Prof. Dr. Ġhsan EFEOĞLU. ATATÜRK ÜNĠVERSĠTESĠ Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Erzurum

Transkript

1 Prof. Dr. Ġhsan EFEOĞLU ATATÜRK ÜNĠVERSĠTESĠ Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Erzurum SAVUNMA SANAYĠĠNDE BORUN KULLANIMI ÇALIġTAYI SSM Haziran 14, 2011 Ankara 1

2 Sunu içeriği Yüzey Mühendisliği Bor İçerikli İnce Film Kaplamalar Kısa tanıtım Deneysel Set-up Tipik Ar+Ge ÇalıĢmaları Sonuç 2

3 YÜZEY MÜHENDİSLİĞİ TiN PVD kaplama İyon implantasyon uzay araçları Gaz nitrürleme Yüksek enerjili yüzey işlemleri Kuru film lubes elektronik Vakum kaplama hava taşıtları CVD içten yanmalı motorlar hidrolik pnomatik sistemler Takım çelikleri Kaynak ile sert yüzey eldesi Roll cladding Modern yuvarlanmalı yatak elemanları elektrikli makineler buharlı makineler Modern çelikler insan ve hayvan gücü ile çalışan makineler Hayvansal bitkisel yağlar Prinç tekerlek da Vinci ve Amontons un sürtünme çalışmaları Modern yağlayıcı olarak mineral yağın keşfi su gücü ile çalışan makineler Ahşap takımlar ile taşın kullanımı Roman tekerlek dönemi Yağlamalı kayan sistemler (Mısır Uygarlığı) BC Demir tekerlek Demirin ilk sertleştirilmesi Sürtünme hakkında Aristotle nin yazısı Taş tekerlek devri Ahşap tekerlek devri Bronz tekerlek Yıllar Elektrokaplama Çeliğin ilk sertleştirilmesi 3

4 4

5 Makina elemanlarında, tribo-mekanik ve tribo-kimyasal problemlerin çözümünde kullanılmakta olan yüzey mühendisliği teknikleri; Termal, Termokimyasal, Dubleks Yüzey kaplama Kullanılarak, hertür mühendislik malzemesi yüzeyi modifiye edilebilmektedir. Klasik yöntemlerle üretilen ve birçok konumlarda kullanılması zorunlu olan kütlesel elemanların fonksiyonlarını yerine getirebilmesi ve bir çok şartlar altında daha iyi tribo-mekanik, ve tribo-kimyasal özellikler taşıyacak yüzeylerin ince katı film şeklinde üretimininde yeni teknolojiler kullanılmaktadır. Hava-uzay taşıt araçlarının gelişmesine paralel olarak, düşük sürtünme katsayısı-yüksek aşınma dirençli ince filmler tribolojistlerin ilgisini çekmiştir.

6 Ġnce Film Kaplamanın Genel Karekteristikleri Kaplama oranı Film üniformluğu Taban malzeme üniformluğu Proses sürecinde kararlılık Kaplanabilen malzemeler Tüm Mühendislik malzemeleri Film Kalitesi (Mekanik, Tribolojik, Yapısal ve Kimyasal) İç gerilme Adezyon Stokiometri Tane boyutu, sınır özelliği ve yönlenme Safsızlık seviyesi Sürtünme-aşınma özelliği Korozyon/erozyon-oksidasyon özelliği Kaplama yönlenmesi Yönlenlendirme: iyi çekirdeklenme (kristalin) Yönsüz büyüme (amorf) Yatırım ve operasyon maliyeti 6

7 KaplanmıĢ yüzeylerde malzeme özelliklerini etkileyen faktörler Yapı / bileşim Üretim parametreleri Taban malzeme sistemi Tabaka sistemi Taban malzeme-tabaka sistemi Mikroyapı Kaplama prosesi Kaplama kalınlığı Yoğunluk Tane boyutu Tane sınırları Tane yönlenmesi (H. Holleck,1986) Kaplanmış malzeme özellikleri 7

