MAKALE KOMPOZİT METALİK CAMLARA GENEL BİR BAKIŞ Toksn Otomotiv AR-GE Merkezi Nilüfer Orgnize Snyi Bölgesi, Burs tser@toksnotomotiv.com An Overview of Composite Metllic Glsses Geliş trihi : 21.01.2013 Kul trihi : 02.04.2013 ÖZET Metlik cm, çekirdek oluşumunun ve kristl üyümesinin engellenmesi mcıyl sıvı metlin ergime sıcklığındn cm geçiş sıcklığın ni soğutulmsı sonucund elde edilmektedir. Böylelikle kristl ypı oluşumu engellenir ve morf ypı oluşturulur. Yüksek korozyon dynımlrı, yüksek şınm, yüksek elstiklik değerleri ve yüksek sertlik değerinden dolyı morf ypıdki u mlzemeler, son yıllrd tüm dikktleri üzerine çekmiştir ve dünyd irçok önemli rştırm kuruluşlrınd çlışılmktdırlr. Çok ileşenli lşımlrın keşfedilmesi ile döküm yoluyl morf ypıd iri hcimli metlik cmlrın (İHMC) üretimine şlnmıştır. Amorf metlik cmlrın hsedilen önemli vntjlrı ynınd dezvntjı ise, kristl mlzemeler ile kıyslndığınd, plstik şekil değişiminin zyıf olmsıdır. Bu dezvntj İHMC elde edilmesini zorlştırmktdır. Bu çlışmd, ugüne kdr metlik cmlr üzerine ypıln çlışmlrdn ir derleme ypılmış ve özellikle yüksek dynımlı İHMC lrın plstiklik özelliğini geliştirmeye yönelik yeni morf İHMC mlzeme tsrımı ve üretimi rştırmlrı üzerinde durulmuştur. Anhtr Kelimeler: Amorf mlzemeler, hızlı ktılştırm, iri hcimli kompozit metlik cmlr ABSTRACT Metllic glsses re otined y rpid solidifiction from melting temperture to glss trnsition temperture in order to void nucletion nd crystl growth in the metl. Therefore crystl structure cn e suppressed nd morphous structure is formed. These morphous mterils with unique properties such s, high corrosion nd wer resistnce, high elstic vlues nd high hrdness, hve een investigted in mny reserch centers ll over the world. Production of morphous ulk metllic glsses (BMGs) hs een strted fter multicomponent lloys were invented. Poor plstic properties of these mterils re min disdvntge respect to the crystlline mterils. Lck of plsticity put ostcles in order to produce morphous BMGs. In this review, studies of different reserch groups on BMGs re summrised. This review lso focuses on production nd design processes of BMGs in order to improve plsticity of these morphous mterils. Keywords: Amorphous mterils, rpid solidifiction, composite ulk metllic glsses Bşer, T.A. 2013. Kompozit Metlik Cmlr Genel Bir Bkış Mühendis ve Mkin, cilt 54, syı 640, s. 36-44. 1. GİRİŞ Son yüzyıllrd insnoğlunun inş ettiği dünyd mlzeme cephesinde iki üyük devrim gerçekleştirilmiştir. Bunlrdn irincisi çelik mlzemelerdir. İkinci düny svşının sonlrınd plstik ve cm mlzeme özelliklerinin geliştirilmesi ve kullnım lnlrındki rtış ikinci üyük devrim olrk değerlendirilmektedir. Tüm unlr ek olrk mlzemedeki üçüncü devrim ise şimdiye kdr ilinen mlzeme özelliklerinden dh üstün özelliklere ship oln metlik cmlr ile gerçekleşmiştir. Çeliğin dynımıyl ve plstiklerin esneklik özellikleriyle günümüzde ileri teknoloji irçok ürün geliştirilmiştir. Üçüncü nesil oln metlik cm mlzemeler ise her iki özelliği dh iyi sonuçlrl izlere sunmktdırlr. Metlik cmlr geleneksel mlzemelere göre 2-3 kt yüksek dynım shiptirler. Diğer mlzemeler için %0.2 olrk elirlenen elstik gerinim sınırı metlik cmlrd %2 civrınddır. Metlik cm, kristlin fzlrın çekirdeklenme ve üyümesinin engellenmesi mcıyl sıvı metlin yüksek hızlrd (10 6-10 8 K/s) soğutulmsı sonucund elde edilmektedir [1]. Hızlı soğutm sonucund uzun ölçekte tomik düzenden yoksun morf ypı oluşur. Metlik cmdki morf ypının sorumlu olduğu üstün meknik, mnyetik ve korozyon dvrnışlrı, rştırmcılrın u mlzemeyi yoğun olrk çlışmlrın seep olmuştur. Şerit hlinde üretilen metlik cmlr üstün iletkenlik değerlerine ve mgnetik özelliklere ship olduklrı için çok yygın kullnım lnın shiptirler. Bu lşımlrın yüksek doyum indüksiyonu ve düşük histerisis kyıplrı vrdır [2]. 