiyon bir yanma dalgası veya sentez dalgası oluşturur, bu dalga silindirik numunenin ekseni boyunca hızla yayılarak TiC oluşturur (Şekil).

47 Örnek yanma sentez reaksiyonları Ti + C = TiC (hepsi katı sistemi) Ni + 3Al = Ni3Al (kaybolan sıvı faz) 2Al + N2 = 2AlN (katı-gaz sistemi) 3SiO2 + 6C + 2N2 = Si3N4 + 6CO2 (hem reaktan hem üründe gaz fazı mevcut)

48

49 Stokiyometrik oranın dışında intermetaliği oluşturan metallerin birbiri içinde çözünürlüğü olmayan çizgisel (tek bir bileşim noktası olan) intermetalik malzemelerin (tek fazlı) üretimleri oldukça zordur.

50

51

52

53