8 1980s 2000s dc-voltaj MoS 2 -Ti Pulsed-dc voltaj Farklı taban malzemesi sıcaklığı-argon basıncı iliģkisine bağlı olarak kaplama film mikroyapısal değiģimlerine tipik örnekler (R.F. Bunshah, 1982) E. Arslan, F. Bulbul, I. Efeoglu, Tribol. Trans. 47 (2004) 218 Arslan, E, Baran, O, Efeoglu, I, Totik, Y. Surf. Coat.Technol., (2007),

9 1982 Ġlk Nesil: 1. Reflective surfaces, e.g. for laser mirrors 2. TBC for blades and vanes operating at high temperatures 3. Corrosion/erosion-resistant coatings at high temperatures 4. Advanced cutting tools 5. Wear-resistant surfaces 6. First of all thermonuclear reactor vessels 7. High-strength/high-toughness ceramics for structural applications 8. Superconducting materials - Thin film photovoltaic devices 9. Catalytic materials 10. Transparent conductive coatings in optoelectronic devices, photodetectors, liquid crystal displays, optical devices, solar photothermal absorption devices, heat mirrors. 11. Biomedical devices, e.g. neurological electrodes, heart valves, artificial organs. 12. MEMS devices Peter M. Martin, Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings, Elsevier,

10 Wachtman, J. B., Jr. and Haber, R. A., Chemical Engineerjng Progress, pp (January 1986) 10

11 1994 Ġkinci Nesil: 1. Diamond and DLC for various applications 2. Cubic boron nitride for various applications 3. Films deposition using a high-velocity gas jet 4. Unbalanced magnetron sputter deposition very useful new development Peter M. Martin, Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings, Elsevier,

12 2002 Üçüncü Nesil: 1. Ultra-low emissivity broadband high reflectors for advanced telescopes. 2. Photocatalytic coatings for biomedical, energy, hydrogen production, and self-cleaning windows 3. Thin film organic electronics, including solar cells 4. Thin film lithium batteries for high-density energy storage 5. Superhard tribological and transparent coatings with hardness >50GPa for advanced wear and, optical applications, aircrafts 6. HPPMS for high-density coatings with excellent adhesion. 7. Atomic layer deposition in semiconductor processing 8. Thin film solid oxide fuel cells and batteries 9. Nanolaminate satellite optics 10.Thin film coatings for microelectromechanical systems (MEMS) and nanotechnology applications. 11.Nanocomposites and low-dimensional structures NEMS 12.Carbon nanotubes. Peter M. Martin, Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings, Elsevier,

13 c-bn h-bn BC TiBCN TiBN 1. Elekriksel olarak yalıtkan 2. DüĢük dielektrik sabiti 3. Yüksek sıcaklık kararlılığı 4. Termal yalıtım 5. Yağlayıcılık 6. Ġnert ve Islanabilirlik direnci TiB 2 13

14 14

15 O. Knotek, E. Lugscheider, C.W. Siry. Superhard PVD coatings in the B±N±C triangle, International Journal of Refractory Metals & Hard Materials 17 (1999) 157±162 15

16 h-bn uygulama alanları Momentive Performance Materials, Germany, The hexaborides of rare-earth ve alkali elements (örneğiin; Be, Mg, Ca, Sr / La, Ce,..) are excellent thermionic /notron emitters [1]. 1- C. Mitterer, Borides in Thin Film Technology, Journal of Solid State Chemistry 133, (1997) 16

17 Atmosferde ve Oda sıcaklığında CoF değerleri Referans verelim Momentive Performance Materials, Germany, 17

18 Niçin Katı Yağlayıcılar? Sıvı yağlayıcıların düģük basınçlarda, radyasyonda, oksitleyici ve korozif ortamlarda, yüksek yükleme ve hızlarda bozunduğu görülmüģtür. Özellikle C nin üzerindeki sıcaklıklarda sıvı yağlayıcılar yağlayıcılık özelliğini kaybetmektedir. Sıvı yağlayıcıların buharlaģma ve kirlilik oluģturma özelliği, optik, elektronik, gıda ve uzay sanayiinde katı yağlayıcıları hakim kılmıģtır. Bu nedenle, bozunmaya uğramayan, daha ucuz, daha hafif, yağlama iģlemleri basit, daha uzun ömürlü ve belirtilen kritik Ģartlara dayanabilen katı yağlayıcılara ihtiyaç duyulmuģtur. 18

