Ders Müfredatı YÜZEY KAPLAMA TEKNOLOJİSİ. İnce Film Teknolojisi

Transkript

1 Ders Müfredatı İnce Film Teknolojisi Doç. Dr. Atilla EVCİN Yüzey Kaplama Teknolojisi İnce Film Nedir? Elektrolitik Kaplama Akımsız Kaplama Sol-jel Kaplama Sprey Piroliz Termokimyasal Kaplama Galvanizleme Termal Sprey Kaplama Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD) Fiziksel Buhar Biriktirme (PVD) Polimer Kaplama İnce filmlerin Özellikleri ve Karakterizasyonu Şifre film16 YÜZEY KAPLAMA TEKNOLOJİSİ Günümüzde teknolojinin hızlı bir şekilde ilerlemesini sonucu olarak ağırlaşan çalışma şartlarında kullanılan makine ve malzemeleri; özellikle aşınma, korozyon, erozyon, yorulma, oksidasyon ve yüksek sıcaklığa dayanım konularındaki talepleri tam olarak karşılayamamaktadır. Malzemelerin üretiminde kullanılan hammadde rezervlerinin gün geçtikçe azalması artan maliyetler aşınma ve korozyonun neden olduğu büyük ekonomik kayıplar alternatif malzeme arayışlarını hızlandırmıştır. Bunun sonucu dikkatler süper alaşım, plastik, kompozit, sermet ve seramik gibi malzeme grupları üzerine yoğunlaşmıştır. 1

2 Çalışma ortamının etkisi ile malzemelerin kimyasal yapıları ve fiziksel özelliklerinde değişimler ortaya çıkmaktadır. Malzeme ömrünü ve kalitesini artırmak, çalışma ortamının olumsuz şartlarının etkilerini azaltmak ve bazı özelliklerini iyileştirmek amacıyla metalik ve metalik olmayan kaplama yöntemleri geliştirilmiştir. Genellikle mühendislikte kullanılan malzemelerin istenen dayanıklılığa sahip olması ve uygulanan yükleri taşıması gerekir. Bu tür özellikler malzemenin kendisi ile doğrudan alakalıdır. Ayrıca malzemeler verimli olarak kullanabilmek için gerekli bazı yüzey özelliklerini de taşımalıdır. Bu özellikler ; İletkenlik yalıtkanlık süperiletkenlik Piezoelektrik Manyetik Optik Biyouyumluluk Isıl özellikler olabileceği gibi aşınma, erozyon, korozyon, yorulma gibi özellikler de içermektedir. 2

3 Yüzey Kaplamanın Ana nedenleri Yeni malzemelerin keşfedilmesiyle seramik film ve kaplama teknolojisi bundan etkilenir. Korozyon direnci Dayanıklılık Estetik Elektriksel iletkenlik Fonksiyonellik Aşağıdaki tablo seramiklerin bazı tipik örnekleriyle uygulama alanlarını özetler. Bunların bazıları uzun yıllardır kullanılmakta olmasına karşın bazıları henüz yeni kullanılmaktadır. Tablo Seramik Film ve Kaplamaların Kullanımı Koruyucu kaplamalar 3 grupta incelenebilir ; İnorganik kaplamalar Anodik ve kimyasal işlemlerle üretilen Fosfat, kromat ve oksitleri içeren kaplamalar Seramik ve cam kaplamalar Metalik kaplamalar Sıcak daldırmalı kaplama, metal kaplama ve elektroplate kaplama içeren Organik kaplamalar Boya, vernik ve emaye içeren kaplamalar 3

4 İnorganik Kaplamalar Dönüşüm kaplamaları Metal yüzey bir kimyasal bileşikle dönüştürülür Genellikle daldırmayla uygulanır Boyanın yapışmasını geliştirmek için boya bazlı Tek başına olabilir Siyah oksitler Yansıyan ışığı önleme Fosfat kaplama Kromat kaplama Korozyon direncini geliştirme İnorganik Kaplamalar Anodik Kaplamalar Elektrolizle uygulanır Genellikle alüminyum ve magnezyuma uygulanabilir Korozyon direncini geliştirir Levha metalin mukavemetini etkiler Genellikle bir kimyasal kaplama takip eder (kromat) Hidrofilik ve hidrofobik kaplamalar Metallik Kaplamalar Ana amaç : Yüzey özelliklerini değiştirmek. Böylece yüzey ; Korozif ajanlara direnir Aşınma, erozyon ve sürtünmeye direnç gösterir galling Yağlayıcılığı sağlar Metallik Kaplamalar Koruyucu ön kaplama (Kadmiyum) Elektrokimyasal olarak daha aktif Çoğunlukla çeliklere uygulanır Bariyer Kaplamalar (çelik üzerine Nikel) Kaplamadaki süreksizlikte korozyonu engeller Özel Kaplamalar Aşırı aşınma yada yüksek sıcaklıklara direnç Uçak motor parçalarında kullanılır 4