100-200 µm klınlığındki şerit metlik cm lşımlr mnyetik uygulmlrınd, özellikle lterntif kım güç trfolrınd ferrit (sf demir) yerine çekirdek olrk; lçk frekns trfolrınd, motorlrd, elektrik ve elektronik let ve şeekelerindeki ç-kp düğmelerinde, mnyetik yükselteçlerde ve doğrultuculrd, doğrusl ivmelendiricilerde ve lrm sistemlerinde kullnılmktdır [3]. İHMC çoğunlukl elektronik cihzlrın kslrınd kullnılmktdır. Ezilmeye krşı direnç (Ti, Al lşımlrındn dh dynıklı), sğlmlık, çizilmeye krşı direnç ve hfiflik gii özellikleri nedeniyle USB hfız sürücülerinde, MP3 oyntıcılrd, cep telefonlrınd ve rkot tryıcılrd kullnılmktdır. Bu yeni mlzemenin svunm snyindeki uygulmlrı d gelecek vt etmektedir. Amerikn Ordu Arştırm Bölümü nün desteklediği çlışm ile iyolojik olrk zehirli olduğundn kuşku duyuln urnyum nüfuz edicinin yerini lck metlik cm zırh nüfuz ediciler geliştirilmeye çlışılmktdır [4]. Ticri olrk ilgi çeken diğer ir ln ise İHMC mlzemelerin yüksek derecede iyo uyumlu, lerjik olmyn şeklinin protezler ve cerrhi cihzlr gii tıi ileşenlerde kullnımıdır [5]. 2001 yılınd uzy fırltıln NASA nın Genesis uzy rcının güneş prçcığı toplyıcılrındn iri yeni ir İHMC dn üretilmiştir. İHMC ın ilgi çektiği en son endüstrilerden iri de kuyumculuktur. Bu mlzeme hem yeterince sert ve çizilmeye krşı dirençlidir hem de uzun süre prlklığını korur. Ayrıc İHMC ın nihi şekline doğrulukl dökümünün mümkün olmsı tsrımcılrın geleneksel metllerle elde edemedikleri enzersiz şekilleri elde etmelerini sğlmktdır [5]. Metlik cmlrın hsedilen önemli vntjlrının ynınd dezvntjlrı ise; üyük hcimlerde elde edilmelerindeki zorluklrdır. Diğer mlzemelerle kıyslndıklrınd, plstik şekil değişimleri zyıftır. Metlik cmlrın gelecek vdeden özellikleri, mlzeme ilimcilerin düşük soğutm hızlrınd cm oluşturck ve öylece iri hcimde üretilmelerini mümkün kılck yeni lşımlrı rştırmsın yol çmıştır. Bu yzıd, metlik cmlrın önemini nlmk mcıyl öncelikle metlik cm lşımlrl ilgili ilgi verilecek, rdındn morf ypı elde ediniminde krşılşıln güçlükler ve çözüm metotlrı çıklncktır. Metlik cmlrın plstiklik özelliklerinin geliştirilmesine yönelik iri hcimli kompozit metlik cm (İHKMC) üretimi üzerine çlışmlr özetlenecektir. 2.1 Metlik Cmın Tnımı 2. GENEL BİLGİLER Ktı mddeler 2 grupt sınıflndırılırlr. Bunlrdn irincisi Şekil 1 de gösterilen kıs ve uzun mesfeli, tekrrlnn ve düzenli ypı oln kristl ypı (), ikincisi ise kıs mesfeli tomik düzene ship ve tekrrlnmyn morf ypıdır (). Amorf ypıy ship mlzemelerin kristl ypıy ship mlzemelere göre dynım, sertlik, tokluk ve elstiklik değerleri ile korozyon ve şınm dirençleri dh yüksektir [4]. Amorf ypılrın X-ışını difrksiyonund (XRD) elirgin keskin pikler gözlenemez. Bu ypılrd küçük çı sçılmlrınd, komşu tomlr rsı sçılmlrın geniş pik izleri görülmektedir. Kristl ypılı ktılrd ise Brgg pikleri gözlenmektedir. X ışını pternindeki her ir pik periyodikliği nedeniyle kristlin uzun mesfeli düzenli ypısı olduğun işret etmektedir. Şekil 2 de kristlin () ve morf () mlzemelerin XRD p Şekil 1. () Kristl ve () Amorf Ypılr [4] 36 Mühendis ve Mkin Mühendis ve Mkin 37