19 Katı Yağlayıcılar / Kendinden-Yağlayıcı Katılar Katı yağlayıcılar, yağlama özelliklerini doğrudan kendi mikro-yapısından alan ve dıģardan bir yağlayıcı temini olmadan yağlama özelliği gösteren katılardır. En yaygın kullanılan katı yağlayıcılar: Grafit MoS2 / WS2 / hbn PTFE dir. DLC/cBN BC / TiB 2 19

20 Bor Katkılı Ġnce Filmlere aittipik Ar&Ge ÇalıĢmaları kodu ile SWEDISH RESEARCH COUNCIL tarafından desteklenen, Tribology of selflubricated coatings at elevated temperature konulu projede Türkiye Tarafı Yürütücüsü olarak görev yapılmaktadır. Devam ediyor 2. BOREN tarafından Ç Proje Kodu ile desteklenen; TiB 2 :BN:MoS 2 Kendinden Yağlayıcı Sertleştirilmiş-Yumuşak Nanoyapılı Kompozit Film Kaplama Geliştirilmesi ve Özelliklerin Karekterizasyonu konulu projede Proje Yürütücüsü olarak görev alınmıştır. Bitmiştir 3. TÜBİTAK-MİSAG-219 Proje Kodu ile desteklenen, Aşınma Dirençli TiB 2 ve Me-DLC (Diamon-Like Carbon) Film Büyütülmesi:Yapısal, Mekanik ve Tribolojik- Özelliklerin Karekterizasyonu konulu projede Proje Yürütücüsü olarak görev alınmıştır. Bitmiştir 4. TÜBİTAK-MAG 106M310 Proje Kodu ile desteklenen; Hermetik Kompresörler İçin İleri Yatak Malzemeleri Geliştirilmesi, Yağ Miktarı ve Mekanik Kayıpların Azaltılması konulu projede Araştırmacı olarak görev almıştır. (Proje Yürütücüsü: Sabancı Üniversitesi, Ortaklar:Atatürk Üniversitesi, İTÜ ve ARÇELİK)) Bitmiştir 5. DPT tarafından 2003K/08 Proje Kodu ile desteklenen; Ortapedik İmplant ve Cerrahi (Tıp ve Dişçilik) Takımlarının Dubleks Yüzey İşlemleri konulu projede Proje Yürütücüsü olarak görev almıştır. Bitmiştir 6. SSM tarafından desteklenen NANOKAP (Aşınma Dirençli Kaplamalamalar Geliştirilmesi), Proje Yürütücüsü: Bilkent Üniversitesi, Ortaklar: Atatürk Üniversitesi, ROKETSAN) Devam ediyor 20

21 ÇalıĢmaların Amacı Makina elemanların fonksiyonlarını yerine getirebilmesi ve farklı Ģartlar altında daha iyi tribo-mekanik, ve tribo-kimyasal özellikler taģıyacak yüzeylerin, ince katı film Ģeklinde üretimini yeni teknolojiler kullanarak gerçekleģtirmek ve yapısal-mekanik-tribokimyasal özelliklerinin karekterizasyonu ve optimum Ģartların belirlenmesi yatak çeliği üzerine TiB 2 + BN + MoS 2 D2 takım çeliği üzerine: Mo:S:C:Ti:B Toolox üzerine: TiB 2 :TiBN-MoS 2 :MoS 2 -Ti tek ve çok tabakalı, kompozit, düģük sürtünme-yüksek aģınma dirençli kendinden yağlayıcı ince film büyütülmesi Kaplama prosesinde: hedef malzemelere pulsed-dc güç uygulanarak, sıradışı yoğunlukta, tercihli kristal yapı büyütülmesi, ve yüksek adezyon özelliğine sahip nano-mikro yapıda film büyütmek 21