5 Organik Kaplamalar Üç temel fonksiyon içerir ; Yüzeyi koruma Özel fonksiyonel bir görev amacıyla (kamuflaj) Dekoratif kaplama olarak Film oluşturuculular, Pigmentler Organik Kaplamalar Akrilik Reçineler (Acrylic Resins) Asitler, alkaliler, su ve diğerlerine mükemmel direnç sağlar Alkid Reçineler (Alkyd Resins) Ekonomik, uzun ömürlü, esnek, yapışma, renk koruma ve yüksek parlaklık sağlama Selüloz Polimerler (Cellulose Polymers) Katı sert, uzun ömürlü malzemeler, havada hızla kuruyan özellikte Epoksi Reçineler (Epoxy Resins) Kimyasal dirençli, sert ve uzun ömürlü Poliüretan Kaplamalar (Polyurethane Coatings) Sert, mukavemetli ve dış etkenlere karşı dayanıklı Düşük Uçucu Organik Bileşenli Organik Boyalar (Low VOC Aerosol Paints) Yüzey Mühendisliği Malzemelerin yüzey özelliklerini değiştirerek; yeni mühendislik özellikleri kazandırmak ya da dekoratif açıdan çekici kılmak, insanoğlunun eski çağlardan beri süregelen amaçlarından birisi olmuştur. Günümüzde malzeme yüzeylerinin değiştirilmesine yönelik işlemler yüzey ve altlık malzemenin tasarımını bir arada ele alan ve bu ikisinin tek başlarına sağlayamayacağı özellikleri ekonomik olarak sağlayabilen işlemler olarak tanımlanır ve bilim olarak Yüzey Mühendisliği adını alır. Yüzey Mühendisliği disiplinler arası bir tanıma sahiptir.yüzey mühendisliği teknolojileri, problem çözme kabiliyeti yanında; katma değer sağlamaya da haizdir. Yüzey Mühendisliğinden amaç; belirli uygulamalar için en ekonomik manada, optimum yüzey özellik tasarımlarını verecek uygun teknolojilerin ortaya konmasını sağlamaktır. Malzeme tasarımı, özellikleri, yüzey mühendisliği teknolojileri ve endüstriyel sektörler arasındaki karşılıklı etkileşim şekilde gösterilmiştir. 5

6 Yüzey Mühendisliği teknolojilerinin avantajları ; Performans artışı Maliyet düşüşü Fonksiyonellikte iyileşme Mühendislik problemlerine çözüm getirme Nadir malzeme kaynaklarının dönüşümü Güç tüketiminde düşüş Verim artışı sayılabilir. Şekil Çok sektörlü ve disiplinler arası bir teknoloji olarak yüzey mühendisliği Yüzey Kaplama Teknikleri Yüzey mühendisliği teknolojileri iki temel gruba ayrılabilir ; 1. Yüzey işlemleri : Bir malzeme yüzeyine başka bir malzemenin difüzyonu neticesinde yüzeyde bir bileşik tabakasının oluşturulması (nitrürleme, karbürleme, borlama, vb) 2. Yüzey kaplamaları : Bir malzeme yüzeyine başka bir malzeme katılması yada çöktürülmesi (metal-alaşımbileşik-seramik kaplama, boya-cam-beton-emaye kaplama vb) Genellikle difüzyon yoluyla gerçekleştirilen yüzey işlemleri, altlık malzemesinin termodinamik özellikleriyle doğrudan ilgilidir. Yüzey kaplamaları ise, altlık malzemesinin termodinamiği ile doğrudan ilgili olmadığı için geniş bir uygulama imkanı sunmaktadır. Böylece oluşturulan malzeme; gerek alt yüzey ve gerekse kaplama malzemeleri açısından çok geniş bir özellik çeşitliliği vermekte, bu ise teknolojik önemini artırmaktadır. 6