Kompozit Metlik Cmlr Genel Bir Bkış Yogunluk (.u.) 700 600 500 400 300 200 100 30 40 50 60 70 80 90 100 110 (2 ) Şekil 2. Kristl () ve Amorf Ypılrın XRD Pternlerinin Krşılştırılmsı [6] ternleri krşılştırılmıştır. Metlik cmlrd XRD nlizinin mcı, lşımlrdki morf fzın vrlığını ve derecesini elirlemektir. Amorf lşım elde edilip edilmediği XRD deseninin şeklinden nlşılmktdır. Kristlin lşımlrd görülen XRD desenindeki ğımsız ve elirgin pikler yerine tek geniş ir pik morf fzın vrlığın işret etmektedir (Şekil 2). Kristlin ve morf mlzemelerin meknik testler sonucu kırılm yüzeyleri de frklılıklr göstermektedir. Çekme testi sonrsı kristlin lşımın kırılm yüzeyi () ile sm testi sonrsı morf metlik cm lşımın dmr ptern olrk dlndırıln kırılm yüzeyi () trmlı elektron mikroskou (SEM) ile incelenmiştir ve Şekil 3 te gösterilmektedir. 2.2 Metlik Cmın Trihçesi İlk metlik cm Duwez ve rkdşlrının hızlı soğutm yöntemlerini geliştirmeleri sonucund rpor edilmiştir [7]. Metl üretim süreçlerinin ilk zmnlrındn itiren istenilen özelliklere ulşmk için metllere hızlı soğutm uygulnmıştır. Anck ulşıln soğutm hızlrının sınırlı olmsı ince ergimiş ir tknın üretilmesini ve unun niden soğuk, yüksek derecede iletken ir yüzeyle tems ettirilmesini zorunlu kılmıştır [8]. Duwez ve rkdşlrı, ilk metlik cmı u prensii içeren ir yöntemle elde etmişlerdir. Sıvı dml inert tmosfer ltınd rektif olmyn krozede ergitilmektedir. Eriyik, niden 10 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 30 μm 20 µm Şekil 3. ) Kristlin ve ) Amorf Metlik Cm Alşımlrının Kırılm Yüzeyi SEM Görüntüleri [6] hem dmlyı prçlr ölen hem de u dmllrı soğuk kır yüzeye doğru hızlndırn ultr ses şoku dlgsın mruz ırkılmktdır. Mikron oyutundki dmllr ltlığ çrpıp yyılırlr ve kır şeride ısının iletilmesi ile ktılşmktdır. Bu yöntem tnc soğutm olrk isimlendirilmektedir [7]. Bu yöntem ile düzensiz şekle ship numuneler üretilmektedir fkt 10 6-10 8 K/s soğutm hızlrın ulşmk çısındn şrılıdır. Yüksek soğutm hızlrı ve oyutsl kısıtlmlr nedeniyle 1990 lr kdr metlik cmlr sdece şerit ve levh hlinde üretilmişlerdir. Çok ileşenli lşımlrın keşfedilmesi, u lnd ir dönüm noktsı olmuş ve metlik cmlrın iri hcimde, geleneksel ergitme ve döküm yöntemleriyle elde edilmelerini mümkün kılmıştır [5]. Litertürde milimetrik oyutlrd üretilen metlik cm prç iri hcimli olrk nitelendirilmiştir. İlk İHMC Chen trfındn 1974 te elde edilen Pd-Cu-Si lşımıdır [9]. Metlik cmlrın gelecek vdeden özellikleri, mlzeme ilimcilerin düşük soğutm hızlrınd cm oluşturck ve öylece iri hcimde üretilmelerini mümkün kılck yeni lşımlrı rştırmsın yol çmıştır. 1980 lerin sonlrın doğru, Tohoku Üniversitesi nden Inoue ve rkdşlrı ndir toprk elementleri ile lüminyum ve demirli metlleri rştırmışlrdır. Dh düşük hızlrd soğutm ypılmsın çlışılırken, Ln-Al-Ni ve Ln-Al-Cu lşımlrınd olğnüstü cm oluşturm kiliyeti sptnmıştır [10-12]. Alşım eriyiğini, su soğutmlı Cu klıplr dökerek irkç milimetre klınlığınd tmmen cmsı çuuklr elde etmişlerdir. 1991 de ynı grup, cmsı Mg-Cu-Y ve Mg-Ni-Y lşımlrını geliştirmişlerdir. Aynı zmnlrd, yüksek cm oluşturm kiliyetine ve ısıl krrlılığ ship Zr-esslı Zr-Al-Ni-Cu lşımlrını geliştirmişlerdir [10-14]. 1993 te, Cltech ten Peker ve Johnson irkç sntimetre kritik döküm klınlığın ship Vitreloy 1 eşli lşımını (Zr 41.2 Ti 13.8 Cu 12.5 Ni 10 Be 22.5 ) geliştirmişlerdir [5]. 