22 Deneysel Set-up 1.Film Büyütme PVD (CFUBMS) Sistemi 2.Yapısal Karekterizasyon SEM XRD 3.Mekanik Özelliklerin Karekterizasyonu Mikrosertlik Adezyon Testi (Scratch test) 4.Tribolojik özelliklerin Karekterizasyonu Pin-on-disk tribotest 22

23 Kapalı Alan Dengesiz Manyetik Alanda Sıçratma (CFUBMS) ile Kaplama CFUBMS Sistemi BN /C TiB 2 Numuneler Ti MoS 2 23

24 Yapısal-Mekanik-Tribolojik Karekterizasyon Sistemleri Rikagu-XRD CSM-HT Tribotester JEOL-SEM CSM-Revetester Buehler-Microhardness 24

25 TiB 2 + BN + MoS 2 Deney No BN Ti (A) Hedefler TiB 2 (A) MoS 2 (A) Taban malzeme Pulsed dc Çalışma Basıncı (Pa) Ti TiB 2 3A 1.5 T:1µs T:0.5µs F:150kHz Ti:BN F:350kHz V T:0.5µs F:50kHz 0.26 Ti:BN:MoS

26 Tipik Mikroyapı Oluşumu 26

27 52100 takım çeliği üzerinden XRD grafiği a : Taban malzeme kaplanmamış b cbn MoS 2 TiB 2 hbn:ti TiBN Ti-TiB 2 -Ti:BN-Ti:BN:MoS 2 kaplanmış 27

28 Adezyon test grafiği 28

29 Çizik yönünde oluşan mikro çatlaklar 30N yük altında 40N yük altında 50N yük altında Kritik yük, L c :65N Kritik yük noktası 29

30 Kompozit filmin atmosfer ortamında sürtünme karekteristiği Aşınma taneleri Aşınma profili 30

31 SONUÇLAR Katı yağlayıcı filmin yapısının çok yoğun bir büyüme gösterdiği tesbit edilmiģtir. Vickers mikro sertlik değerleri, MoS 2 -Ti yi karekterize etmiģtir. MoS 2 -Ti un altında olan Ti:BN ün etkisine rağmen sertlik değeri yaklaģık olarak; HV 0.01 için; 570 tesbit edilmiģtir. XRD analiz sonucu, kompozit yapının 2 :2 o -110 o arasında kısmen MoS 2 un (002) kristal yapısı oluģmuģken, azda olsa kristal normda cbn den yansımlar ile hbn yansımalar görülmüģtür. Yapıda Ti esaslı; TiB 2 ve TiBN kristal yapılarının da tercihli büyüme gösterdiğit esbit edilmiģtir. 31

32 Tribo-testsonuçlarından:deformasyona ğramadan, min =0.04 ve ortalama =0.056 olarak, sürtünme katsayısı kararlılığını korumuģtur. Adezyon oldukça yüksek olmuģ, L C2 değerine ulaģılıncaya kadar, filmin taban malzemeden kopması Ģeklinde bir deformasyonun meydana gelmediği, sadece; kaplamanın incelme sürecinde, yapıda conformal-türü+hertzian türünde mikro çatlaklar oluģmuģtur. Kritik yükünün (L C ) 65N değerlerinde çıkması, film-taban malzeme ara yüzeydeki adezyonunun çok iyi değerlerde olduğunu göstermiģtir. 32

33 Mo:S:C:Ti:B Kaplama parametreleri Çalışma basıncı (Pa) Taban malzeme voltajı (-V) Pulsed-dc (T:2µs, F:100kHz) Magnetron akımı (A) TiB 2 C Ti MoS I. Efeoglu, Co-sputtered Mo:S:C:Ti:B based coating for tribological applications, Surface & Coatings Technology 200 (2005)

