ARAŞTIRMA MAKALESİ /RESEARCH ARTICLE

Transkript

1 ANADOLU ÜNİVERSİTESİ BİLİM VE TEKNOLOJİ DERGİSİ ANADOLU UNIVERSITY JOURNAL OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Cilt/Vol.:10-Sayı/No: 1 : (2009) ARAŞTIRMA MAKALESİ /RESEARCH ARTICLE SİLİSYUM KARBÜR-ALÜMİNYUM KARMA YAPILARINDA ALÜMİNYUM KARBÜR OLUŞUMUNUN TARAMALI ELEKTRON MİKROSKOBU İLE İNCELENMESİ Ayşe KALEMTAŞ 1, Gürsoy ARSLAN 12 ÖZ Bu çalışmada basınçsız emdirme yöntemi kullanılarak silisyum karbür-alüminyum karma yapıların üretimi ve emdirme sırasında bu sistemde oluştuğu bilinen alüminyum karbür fazının oluşumu taramalı elektron mikroskobuyla incelenmiştir. Hem ince (d 50 =1 µm) hem de kaba (d 50 =23 µm) silisyum karbür tozları kullanılarak hazırlanan gözenekli seramik peletlere, argon gazı ortamında 7075 alüminyum alaşımı basınç uygulamaksızın sızdırılarak seramik-metal karma yapılar üretilmiştir. Ancak emdirme sıcaklığı 1400 C gibi emdirme süreçleri için oldukça yüksek bir sıcaklık olmasına karşın, elde edilen emdirme kalınlığının sadece bir kaç mm ile sınırlı kaldığı belirlenmiştir. Oluşan bu fazın morfolojisinin emdirme yüzeyine olan mesafeye bağlı olarak da farklılık gösterdiği gözlenmiştir. Silisyum karbür ile alüminyum alaşımının tepkimesi sonucunda oluşan alüminyum karbür fazının özellikleri taramalı elektron mikroskop ve x-ışınları kırınımı yöntemleriyle incelenmiştir. Anahtar Kelimeler : Silisyum Karbür, Karma Yapı, Alüminyum Karbür. SCANNING ELECTRON MICROSCOPY INVESTIGATION OF ALUMINUM CARBIDE FORMATION IN THE SILICON CARBIDE-ALUMINUM COMPOSITES ABSTRACT In this work the processing of silicon carbide-aluminum composites via pressureless melt infiltration technique and formation of the aluminium carbide phase, which is known to form in this system, was investigated by using transmission electron microscopy aluminum alloys were pressureless infiltrated under an argon gas atmosphere into porous ceramic pelets that were produced from both fine (d 50 =1 µm) and coarse (d 50 =23 µm) silicon carbide powders. Although temperatures as high as 1400 C were employed in the infiltration process, the infiltration depth was limited to just a few milimeters. Furthermore, the aluminium carbide phase, an unwanted reaction product in the silicon carbide-aluminum system, was observed to form in significant amounts. It was also observed that the morphology of this phase varied with the distance to the infiltration front. The characteristics of the aluminium carbide phase, which forms as a result of the interaction between silicon carbide and the aluminum alloy, were investgated by using scanning electron microscopy and x-ray diffraction. Keywords: Silicon Carbide, Composite, Aluminium Carbide. 1, Anadolu Üniversitesi, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü, 26480, Eskişehir. E-posta: [email protected] Geliş: 29 Ağustos 2007; Düzeltme: 2 Haziran 2008; Kabul: 3 Temmuz 2008