7 Yüzey kaplama tekniklerinin sınıflandırılması, genellikle kaplanacak malzemenin fiziksel durumuna bağlı olarak yapılabilir. İnce Film Kaplama Teknikleri Ayrıca farklı kaplama ve yüzey işlem teknikleri kullanılarak elde edilebilecek kaplama kalınlığına ve kaplama prosesinin sıcaklık aralığına göre de çeşitli sınıflandırmalar yapılır. Metal-0rganik CVD CVD Kimyasal buhar biriktirme Plazma destekli CVD Gaz Fazlı Sistemler Sıçratma Sputtering PVD Fiziksel buhar biriktirme Elektron Demeti Buharlaştırma EBE İBAD İyon demeti destekli biriktirme Akımsız Kaplama Sol-jel Sıvı Fazlı Sistemler Kimyasal İndirgenme Sprey Piroliz Plazma Termal Sprey Eriyik Sistemler Alev Sprey Lazer Buharlaştırma Düşük Basınçlı CVD Lazer CVD Moleküler Işın Epitaksi MBE Darbeli Lazer Biriktirme PLD Polimer Kaplama Elektrokimyasal Kaplama HVOF Ark Sprey Fotokimyasal CVD Kimyasal Buhar İnfiltrasyon CVI Termal Buharlaştırma Yöntemin ne olduğunu göz önüne almadan, yüzey kaplama prosesleri, altlığı ne kısmen ne de tamamen eritmeli, altlığın mekanik ve teknolojik özelliklerini değiştirmemeli ve altlıkta iç gerilmeler oluşturmamalıdır. CVD : Kimyasal buhar biriktirme PAPVD : Plazma destekli fiziksel buhar biriktirme ICA : İyon destekli kaplama IBA : İyon ışın destekli kaplama II : İyon implantasyonu Kaplama tabakası altlık konstrüksiyonuna uygun ve fonksiyonları yerine getirecek kalınlıkta olmalı ve altlığa iyi yapışma göstermelidir. Şekil Kaplama yöntemlerinin elde edilen kaplama kalınlığına göre sınıflandırılması 7

8 Kaplama prosesleri sonucu üretilen fonksiyonel tabakaların kalınlığı 100 µm ve daha fazla ise bu proses kalın kaplama yöntemi olarak tanımlanmaktadır. Kalın kaplama tabakasının ince tabakaya üstünlükleri ; Daha fazla ısı depolama hacmine sahip olması Arayüzeyde gerilme profilinin net, yüksek doğrulukta olması Korozyon davranışlarına karşı uzun servis ömrü göstermesi CVD : Kimyasal buhar biriktirme PAPVD : Plazma destekli fiziksel buhar biriktirme ICA : İyon destekli kaplama IBA : İyon ışın destekli kaplama II : İyon implantasyonu Şekil Kaplama yöntemlerinin kaplama sıcaklığına göre sınıflandırılması Tablo Muhtelif kaplama proseslerinin karşılaştırılabilir karakteristikleri Aşınma ve Korozyon; hem malzeme, zaman ve işgücü kaybına yol açtığı için hem de insan hayatını tehlikeye sokabilecek durumlar oluşturabildiği için önlenmesi veya kontrol altına alınması gereken olaylardır. Kaplamaların en önemli kullanım nedenlerini oluşturan aşınma ve korozyon oluşumu, türleri ve mekanizmaları hakkında özet bilgi ve önleme yöntemleri kısaca belirtilecektir. 8

9 Aşınma ve Korozyon Aşınma, bir yüzeyden diğer bir yüzeye malzeme transferi veya aşınma parçalarının oluşumu neticesinde ortaya çıkan malzeme kaybıdır. DİN de aşınma; kullanılan malzeme yüzeylerinden mekanik sebeplerle ufak parçaların ayrılması suretiyle meydana gelen değişiklik olarak tanımlanmaktadır. Aşınma olayında beş unsur vardır. Bunlar; ana malzeme (aşınan), karşı malzeme (aşındıran), ara malzeme, yük harekettir. Ayrıca sıcaklık faktörü de altıncı parametre olarak değerlendirilebilir. Şekil Aşınmayı oluşturan unsurlar Aşınmayı etkileyen faktörler ise ; Ana malzemeye bağlı faktörler Malzemenin kristal yapısı Sertliği Elastisite modülü Deformasyon davranışı Yüzey pürüzlülüğü Malzemenin boyutu Karşı malzemeye bağlı faktörler Aşındırıcının etkisi Ortam şartları Sıcaklık Nem atmosfer Servis şartları Basınç Hız Kayma yolu 9

10 Metallerin çevreleriyle yaptıkları kimyasal ve/veya elektrokimyasal reaksiyonlar sonucu hasar görmeleri olayına korozyon denir. Korozyon olayında malzeme kayıpları hep bir çözeltiye geçme şeklinde anlaşıldığı için hasara uğrayan malzemeler, metalik malzemelerle sınırlandırılma ihtiyacını beraberinde getirmiştir. Ayrıca korozyon olayını sadece malzemenin kendisinin çevreden zarar görmesiyle sınırlamamak gerekir. Bu arada çevreninde zarar görmesi ön plana çıkabilir ve çevrenin hasarı çok daha önemlidir. Korozyon da aşınma gibi farklı şekilde sınıflandırılmaktadır. Korozyona sebep olan ortam açısından Kuru korozyon Islak korozyon Korozyona mekanizması açısından Kimyasal korozyon Elektrokimyasal korozyon Korozyona uğrayan metalin görünüşü açısından Üniform korozyon Yerel korozyon Korozyonun önlenmesi için ; Uygun tasarım (tek tip metal kullanılması) Uygun malzeme seçimi (ortama dayanıklı metal) Boyama İnhibitör ile koruma Katodik koruma (metal katot yapılır, kurban anot metal seçilir Zn, Mg, Al gibi) Kaplama 10