1997 de Inoue nin gruu, Pd 40 Ni 40 P 20 lşımını tekrr ele lmış ve kritik döküm klınlığı 72 mm oln Pd-Cu-Ni-P lşımını geliştirmişlerdir. Pd-Cu-Ni-P ilesi şimdiye kdr ilinen en yüksek cm oluşturm kiliyetine ship metlik sistemdir [5]. Son zmnlrd rştırmlr, metlik cmlrın zyıf oln plstiklik özelliğini geliştirmek için metlik cm kompozit üretimi üzerinde yoğunlşmıştır. 2.3 Cmlşm Kiliyeti İlk zmnlrd, İHMC geliştirilmesine yönelik çlışmlr dh çok deneme-ynılm yöntemiyle ilerlerken rştırmcılr zmnl elementel ileşimin doğru seçimiyle dh Şekil 4. Amorf Metlik Cmlrd: () Kritik Soğutm Hızı, R c, İndirgenmiş Cm Geçiş Sıcklığı, T rg ve Cmın Klınlığı (t mx ), () Kritik Soğutm Hızı (R c ), Aşırı Soğutulmuş Sıvı Bölgesi ΔT x ve Cmın Klınlığı (t mx ) Arsındki İlişki [15] düşük soğutm hızlrınd morf lşım elde edileileceklerinin frkın vrmışlrdır. Yüksek cm oluşturm kiliyetine ship lşım sistemlerini thmin edeilmek için cmlşm kiliyetini nlmk kritik ir önem tşımktdır. Hızlı soğutm ile morf ypı oluşturmk için, T m ve T g rsınd kristlin fzın çekirdeklenme ve üyüme reksiyonlrını skılmk gerekir. Geleneksel metlik cmlrın kritik soğutm hızı (R c ) oksit cmlr göre çok yüksektir. Fe-, Co-, Niesslı morf lşımlr için kritik soğutm hızının 10 4 K/s, Pdve Pt-zlı morf lşımlr için 10 2 K/s nin üzerinde olduğu rpor edilmiştir [10]. Alşımlrın cm oluşturm kiliyetini elirlemek için dönüşüm sıcklıklrı oln, ergime sıcklığı (T m ), cm geçiş sıcklığı (Tg) ve kristlizsyon sıcklığı (T x ) kullnılrk çeşitli kriterler geliştirilmeye çlışılmıştır. Turnull, cm geçiş sıcklığının cm oluşturm kiliyetini thmin etmedeki önemine dikkt çekmiştir [15]. İndirgenmiş cm geçiş sıcklığı 0.55 ten 0.66 y yükselince cm oluşumu için gerekli soğutm hızı düşmekte ve öylece dh düşük soğutm hızlrınd, dh klın cmlr sentezleneilmektedir. Diğer prmetre ΔT x (soğutm hızı) Inoue trfındn sunulmuştur [11]. Bu prmetre şırı soğutulmuş sıvı ölgesini gösterir ve ne kdr geniş olurs cm oluşturm kiliyeti o kdr yüksek olur. Cm oluşturm kiliyeti lşımın cm geçiş sıcklığının ergime sıcklığın ornın (T rg =T g /T m ), ΔT x ve klınlık değerleri ile ilişkilidir (Şekil 4). Cm geçiş sıcklığının yüksek olmsı dh üyük çplrd morf ypı elde edinimini ve lşımın dh yüksek sıcklrd kullnılilmesini sğlmktdır. Turnull çlışmlrıyl metlik cm ile ilgili ilgi irikimine önemli ktkı sğlmıştır. Metlik cmlr ile metlik olmyn cmlr (siliktlr, sermik cmlr ve polimerler) rsındki enzerlikleri orty koymuştur. Geleneksel cm oluşturn eriyiklerde görülen cm geçişin, hızlı soğutulmuş metlik cmlrd d gözlendiğini tespit etmiştir. Turnull, Trg nin lşımlrın cm oluşturm kiliyetini elirlemek için ir kriter olrk kullnılileceğini öne sürmüştür. Bu orn indirgenmiş cm geçiş sıcklığı olrk ilinir. Turnull un kriterine göre, T g /T m =2/3 oln ir sıvı zor kristllenir ve sdece çok dr ir sıcklık rlığınd kristlize olilir. Bu tür ir sıvı, cmsı durum düşük soğutm hızı ile kolyc soğutulilir. Bu kriter, İHMC lrın geliştirilmesinde nhtr rol oynmıştır Döküm kl nl ğ (cm) Y l Şekil 5. İHMC lrın Döküm Klınlığının Yıllr Boyunc Ypıln İyileştirme Çlışmlrın Bğlılığı [17] 38 Mühendis ve Mkin Mühendis ve Mkin 39
