Cu ALAŞIMI YÜZEYİNE KAPLANAN ZrO 2 +Y 2 O 3 /Al 2 O 3 TABAKALARIN MİKROYAPI VE YÜZEY PÜRÜZLÜLÜĞÜ

Transkript

1 2. Ulusal Tasarım İmalat ve Analiz Kongresi Kasım Balıkesir Cu ALAŞIMI YÜZEYİNE KAPLANAN ZrO 2 +Y 2 O 3 /Al 2 O 3 TABAKALARIN MİKROYAPI VE YÜZEY PÜRÜZLÜLÜĞÜ Serkan ÖZEL*, Hüseyin TURHAN** *sozel@bitliseren.edu.tr Bitlis Eren Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Bitlis ** hturhan@firat.edu.tr Fırat Üniversitesi, Metal Eğitimi Bölümü, Elazığ ÖZET Bu çalışmada, ZrO 2 + Y 2 O 3 içerisine farklı yüzdelerde ilave edilen Al 2 O 3 tozları, atmosferik plazma püskürtme tekniği kullanılarak Cu alaşımı yüzeyine kaplanmıştır. ZrO 2 + Y 2 O 3 içerisine % 5, % 10 ve % 20 Al 2 O 3 oranları kullanılarak yapılan kaplamalarda Al 2 O 3 in mikroyapı ve yüzey pürüzlülüğüne olan etkisi incelenmiştir. Bu amaçla, kaplanan tabakaların optik mikroskopta mikroyapı resimleri çekilmiş ve yüzey pürüzlülük değerleri ölçülmüştür. Deney sonuçları incelendiğinde, ZrO 2 + Y 2 O 3 /Al 2 O 3 içerikli kaplamalarda gözenekli bir yapının oluştuğu, Al 2 O 3 miktarının artmasına bağlı olarak gözenek miktarının arttığı ve yüzey pürüzlülüğü değerinin kısmen azaldığı görülmüştür. Anahtar Sözcükler: Plazma Püskürtme, Cu alaşımı, Kaplama, ZrO 2 + Y 2 O 3 /Al 2 O 3 ABSTRACT In this study, Al 2 O 3 added in ZrO 2 + Y 2 O 3 powder powders were coated on the surface of Cu alloy by using the atmospheric plasma spraying method. The effect of Al 2 O 3 on microstructure and surface roughness was examined in different coatings applied by using % Al 2 O 3 ratio in ZrO 2 + Y 2 O 3. For this purpose, microstructure images of the coated layers were taken in optical microscope, and their surface roughnesses were measured. When the results of the tests were examined, it was observed that a porous structure occurred in the coatings containing ZrO 2 + Y 2 O 3 / Al 2 O 3. The porosity was increased depending on the increase of Al 2 O 3 amount. The surface roughness was decreased in part with increase of Al 2 O 3. Keywords: Plasma Spray, Cu Alloy, Coating, ZrO 2 + Y 2 O 3 /Al 2 O 3 1. GİRİŞ Yüzey mühendisliği, farklı tip malzemelerin aşınma ve korozyon direnci gibi yüzey özelliklerini geliştirmek için ekonomik yöntemlerden bir tanesidir. Bu amaçla çeşitli yüzey teknikleri kullanılmaktadır. Bu tekniklerden bir tanesi olan plazma püskürtme 569