35 8000 cycles 4000 cycles 2000 cycles 1000 cycles 500 cycles 35

36 SONUÇLAR Katı yağlayıcı filmin yapısının çok yoğun bir büyüme gösterdiği tesbit edilmiģtir. MoS 2 fazı tercihli olarak (002) yapısında büyümüģ, tercihli olarakta TiB 2 (100) ve TiC (111) fazları büyümüģtür. CoF ye kadar düģmüģ, uygulanan yük ve cycle sayısına göre değiģmiģtir. Yorulma testi sonucu, hasar Ģekli, genellikle yapıdaki bası gerilmessi ile kabarma-ģeklinde oluģmuģtur cycles sonunda pin yüzeyine film tabakası oluģmamıģtır. 36

37 TiB 2 :TiBN-MoS 2 :MoS 2 -Ti Run No Measured Microhardnes (HV 0.01) Nitrogen Flow rate (%) Biased-dc (-V) SUBSTRATE Pulse (khz) Duty time (µs) Working Pressure (Pa) Multilayer composite TARGETS * TiB 2 Ti TiB 2 MoS 2 Current (A) Ti TiB TiBN:MoS (2x10-3 Torr) MoS 2 -Ti I. Efeoglu, B. Prakash, and J. Hardell. Interfacial scratch adhesion behaviour of multilayered Ti(BN):Ti(MoS2) based PVD coatings, ICMCTF2009, The 36th Int. Conf. on metallurgical Coatings and Thin Films, San Diego, CA, USA, April 27-May 1,

39 39

40 40

41 SONUÇLAR TiB 2 :TiBN-MoS 2 :MoS 2 -Ti graded çoktabakalı kaplama çok yoğun büyümüģtür. Kuvvetli (002) ve zayıf (103) MoS 2 yönlenmesi ile beraber; TiBN and hbn fazlarınında büyüdüğü tesbit edilmiģtir. 41

42 Kaplama parametreleri ile çoktabaklı filmlerin tabaka-arayüzeylerine ait kritik yükler arasında iyi bir iliģki görülmüģtür. Adezyon test sonuçları; bias voltaj (-50V), çalıģma basıncı (0.26Pa) ve duty time (2µs) sabit tutulunca; arayüzey adezyon değerleri azot akıģ oranına ve pulse değerlerine bağlı olarak eğiģmiģtir. BudeğiĢimler; azot akıģ oranın ve uygulanan pulse değerinin yükselmesine karģın, arayüzey kritik yüklerde düģme gözlenmiģtir. 42

43 DEĞERLENDĠRME SONUÇ OLARAK; yatak çeliği üzerine TiB 2 + BN + MoS 2 D2 takım çeliği üzerine: Mo:S:C:Ti:B Toolox üzerine: TiB 2 :TiBN-MoS 2 :MoS 2 -Ti tek ve çok tabakalı, kompozit yapıda büyütülen bu türler: DüĢük sürtünme, Uzun yorulma ömrü ve Arayüzey adhesion performance ile teknolojik uygulamalar için uygulanabilir sonuçlar verirken, Çoktabakalı nanoyapıda yeni tür sentez çalıģmalarına devam edilmesi önerilmektedir. 43

44 Ġlginiz için Sizlere, Proje Desteği Ġçin; Swedish Research Councile e TÜBĠTAK a, BOREN e Proje ÇalıĢmalarına Emek Veren; Prof. B. Prakash, Dr. Jens Hardell (Lule Technical Üniv. Sweden) Prof. Dr. Sabri Altıntaş (Boğaziçi Üniv) Prof. Dr. A. Çelik, Doç. Dr. A. Alsaran, Doç. Dr. İ. Kaymaz (Atatürk Üniv.) Doç. Dr. Y. Totik, Doç. Dr. E. Arslan, (Atatürk Üniv.) Doktora Öğrencileri: Fatih Yetim, Özlem Baran, (Atatürk Üniv.) TEġEKKÜR EDĠYORUM 44