Kompozit Metlik Cmlr Genel Bir Bkış [16]. Şekil 4 te görüldüğü gii düşük soğutm hızlrıyl ile İHMC elde edileilmesi, metlik cmlrın üyük hcimlerde elde edileilmelerine olnk tnır. Şekil 5 te İHMC lrın döküm klınlığının yıllr oyunc ypıln çlışmlr ğlı olrk iyileştirilmesi gösterilmiştir. 1960 yıllrd İHMC sdece 0.01 cm klınlığınd üretileirlerken 2000 li yıllrd döküm klınlıklrı 10 cm civrınddır [17]. İri hcimli cm oluşturn lşım ilelerini ve ileşim rlıklrını elirleyen thmini ir modelin olmmsı ilimsel ir çıkmzdır. Hâlâ lşımlrın geliştirilmesi çoğunlukl deneyim ve gözleme dylıdır. Anck Inoue trfındn sunuln sit empirik kurllr çoğunluk trfındn kul görmüştür ve cmlşm kiliyetinde kritik rol oynmktdır [10]. Bunlr: (1) lşım sistemi üçten fzl element içermelidir (krışım prensii), (2) n ileşen elementler rsınd yüksek tomik oyut frkı %12 nin üstünde olmlıdır ve (3) elementler iririyle negtif krışm entlpisi göstermelidir [10]. Atomik oyut frkın ship elementler, dh zor kristllenen krmşık ir ypıy seep olurlr. Zirkonyum tomundn çok küçük oln erilyumun, Zr-zlı lşım eklenmesi lşımın cm oluşturm kiliyetini elirgin ir şekilde rttırır [15]. Bunlrın dışınd düşük sıcklıklrd krrlı sıvı oluşturn derin ötektiğe ship lşımlrın yüksek cm oluşturm kiliyetine ship olduğu ilinmektedir [5]. Fe, Co, Ni ve Cu zlı lşımlrın cmlşm kiliyetleri oldukç yüksektir. 2.4 Metlik Cmlrın Meknik Özellikleri Metlik cm yüksek kuvvet ltınd önce yüksek meknik dynım gösterir dh sonr ise esneyerek krşılık verir, kuvvet etkisi klktığınd ise hiçir deformsyon uğrmdn eski hlini lır. Polimer mlzemeler de u özelliklere shiptirler, n- Gerilim (MP) Çelik Silik Ti lş mlr Tht Metlik cmlr polimerler Şekil 6. Metlik Cmlrın Meknik Özelliklerinin Metl ve Metl Dışı Mlzemelerle Krşılştırılmsı ck metlik cmlr tomik ölçekte metlden frksız dvrnırlr ve iletkenlik özellikleri son derece iyidir. Kristlin metl mlzemeler için elstik gerinim sınırı %0.2 olrk elirlenmiş olup, metlik cmlrd u değer %2 civrınddır (Şekil 6). Şekil 7 de ise İHMC lrın dynım ve sertlik değerleri diğer metl gruplrıyl krşılştırılmıştır. İHMC lrın dynım değeri çelik, lüminyum ve titnyum lşımlrın mukvemet değerlerinin 3 ktı civrınddır (). Bzı İHMC lşım gruplrının sertlik değerlerinin de diğer metl lşım gruplrındn yüksek olduğu görülmektedir (). Metlik cmlrın vntjlrı; yüksek km dynımı, yüksek Vickers Sertliği (HV) Dyn m (MP) İHMC Young Modülü (GP) Şekil 7. İHMC lrın () Çekme Dynımı ve () Sertlik Değerlerinin Diğer Metl Gruplr ile Krşılştırılmsı [5] sertlik, yüksek dynım/ğırlık ornı (spesifik dynım), yüksek elstik limit, yüksek korozyon dynımı, yüksek şınm dynımı, özgün kustik özellikler, iyo-uyumlu olmlrıdır. Dezvntjlrı ise; üyük hcimlerde elde edilmeleri zordur, cmsı geçiş sıcklığının üzerinde kullnılmzlr. Kristlin mlzemelerle kıyslndığınd, plstik şekil değişimi zyıftır. 2.5 Metlik Cmlrın Üretimi Metlik cmlr, eriyik döndürme tekniği ile şerit olrk vkumlu vey düzlem kışlı döküm teknikleri ile ktı metl formund iri hcimli olrk üretilmektedirler. Metlik cm üretiminde ess oln hızlı ktılştırm yöntemidir. Yygın olmmkl irlikte meknik lşımlm [18], öğütme [19], lzer ve elektron ile omrdımn metodu [20] gii teknikler kullnılrk d metlik cm elde edileilmektedir. Bu tür üretimler tomik ypıyı ve tomlrın örgüde- ki syısını ve sırlnışını ozduğu için morf metlik cm üretim teknikleri olrk litertürde yerini lmıştır. Anck u üretimler hem ekonomik değildir hem de seri üretim kısıtlıdır. Bu seeple hızlı ktılştırm tekniği ile üretim ess lınmıştır. Şerit y d iri hcimli metlik cm dökümünden önce, dökümde kullnılck n lşım hzırlnmlıdır. An lşım %99 ile %99.9 sflıkt elementleri içermektedir. Elementlerin ergitilmesi genellikle 2 çeşit fırınd ypılmktdır. Bunlrdn irincisi vkum rk