2 tekniği, ısıl püskürtme tekniklerin içerisinde en popüler olanıdır. Tel ve toz haldeki malzemelerin yüksek sıcaklıklarla malzeme yüzeyine kaplanmasına imkan sağlamaktadır [1,2]. Bu teknik; metaller ve alaşımları, seramikler, sermetler ve bazı plastikler olmak üzere, 300 den fazla malzemeye uygulanabilmektedir. Bu kaplamaların yaklaşık % 90 ı, önemli ölçüde aşınma direnci sağlamaktadır [3,4]. ZrO 2 +Y 2 O 3 +Al 2 O 3 seramik kompozit kaplamalar, düşük ısıl iletkenliği ve yüksek genleşme katsayısına sahip olmasından dolayı yüksek sıcaklıklara maruz kalan gaz tribünlerinde, dizel motorlarda, termal bariyerin ve aşınmaya karşı dayanımın istendiği yerlerde geniş bir kullanım alanına sahiptir [5-8]. Bakır-alüminyum alaşımları; deniz suyuna, sülfürik aside ve tuz çözeltilerine karşı direnci arttırmak için % 3-14 Al ilave edilerek elde edilir. Böylece aşınma ve oksidasyona karşı dirençleri yükselmektedir. Cu+Al alaşımları hafifliğinden dolayı uzay teknolojisinde geniş bir şekilde kullanılmaktadır. Uçakların çoğu parçası alüminyum bronzundan yapılmaktadır [8,9]. Bu çalışmada, Cu alaşımı (Cu + 5% Al) yüzeyine atmosferik plazma püskürtme tekniği kullanılarak ZrO 2 + Y 2 O 3 / Al 2 O 3 tozları kaplanmıştır. Kaplama işlemi sonrası numunelerin mikroyapı ve yüzey pürüzlülüğüne farklı yüzdelerde ilave edilen Al 2 O 3 in etkisi araştırılmıştır. 2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR 2.1. Alt Malzeme ve Kaplanacak Tozlar Alt malzeme olarak seçilen Cu alaşımının, % ağırlıkça kimyasal bileşimi Tablo 1 de verilmiştir. 100 x 20 x 5 mm ölçülerinde hazırlanan bakır alaşımı numunelerin yüzeyine % 8 Y 2 O 3 ile stabilize edilmiş ZrO 2 (ZrO 2 + Y 2 O 3 ) tozu ve ZrO 2 + Y 2 O 3 tozu içerisine farklı yüzdelerde (Tablo 2) ilave edilmiş Al 2 O 3 oksit toz karışımları kaplanmıştır. Al 2 O 3 tozu % 5, 10, 20 olarak üç farklı yüzdede ZrO 2 + Y 2 O 3 tozu içerisine katılıp, mekanik toz karıştırma aparatında 45 devir/dak. da 45 dak. süreyle karıştırılmıştır. Tablo 1. Cu alaşımı altlık malzemenin kimyasal bileşimi Cu alaşımı Alaşım Elementleri Al Ni Fe Cu Balance Tablo 2. Numunelere kaplanacak tozlar ve Al 2 O 3 ilave oranları Numune No Kaplanacak Toz C1 ZrO 2 + Y 2 O 3 C2 ZrO 2 + Y 2 O 3 + % 5 Al 2 O 3 C3 ZrO 2 + Y 2 O 3 + % 10 Al 2 O 3 C4 ZrO 2 + Y 2 O 3 + % 20 Al 2 O Plazma Püskürtme Yöntemi Isıl püskürtme yöntemleri ile gerçekleştirilen yüzey kaplama işlemlerine ait şematik resim, Şekil 1 de görülmektedir. Bu çalışmada aynı prensiple gerçekleşen ve ısıl püskürtme sistemlerinden bir tanesi olan plazma püskürtme kaplama yöntemi kullanılmıştır. Püskürtme işlemi, atmosferik plazma püskürtme kaplama ünitesindeki 3 MB tabancasının manuel olarak kullanılması ile gerçekleştirilmiştir. Kaplama öncesi numunelerin yüzeye 570