2 GİRİŞ Basınçsız emdirme tekniği silisyum karbür (SiC) takviyeli alüminyum (Al) matrisli karma yapıların üretimi için alternatif, ucuz ve basit bir yöntemdir. Ancak yapılan alanyazın taramalarında Al/SiC sisteminde çeşitli sorunlarla karşılaşıldığı belirlenmiştir (Anguilar-Martinez, 2003; Luo, 2001; Parras-Medecigo, 2002; Pech- Canul, 2000; Rodriguez-Reyes, 2003; Sritharan, 2001). Bu sistemde karşılaşılan en önemli sorunların şunlar olduğu bildirilmektedir: SiC in ergimiş Al tarafından yeterince ıslatılmaması, Al/SiC arayüzeyinde istenmeyen çeşitli tepkimelerin gerçekleşme potansiyelinin bulunması özellikle, alüminyum karbür (Al 4 C 3 ) ve alüminyum silisyum karbür (AlSiC 4 ) fazlarının oluşumu ve kalıntı gözeneklerin varlığı. Bu çalışmada SiC-Al sisteminde basınçsız emdirmeyle üretilen karma yapılarda Al 4 C 3 fazının oluşumu ve bu fazın içyapısının incelenmesi üzerine odaklanılmıştır. Anadolu Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 10 (1) Al/SiC arayüzeyinde kimyasal potansiyel farklılıkları vardır. Bu nedenle yüksek sıcaklıklarda arayüzey tepkimeleri için itici bir güç söz konusudur. Al metalinin ergime sıcaklığının üzerindeki sıcaklıklarda, atmosferik basınçta, SiC ısıl devinimsel olarak kararsız hale gelir ve 650 ± 3 ºC de Al 4 C 3 oluşturmak üzere Al ile tepkimeye girer [(Iseki, 1984), (Viala, 1993)]. Al 4 C 3 oluşumuyla sonuçlanan tepkimenin (Eşitlik 1) MTDATA paket programı kullanılarak elde edilen sıcaklığa bağlı standart serbest enerji değişimi Şekil 1 de sunulmaktadır. Katı ve sıvı Al nin molar ısı sığaları farklı olduğundan ve 660 C de Al ergidiğinden dolayı Gº eğrisinin eğimi bu sıcaklıktan sonra değişmektedir. Gº çalışılan tüm sıcaklık aralığında eksi bir değer almaktadır. Bu da Al 4 C 3 oluşumu için termodinamik bir itici gücün varlığını göstermektedir. 4 Al (s) + 3C (k) Al 4 C 3(k) G 923 K = (-) 166,9 kj/mol [1] Şekil 1. Al ve C nin tepkimeye girmesi sonucu oluşan Al 4 C 3 fazının sıcaklığa bağlı G değişimi Bu tepkime Al/SiC karma yapılarının üretimi esnasında karşılaşılan en zararlı tepkimelerden biridir. Oluşan Al 4 C 3 fazının neden olduğu temel sorunlar şunlardır: SiC tanelerinin çözünmesine sebep olduğundan, karma yapının özelliklerinin kötüleşmesine neden olur. Ayrıca kararsız bir faz olduğu için atmosferdeki nemle tepkimeye girerek Al(OH) 3 oluşturur: Al 4 C 3(k) + 12 H 2 O (g) 3 CH 4(g) + Al(OH) 3(k) G 298 K = (-) 1699,5 kj/mol [2] Gerçekleştirilen bu çalışmada, SiC-Al karma yapılarında kullanılan başlangıç SiC tozunun tane boyutuna bağlı olarak Al 4 C 3 fazının oluşumu ve içyapısı x-ışını kırınım (XRD) yöntemi, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve enerji saçınımlı x-ışınları (EDX) analizleriyle ayrıntılı olarak incelenmiştir. 2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Bu çalışmada kullanılan Alfa Aesar firmasından temin edilen ince ve kaba SiC tozlarının tane boyutları ve Eskişehir 1. Hava İkmal ve Bakım Merkezi Komutanlığı ndan temin edilen Al alaşımının kimyasal kompozisyonu Çizelge 1 de sunulmaktadır.