fırınıdır. Ergitme, tungsten uçlrın oluşturduğu rkın sıcklığı ile soğutmlı kır hznenin içindeki tletlerin ısıtılmsı sonucund gerçekleştirilmektedir. Bkır hznelerin içinde su sirkülsyonu mevcuttur ve hızlı soğum gerçekleşmektedir. Diğer yöntemde ise fırınd lşım ynı şekilde kır hznede hızlı soğum ile hzırlnmktdır. Anck urd kır hzne indüksiyon oini içine yerleştirilmiş olup, tüm sistem kplı kurtz ir tüpün içinde yer lmktdır [6]. Hzırlnn n lşımdn şerit elde edilmek isteniyors soğuk dönen disk metotlrı uygulnmktdır. Bunlrın rsınd en yygın olrk kullnılnı sıvı metl svurm metodudur ve Şekil 8 de gösterilmektedir. Bu metott sıvı metl içinde eritildiği kurtz krozede ulunmktdır. Eritilen lşım yüksek sınç ile krozenin ltındki delikten elirli çılrl ve uygun hızlrl soğuk disk üzerine püskürtülmektedir [6]. IHMC üretiminde ise kır klıp döküm metodu kullnılmktdır. Burd n lşım yine kurtz kroze içerisine yerleştirilmektedir (Şekil 9). Eritilen lşım yüksek sınç ile krozenin ltındki delikten elirli çılrl ve uygun hızlrl soğuk kır klıp içine fırltılır [6]. heting winding gs pressure mett orifice Şekil 8. Şerit Metlik Cm Üretim Metodu [6] rion rotting drum Şekil 9. İHMC Üretim Metodu [6] 2.6 İri Hcimli Kompozit Metlik Cmlrın (İHKMC) Üretimi Günümüzde rştırmlr, metlik cmlrı dh üyük oyutlrd üretmeye ve ypılrını nlmy odklnmıştır. Litertürde krşılşıln ve ltı çizilen en üyük prolem u mlzemelerin üyük hcimde elde edilememeleridir. Mlzeme miktrındki rtış ile ni soğum hızlrı düşmekte ve unun sonucu olrk tmmı morf ypı elde edilmesi zorlşmktdır. İHMC lrın plstiklik özelliğini rtırmk için son yıllrd ypıln çlışmlrın çoğu metlik cm kompozitler üzerinde yoğunlşmıştır. Amorf mtrise güçlendirici sünek kristlin fzın ilve edilmesiyle çeşitli İHMC elde edilmiştir [5]. Amorf ypı içinde u nno kristl fzlrı oluşturilmek için çeşitli yöntemlerden denenmektedir [6, 21]. Döküm sırsınd döküm prmetreleri (döküm hızı, soğum hızı v.) üzerinde değişikliklikler ypılrk kristl fz oluşumu sğlnilmektedir. Anck u yöntem tmmıyl deneme-ynılmdn oluşmktdır. Hem çok vkit lmkt hem de mliyeti yüksek olmktdır. Diğer ir yöntem ise dökümde elde edilen tmmen morf ypıdki lşım kontrollü ısıl işlem uygulmktır [22-24]. Kontrollü ısıl işlem sırsınd morf ypı içerisinde nno oyutlu kristller elde edilmektedir. Kristl oyutu 20 nm nin ltın indiğinde, tomlrın çoğu kristl vey r yüzey sınırlrınd ulunmktdır. Bu durumd üyük kristlli lşımlrd görülen kristl kusurlrı oluşmmktdır. Nno kristlin lşımlr, mikro oyutlu kristl lşımlr ornl km ve süper esneklik özelliklerini dh düşük sıcklıklrd göstermektedirler. Denetimli ısıl işlem yönteminde tmmı 40 Mühendis ve Mkin Mühendis ve Mkin 41
Kompozit Metlik Cmlr Genel Bir Bkış Dyn m (MP) Yoğunluk (.u) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Sicklik ( C) 2 Şekil 10. Tmmı Amorf İHMC Alşımd Oluşturuln Fzlrın X-Işını Pternlerindeki Piklerin Sıcklık Artışı ile Oluşumu [17,18] Şekil 11. 5185 MP kırılm dynımın ship Co 43 T 5.5 İHMC [25] morf lşım termokupl ile sıcklığı kontrol edilen ir üniteye yerleştirilip lşım kristlizsyon değişim sıcklığı civrlrın kdr ısıtılmktdır. Bu sıcklık rtışı sırsınd lşımın XRD pternleri elirli rlıklrl lınmktdır (Şekil 10). Kristlizsyonun şldığı sıcklık değerlerinde morf pternin ilk değişim gösterdiği XRD pternlere krşılık gelen sıcklıklrd lşım soğutulmy şlnmktdır. Denetimli ısıl işlem yöntemi ile morf ypı içerisinde nno oyutlu kristl fzlr oluşturulilmektedir [22]. Oluşturuln iri hcimli kompozit metlik cmlrın (İHKMC) plstiklik özellikleri üyük ölçüde iyileşmektedir. 