3 bağlanma dayanımlarının arttırmak amacıyla, kaplanacak alt malzemelerin yüzeyleri kumlama işlemine tabi tutulmuşlardır. Kumlama işlemi 60 grit lik Al 2 O 3 toz taneciklerinin alt malzeme yüzeyine 90º lik bir açıyla püskürtülmesiyle gerçekleştirilmiştir. Kaplama işlemi esnasında kullanılan plazma püskürtme parametreleri Tablo 3 te verilmiştir. Püskürtme parametreleri toz üretici firması olan Sulzer Metco nun 204NS tozu için belirlemiş olduğu standart plazma püskürtme parametreleridir. Şekil 1. Isıl püskürtme kaplama yöntemleri ile gerçekleştirilen kaplama işleminin şematik görünümü [8] 2.3. Mikroyapı ve Yüzey Pürüzlülüğü Tablo 3. Plazma Püskürtme Kaplama Parametreleri Parameters ZrO 2 + Y 2 O 3 /Al 2 O 3 Plazma Tabancası 3 MB Akım (A) 600 Voltaj (V) 70 Plazma Gazları ve Akışı (l/min) Ar, 80 H 2, 15 Püskürtme Mesafesi (mm) 75 Nozul Çapı (mm) 7,6 Numunelerin kaplama işlemi sonrasında, mikroyapı incelemeleri için kaplama yönüne dik kesitte mikroyapı numunesi çıkartılarak, yüzeyleri 600, 800 ve 1200 mesh lik zımparalar kullanılarak düzeltilmiş ve daha sonra elmas pasta kullanılarak çuhayla parlatılmıştır. Dağlama işlemi uygulamadan mikroyapı incelemesi için hazırlanmış numunelerin optik mikroskopta fotoğrafları çekilmiştir. Kaplama işlemi öncesi ve sonrası numunelerin yüzey pürüzlülük değerleri (Ra), Mitutoyo Surftest-211 marka cihazla belirlenmiştir. 3. DENEY SONUÇLARI VE TARTIŞMA 3.1. Kaplama Tabakalarının Mikroyapı İncelemesi Cu alaşımı yüzeyine ZrO 2 + Y 2 O 3 ve ZrO 2 + Y 2 O 3 içerisine farklı oranlarda ilave edilmiş Al 2 O 3 oksit tozlarının kaplanması işlemi, atmosferik plazma püskürtme sistemi ile gerçekleştirilmiştir. Kaplama tabakalarının kalınlarındaki farlılık atmosferik plazma püskürtme yönteminin manuel olarak yapılmasından kaynaklanmaktadır. Cu alaşımı 571

4 yüzeyine kaplama işlemi gerçekleştirilmiş C1, C2, C3 ve C4 nolu numunelere ait optik mikroyapı resimleri Şekil 2 de verilmiştir. Optik mikroyapı resimleri incelendiğinde kaplama tabakaları içerisinde geniş hacimli gözeneklerin oluştuğu görülmektedir. (a) (b) (g) (h) Şekil 2. Kaplama sonrası numunelerin optik mikroyapı resimleri; a) C1, b) C2, c) C3 ve d) C4 numunesi Atmosferik plazma püskürtme yöntemi ile gerçekleştirilen ZrO 2 + Y 2 O 3 /Al 2 O 3 toz kaplamalarda gözenekli bir yapı elde edilmiştir. ZrO 2 + Y 2 O 3 tozu ile kaplanan C1 numunesinde gözeneklilik miktarının, ZrO 2 + Y 2 O 3 tozu içerisine Al 2 O 3 tozu ilavesi ile kaplanan C2, C3 ve C4 numunelerine göre kısmen daha az olduğu görülmektedir. En yüksek gözeneklilik miktarı % 20 Al 2 O 3 ilave edilerek kaplanan C4 numunesinde elde edilmiştir Yüzey Pürüzlülüğü İncelemesi Numunelerin kaplama öncesi, yüzey pürüzlendirme işlemi sonrası ve kaplama sonrası yüzey pürüzlülük değerleri ölçülmüştür. Ölçümlerde, kaplama işlemi uygulanmamış alt malzemede 3,824 µm, yüzeyi sadece pürüzlendirilmiş alt malzemede ise 5,125 µm yüzey pürüzlülük değerleri tespit edilmiştir. Numune yüzeyine yapılan kaplamalar sonrasında C1, C2, C3 ve C4 nolu numunelerde farklı yüzey pürüzlülük değerleri tespit edilmiştir. Yüzeye ZrO 2 + Y 2 O 3 kaplanan C1 numunesinde 10,285 µm pürüzlülük değeri tespit edilmiştir. % 5 Al 2 O 3 ilaveli C2 numunesinde 10,181 µm, % 10 Al 2 O 3 ilaveli C3 numunesinde 10,01 µm ve % 20 Al 2 O 3 ilaveli C4 numunesinde ise 9,89 µm yüzey pürüzlülük değerleri tespit edilmiştir. Şekil 3 te görüldüğü gibi ZrO 2 + Y 2 O 3 içerisine ilave edilen Al 2 O 3 miktarının 572