3 Anadolu University Journal of Science and Technology, 10 (1) 251 Çizelge 1. Silisyum karbür tozları ve Al alaşımının spesifikasyonu SiC Tozlarının Tane Boyutları 7075 Alüminyum Alaşımı Kaba SiC İnce SiC Element ağ. % d 10, µm 15 0,50 Zn 5,30 d 50, µm 23 1,00 Mg 2,30 d 90, µm 38 2,10 Cu 1,30 Cr 0,25 Fe 0,44 Elde edilen toz karışımlarına bağlayıcı ilave edildikten sonra tek yönlü preslemeyle gözenekli seramik peletler hazırlanmıştır. Grafik altlıklara konulan seramik peletlerin üzerine uygun boyutlarda kesilen ve yüzey oksit tabakası zımparalama işlemi ve ardından aseton içerisinde bekletilerek uzaklaştırılan 7075 Al alaşım blokları yerleştirilmiştir. Emdirme deneyleri 1420 C de, 60 dk süreyle, atmosfer denetimli yatay alümina tüp fırını içerisinde gerçekleştirilmiştir. Al alaşımının, gözenekli seramik bünyeye sızdırılmasında oksitlenmeyi önlemek için yüksek saflıkta Ar gazı kullanılmıştır. Ar gazının akış hızı 350 cm 3 /dk ya sabitlenmiştir. Üretilen karma yapıların içyapıları Supra VP 50 marka SEM ile incelenmiştir. İçyapı fotoğrafları geri saçınımlı elektron (BSE) görüntü modunda çekilmiştir. İçyapı incelemelerinin yanı sıra oluşan fazların kimyasal bileşimleri yarı miktarsal elementel analizle (EDX) belirlenmiştir. SiC-Al karma yapılarını oluşturan fazların tespiti Rigaku marka, Rint 2200 model XRD cihazı ile yapılmıştır. X-ışını kaynağı olarak bakır tüp (λ=1.54 Å) kullanılmış ve çekimler 1 /dk lık tarama hızıyla gerçekleştirilmiştir. 3. DENEYSEL SONUÇLAR Gerçekleştirilen emdirme çalışması sonucunda ince SiC tozları ile hazırlanan ~7 mm kalınlığındaki peletlerde yaklaşık olarak 1,7-2,0 mm, kaba SiC tozları ile hazırlanan peletlerde ise 1-2 mm arasında değişen emdirme kalınlıkları sağlandığı belirlenmiştir. İnce ve kaba SiC tozlarıyla hazırlanan peletlerde içyapı gelişimi incelendiğinde, içyapının büyük ölçüde emdirme yüzeyine olan uzaklığıma bağlı olarak değiştiği saptanmıştır (Şekil 2 ve 3). İnce SiC tozlarından üretilen karma yapıda emdirmenin kilitlendiği alt bölgede [Şekil 2(a)] oldukça yüksek boy/en oranına sahip çubuksu tanelerin geliştiği, orta kısımlarına [Şekil 2(b)] doğru gidildikçe tanelerin boy/en oranının çok belirgin bir şekilde düştüğü ve numunenin üst kısımlarında (seramik-metal arayüzeyine en yakın bölgede) [Şekil 2(c)] ise tamamen küresele yakın tanelerin oluştuğu saptanmıştır. İnce SiC tozlarından üretilen karma yapının alt bölgesinde (emdirmenin tam olarak kilitlendiği, seramik-metal arayüzeyine en uzak bölgede) oluştuğu gözlemlenen çubuksu taneler SEM de daha ayrıntılı olarak incelendiğinde (Şekil 4) yüksek boy/en oranına sahip çubuksu tanelerin içerisinde mikron altı tanelerin yoğun bir şekilde bulunduğu belirlenmiştir [Şekil 4(a)- (c)]. Emdirmenin kilitlendiği karma yapıseramik arayüzeyinde seramik faz miktarının oldukça düşük olduğu ve genel olarak karma yapıdaki taneler arası fazdan daha yüksek parlaklığa sahip bir fazın bulunduğu [Şekil 4(d)] belirlenmiştir. Benzer şekilde kaba SiC tozuyla hazırlanan karma yapılarda da emdirme yüzeyine olan uzaklığa bağlı olarak içyapının değiştiği SEM incelemeleriyle anlaşılmıştır. Emdirmenin durduğu alt bölgede [Şekil 3(a)] çubuksu tanelerin oluştuğu ancak üst bölgelere [Şekiller 3(b) ve (c)] doğru çıkıldıkça küresele daha yakın morfolojilerin geliştiği belirlenmiştir. İnce SiC tozlarından üretilen karma yapıda belirlenen yüksek boy/en oranına sahip tanelerin EDX analizi sonucu bu fazın Al 4 C 3 olduğu (Şekil 5 ve Çizelge 2) ve bu tanelerin içerisinde oluşan ince tanelerin ise yine karma yapılarda genel olarak neme hassasiyeti nedeniyle istenmeyen bir Al-Si-C fazı olduğu (Şekil 6 ve Çizelge 3) belirlenmiştir. Yapılan EDX analiziyle Al 4 C 3 tanelerinden Al ve C ile birlikte silisyum (Si) ve oksijen (O) elementlerinden de sinyal alındığı belirlenmiştir. SiC nin çözünmesi sonucu açığa çıkan Si elementinin ortamda çok az miktarda da olsa bulunan O ile tepkimeye girerek SiO 2 oluşturmuş olabileceği düşünülmektedir. Gerçekleştirilen elementelsel analiz sonucu değerlendirildiğinde (Çizelge 2) tane içerisinde belirlenen Si ve O miktarlarının SiO 2 nin stokiyometresiyle örtüştüğü saptanmıştır. Emdirmenin kilitlendiği bölgede [Şekil 2(a)] ise taneler arasındaki fazın çok yüksek oranda Si ve bir miktar da karbon (C) içerdiği (Şekil 7 ve Çizelge 4), dolayısıyla bu bölgede emdirme kilitlenmeden önce SiC tanelerinin çok büyük ölçüde çözünmüş olduğu anlaşılmıştır.