2.7 İri Hcimli Kompozit Metlik Cmlrın (İHKMC) Meknik Özellikleri İHMC lrın kristlin lşımlr ile krşılştırılmsı sonucund metlik cmlrın dynım değerlerinin geleneksel kristlin metllerden irkç kt fzl olduğu tespit edilmiştir. 2004 yılınd Inoue ve rkdşlrının sentezlediği Co 43 T 5.5 metlik cm lşımı 5185 MP kırılm dynımı ile en yüksek mukvemete ship lşımdır [25]. Anck Şekil 11 de görüldüğü gii lşımın plstik şekil değişimi çok zyıftır. Co 43 T 5.5 İHMC, kır klı döküm yöntemi ile 2 mm döküm çpınd tmmen morf olrk elde edilmiştir. İHMC lrın plstik özelliğini iyileştirmede Zr ve Cu esslı iki metlik cm sistemlerinde irçok çlışmlr ypılmıştır. Şekil 12 de litertürde tmmen morf IHMC ve İHKMC Zr 56.2 Ti 3.8 N 5 Cu 6.9 Ni 5.6 Be1 2.5 lşımlrının dynım ve gerinimi sırsıyl ve olrk gösterilmektedir. Kompozit lşımın plstiklik özelliğindeki iyileşme rpor edilmiştir [5]. Tmmı morf ypı %10 gerinime shipken, kompozit lşımın gerinimi %15 lere ulşmıştır. Her iki lşımın dynım değerleri değişim göstermemektedir. Anck plstik özellik kompozit lşımd %50 rtış göstermektedir. Dyn m (MP) Şekil 12. Litertürde )Tmmı Amorf IHMC ve )İHKMC Zr5 6.2 Ti 3.8 N 5 Cu 6.9 Ni 5.6 Be 12.5 Alşımının Mukvemeti ve Gerinimi [5] Plstiklik özelliği iyileştirilen diğer ir lşım ise İHKMC Cu 50 Zr 45 Ti 5 lşımıdır [26]. Şekil 13 te tmmı morf ve nno kristllerden oluşturulmuş kısmen morf lşımlrın plstiklik değerleri () krşılştırılmıştır. XRD pternleri () lşımlrın morfizsyonunu göstermektedir. Döküm klınlığının rtmsıyl değişen soğum hızın ğlı olrk tmmı morf olmyn kompozit lşım elde edilmiştir. Elde edilen u lşımın plstiklik özelliği, tmmen morf ypıy göre %80 iyileştirilmiştir. Şekil 13. İHKMC Cu 50 Zr 45 Ti 5 Alşımının () Meknik Özellikleri ve () XRD Pternleri [26] 3. SONUÇ Geleceğin mlzemesi olrk tnımlnn metlik cm lşımlrı geliştirmek ve dezvntjlrını gidermek için çok kpsmlı frklı rştırmlr ypılmktdır. Tüm u rştırmlr rsındki en önemli çlışmlr, yüksek dynımlı İHMC lrın plstiklik özelliği geliştirilerek, yeni İHMC mlzeme tsrımı ve üretimine dynmktdır. Bhsedilen tsrımın temeli; tmmen morf mlzeme içerisinde nno oyutlu fzlrın oluşumunu sğlyrk morf ypı özelliklerinde kompozit lşımlr geliştirmektir. Geliştirilecek İHKMC hem polimer mlzemelerin elstik özelliklerine ship olck hem de çelikten dh yüksek dynımlı olcklrdır. Bhsedilen her iki özelliği de içinde rındırn İHKMC mlzemelerin cep telefonu, igisyr v. gii elektronik cihzlrın korum mçlı kılıf ve kslrınd yer lilmektedir. Bu kılıf ve kslr lterntif mlzemelerle kıyslndığınd (Ti, Al) hem dh dynıklı hem de dh hfiftirler. Tüm unlr ek olrk kompozit metlik cmlrın geliştirilmesi otomotiv sektörü için de oldukç önemlidir. İHKMC lrın uygun ktkı elementleri yrdımıyl plstiklik özelliklerinin geliştirilmesi, tşıtlrd dre nınd kportnın kırılmsı yerine, ükülmesini sğlyilir. Arçlrın önden çrpmsı durumund çrpışm enerjisini emerek deformsyonun sürücü ve yolcu ölgesine ilerlemesini zltn tmpon rksınd ulunn dre emici y d çrpm kutusu olrk dlndırıln enerji sönümlendiricilerin üretimi için lterntif mlzeme rştırmlrı psif güvenlik önlemleri için önemli rol oynmktdır. Her ne kdr günümüzde metlik cmlrd gelinen son nokt u mlzemelerin rçlrd kullnımını mümkün kılms d, u mlzemelerin özelliklerinin hızl geliştiriliyor olmsı ykın gelecekte otomotiv sektöründe de önemli lterntif mlzemeler rsınd yer lcğını göstermektedir. KAYNAKÇA 1. Lieermnn, H., Grhm, C. 1976. Production of Amorphous Alloy Rions nd Effects of Apprtus Prmeters on Rion Dimensions, IEEE Trnsctions on Mgnetics, vol 12, p. 921-923. 