5 artması ile yüzey pürüzlülük değeri kısmen düşerek yüzey kalitesi artmıştır. Artan alüminyum oksit miktarı ile, sinterleşmenin iyileşmesi ve pürüzlülüğün azalması; alüminyum oksidin, zirkonyum dioksit ve itriyum oksidin 2700 C dolaylarında bulunan ergime sıcaklıklarını düşürmesinden ileri gelmektedir. Şekil 3. Alt malzeme ve kaplanan numunelerin yüzey pürüzlülük değerleri 4. SONUÇLAR 1) Cu alaşımı alt malzeme yüzeyine ZrO 2 +Y 2 O 3 /Al 2 O 3 tozları, atmosferik plazma püskürtme yöntemi ile kaplanabilmektedir. 2) Atmosferik plazma püskürtme yöntemi ile yapılan ZrO 2 + Y 2 O 3 /Al 2 O 3 toz kaplamalarda gözenekli bir yapı elde edilmiştir. İlave edilen Al 2 O 3 miktarının artması ile gözenek miktarı artmıştır. En yüksek gözeneklilik C4 numunesinde tespit edilmiştir. 3) Kaplama tabakalarında en düşük yüzey pürüzlülüğü 9,89 µm değeri ile % 20 Al 2 O 3 ilaveli C4 numunesinde ölçülmüştür. Artan Al 2 O 3 miktarı ile yüzey pürüzlülüğü azalmış ve yüzey kalitesi kısmen artmıştır. 5. TEŞEKKÜR Bu çalışma doktora tez çalışmasıdır. FÜBAP-1471 no lu proje ile maddi destek sağlayan Fırat Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeler Birimi ne ve kaplamaların yapılmasında yardımcı olan THY Teknik A.Ş. ve çalışanlarına sonsuz teşekkürlerimizi sunarız. 6. KAYNAKLAR [1] ÖZEL, S., TURHAN, H., Plasma Spray Coating of an AA 2024-T4 Al Alloy with Oxide Powders, MP Materials Testing, 4, , (2010). [2] TUCKER R. C., Thermal Spray Coatings, ASM Handbook, Vol. 5: Surface Engineering, Ohio, , (1994). 573

6 [3] FANG, J. C., XU, W. J., ZHAO, Z. Y., ZENG, H. P., In-f light behaviors of ZrO 2 particle in plasma spraying, Surface & Coatings Technology, 201, , (2007). [4] ZHAO, L., SEEMANN, K., FISCHER, A., LUGSCHEIDER, E., Study on atmospheric plasma spraying of Al 2 O 3 using on-line particle monitoring, Surface and Coatings Technology, 168, 2-3, , (2003). [5] LV, H., ZHAO, W., AN, Q., NIE, P., WANG, J., CHU, P. K., Nanomechanical properties and microstructure of ZrO 2 /Al 2 O 3 plasma sprayed coatings, Materials Science and Engineering A, 518, , (2009). [6] WEIMIN, M., LEI, W., RENGUO, G., XUDONG, S., XIKUN, L., Sintering densification, microstructure and transformation behavior of Al 2 O 3 /ZrO 2 (Y 2 O 3 ) composites, Materials Science and Engineering A, 477, , (2008). [7] OUYANG, J. H.,, SASAKI, S., Microstructure and tribological characteristics of ZrO 2 Y 2 O 3 ceramic coatings deposited by laser-assisted plasma hybrid spraying, Tribology International, 35, 4, (2002). [8] ÖZEL S., Alüminyum alaşımı ve bronzu yüzeyine oksit ve karbür bileşiklerinin plazma sprey yöntemiyle kaplanmasının araştırılması, Doktora Tezi, Fırat Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ, (2009). [9] LIANG, W., XIAOLEI, X., JIUJUN, X., ZUKUN, H., Microstructures and properties of PVD aluminum bronze coatings, Thin Solid Films, 376, (2000). 574