4 252 Anadolu Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 10 (1) Şekil 2. İnce SiC tozuyla üretilen karma yapının (a) alt, (b) orta ve (c) üst bölgeden alınan temsili SEM görüntüleri

5 Anadolu University Journal of Science and Technology, 10 (1) 253 Şekil 3. Kaba SiC tozuyla üretilen karma yapının (a) alt, (b) orta ve (c) üst bölgeden alınan temsili SEM görüntüleri

6 254 Anadolu Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 10 (1) Şekil 4. İnce SiC tozuyla üretilen karma yapının farklı bölgelerinden alınan temsili SEM içyapı görüntüleri (a) ve (b) iğnemsi görünen taneler, (c) iğnemsi tanelerin içi ve (d) numunenin en alt kısmı (a) (b) Şekil 5. İnce SiC tozuyla üretilen karma yapıda EDX ile belirlenen Al 4 C 3 fazı (a) noktasal analizin yapıldığı bölge (b) analiz edilen bölgenin EDX grafiği Çizelge 2. İnce silisyum karbür tozuyla üretilen numunede Al 4 C 3 olduğu düşünülen taneden alınan EDX analiz sonuçları Element Tane Al 4 C 3 SiO 2 atomca % atomca % atomca % C 35,25 42, O 13, ,67 Al 45,15 57, Si 6, ,33

7 255 Anadolu University Journal of Science and Technology, 10 (1) (a) (b) Şekil 6. İnce SiC tozuyla üretilen karma yapıda EDX ile belirlenen Al-Si-C fazı (a) noktasal analizin yapıldığı bölge (b) analiz edilen bölgenin EDX grafiği Çizelge 3. İnce silisyum karbür tozuyla üretilen numunede Al-Si-C olduğu düşünülen taneden alınan EDX analiz sonuçları Element C O Al Si Tane atomca % 45,20 2,34 27,27 25,19 (a) (b) Şekil 7. İnce SiC tozuyla üretilen karma yapıda numunenin en alt kısmından alınan noktasal EDX analizi (a) analizin yapıldığı bölge (b) analiz edilen bölgenin EDX grafiği Çizelge 4. İnce silisyum karbür tozuyla üretilen numunede alt bölgeden alınan EDX analiz sonuçları Element C O Al Si Tane atomca % 27,05 0,59 0,09 72,27

8 256 Anadolu Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 10 (1) SiC Al Si Al 4 C 3 Göreceli Şiddet (a)-alt (b)-orta (c)-üst θ ( o ) Şekil 8. İnce SiC tozuyla üretilen SiC-Al karma yapısının XRD kırınım örgüsü Gerçekleştirilen SEM çalışmaları sonucunda emdirme derinliğine bağlı olarak içyapı gelişimi belirgin bir şekilde farklılaştığından ince ve kaba SiC tozlarıyla üretilen karma yapıların faz analizlerinde numunelerin üst, orta ve alt tabakasından ayrı ayrı XRD çekimleri yapılmıştır (Şekil 8 ve 9). İnce SiC tozuyla üretilen numunede alt tabakada [Şekil 8(a)] SiC fazına ait kırınım çizgilerinin, orta ve üst bölgelere oranla daha şiddetli olduğu [Şekil 8(b) ve (c)], dolayısıyla alt bölge de SiC nin göreceli olarak daha az tüketildiği belirlenmiştir. Numunenin alt kısmında oluşan Al 4 C 3 fazına ait kırınım çizgi şiddetlerinin, numunenin orta ve üst kısmına oranla belirgin bir şekilde düşük olması da bu bölgede SiC nin daha az çözündüğünü doğrulamaktadır (Şekil 8). Kaba SiC tozuyla üretilen numunede ise orta ve üst bölgelerde Al 4 C 3 fazının kırınım çizgi şiddetlerinin oldukça yüksek olduğu [Şekil 9(b) ve (c)], buna karşın alt kısımda ise Al 4 C 3 fazının oluşmadığı belirlenmiştir [Şekil 9(a)]. SiC Al Si Al 4C 3 Göreceli Şiddet (a) alt (b) orta (c) üst θ ( o ) Şekil 9. Kaba SiC tozuyla üretilen SiC-Al karma yapısının XRD kırınım örgüsü