2. Wshco, S. D. 1981. Origin of Losses in 2.54 cm Wide Metgls Alloy 2605 SC, J. Appl. Phys., p.1989-1995. 3. Luorsky, F. E. 1983. Amorphous Metllic Alloys, Butterworth-Heinemnn, USA. 4. Hufngel, T. C. 1998. http://www.sciencedily.com/releses/1998/03/980331074950.htm., son erişim trihi 12 Ekim 2012. 5. Wng, W.H., Dong, C., Shek, C.H. 2004. Bulk Metllic Glsses, Mt. Sci. Eng R., 44, p.45-51. 6. Bşer, T. A. 2007. Role of Composites Length-scle on Plsticity in Bulk Metllic Glsses, Doktor Tezi, Torino Üniversitesi Mlzeme Bilimi Bölümü, İtly. 7. Duwez, P. 1967. On the Plsticity of Crystls, Prog. Solid Stte Ch, p.405-417. 8. Johnson, W.L. 1990. ASM Hndook Properties nd Selection 2, p.804. 9. Chen, H. S. J. 1976. Entropy Model for Flow Behvior in Metllic Glsses, Non-Crystll Solids, p.135-143. 10. Inoue, A. 1999. Recent Development nd Appliction Products of Bulk Glssy Alloys, Int. J. Non-Equili Pro. Mt., p.375-387. 11. Inoue, A. 2000. Bulk Amorphous FC20 (Fe C Si) Alloys with Smll Amounts of B nd Their Crystllized Structure nd Mechnicl Properties," Act. Mter., vol.48, p.1383-1395. 2θ 42 Mühendis ve Mkin Mühendis ve Mkin 43
Kompozit Metlik Cmlr Genel Bir Bkış 12. Inoue, A., Shen B., Tkeuchi A. 2004. Solid Solution Alloys of AlCoCrFeNiTix with Excellent Room-Temperture Mechnicl Properties," Mt. Sci. Eng. A 375, p.16-19. 13. Inoue, A. 2005. Soft Mgnetic Co-sed Metllic Glss Alloy, US 20050178476 A1. 14. Inoue, A., Shen, B., Nishiym, N. 2007. Chpter 1 of Bulk Metllic Glsses, Springer, 10. 15. Bsu, J. 2003. Bulk Metllic Glsses: A New C of Engineering Mterils, Rngnthn, Sdhn, 3, p.783-798. 16. Turnull, D. 1985. Formtion of Crystl Nuclei in Liquid Metls, J. Non-Crystll Solids, 75, p.197-207. 17. Stoic, M. 2005. Microstructure nd Mgnetic Properties of Binry Nd80Fe20 with G Additions, Doktor tezi, Dresden Technischen Universität, Germny. 18. Shultz, L. 1999. Recent Development nd Appliction Products of Bulk Glssy Alloys, Mter. Sci., Eng., 97, p.151-162. 19. Luzzi, D. E., Meshi, M. 1986. Criteri for the Amorphistion of Intermetllic Compounds Under Electron Irrdition, Res. Mech., 21, p.943-948. 20. Tuli, M., Strutt, P.R. 1978. Clitor s Pulishing Devision, B. Rouge Louisin, p.113. 21. Ds, J. 2006. Ductile Metllic Glsses in Supercooled Mrtensitic Alloys, Mter. Trns., 47, p. 2606-2609. 22. Bşer, T. A., Stoic, M., Bricco, M. 2007. Anlysis of Melting nd Solidifiction Behvior of Glss-forming Alloys y Synchrotron Rdition, Adv. Eng. Mter, 9, p.492-496. 23. Bşer, T. A., Bricco, M. 2008. Anlysis of Crystllistion Behviour of Fe48Cr15Mo14Y2C15B6 Bulk Metllic Glsses y Synchrotron Rdition, J. Mter. Res., 23, p.2166-2174. 24. Bricco, M., Enzo, S., Bşer, T. A. 2010. Amorphous/Nnocrystlline Composites Anlysed y the Rietveld Method, J. All. nd Comp., 495, p.377-384. 25. Inoue, A., Shen, B. L., Koshi, H., Yvri, A.R. 2004. Ultr-high Strength Aove 5000 MP nd Soft Mgnetic Properties of Co Fe T B Bulk Glssy Alloys, Act Mter, 528, p.1631-163. 26. Xie, G., Zhng, Q., Zhng, W., Inoue, A. 2007. Stility of Nnocrystllites Dispersed in Cu50Zr45Ti5 Metllic Glss Under Electron Irrdition, Nnosci Nnotechnol, p.3286-3293. 44 Mühendis ve Mkin