9 Anadolu University Journal of Science and Technology, 10 (1) GENEL SONUÇLAR 7075 Al alaşımının ince ve kaba SiC tozlarıyla hazırlanan gözenekli peletlere basınçsız emdirme tekniğiyle emdirilmesi için çok yüksek sıcaklıklara (> 1400 C) çıkılması gerektiği belirlenmiştir. Yapılan çalışmada 1450 C gibi yüksek bir sıcaklıkta, 1 saat süreyle gerçekleştirilen emdirme sonrasında bile ancak kısmi ( 2 mm) emdirmenin sağlanabildiği belirlenmiştir. SiC tanelerinin Al ile temas süresinin numunenin alt ve üst bölgelerinde farklı olduğu ve buna bağlı olarak da Al 4 C 3 fazının şekilsel gelişiminin de farklılaştığı belirlenmiştir. TEŞEKKÜR Yazarlar Anadolu Üniversitesi ne nolu Bor Karbür ve Silisyum Karbür Esaslı Zırhların Üretimi ve Karakterizasyonu başlıklı Bilimsel Araştırma Projesi ni desteklediği için teşekkür etmektedir. KAYNAKLAR Anguilar-Martinez, J.A., Pech-Canul, M.I., Rodriguez-Reyes, M. ve De La Pena, J.L. (2003). Effect of processing parameters on the degree of infiltration of SiC p preforms by Al-Si-Mg alloys Mater. Lett. 57(26-27), Iseki, T., Kameda, T. ve Maruyama, T. (1984). Interfacial reactions between SiC and aluminium during joining. J. Mater. Sci. 19(5), Luo, Z.P., Song, Y.G. ve Zhang, S.Q. (2001). A TEM study of the microstructure of SiC p /Al composite prepared by pressureless infiltration method. Scripta Materialia 45(10), Parras-Medecigo, E.E., Pech-Canul, M.I., Rodriguez-Reyes, M. ve Gorokhovsky, A. (2002). Effect of processing parameters on the production of bilayer-graded Al/SiC p composites by pressureless infiltration. Mater. Lett 56(4), Pech-Canul, M.I., Katz, R.N., ve Makhlouf, M.M. (2000). Optimum conditions for pressureless infiltration of SiC p preforms by aluminum alloys J. Mater. Process. Tech. 108(1), Rodriguez-Reyes, M., Pech-Canul, M.I., Parras- Medecigo, E.E. ve Gorokhovsky, A. (2003). Effect of Mg loss on the kinetics of pressureless infiltration in the processing of Al-Si-Mg/SiC p composites. Mater. Lett 57(13-14), Sritharan, T., Chan, L.S., Tan, L.K., ve Hung, N.P. (2001). A feature of the reaction between Al and SiC particles in an MMC, Mater. Characterisation 47(1), Viala, J.C., Bosselet, F., Laurent, V. ve Lepetitcorps, Y. (1993). Mechanism and kinetics of the chemical interaction between liquid aluminium and siliconcarbide single crystals. J. Mater. Sci 28(19), Ayşe KALEMTAŞ; 1977 de Elazığ da doğdu yılında Anadolu Üniversitesi, Seramik Mühendisliği Bölümü nden lisans derecesini, 2002 de ise Yüksek Lisans derecesini aldı yılından beri Anadolu Üniversitesi, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü nde araştırma görevlisi olarak görev yapmakta ve 2003 yılında başladığı doktora çalışmalarına devam etmektedir. Science Citation Index (S.C.I) tarafından taranan dergilerde basılmış ya da baskıda olan 4 adet makalesi bulunmaktadır. Yedi adet bilimsel araştırma projesinde araştırmacı olarak yer almıştır. İlgi alanları seramik-metal kompozitler, azot seramikleri ve kaynaklama teknikleridir. Gürsoy ARSLAN; 1967 de Çaykent te doğdu yılında Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Metalürji Mühendisliği Bölümü nden Lisans derecesini, 1993 de ise Yüksek Lisans derecesini aldı. Yüksek lisans tezi O.D.T.Ü., Prof. Dr. Mustafa N. Parlar Tez Ödülü ne layık görülmüştür. Doktora çalışmalarını 2001 yılında Anadolu Üniversitesi Seramik Mühendisliği Bölümü nde tamamladı yılından beri Anadolu Üniversitesi, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü nde öğretim üyesi olarak görev yapmaktadır. Science Citation Index (S.C.I) tarafından taranan dergilerde basılmış ya da baskıda olan 11 adet makalesi bulunmaktadır. Dört adet bilimsel araştırma projesinin yürütücülüğünü gerçekleştirmiştir. DAAD ve TÜBİTAK-NATO B2 bursları ile iki yıl süreyle yurt dışında bilimsel araştırmalarda bulunmuştur. İlgi alanları arasında seramik-metal kompozitler, köpük metaller ve X-ışını teknikleri yer almaktadır. Evli ve bir çocuk babasıdır.

10 Anadolu University Journal of Science and Technology, 9 (1) 3