SPARK PLAZMA SİNTERLEME (SPS)

SPARK PLAZMA SİNTERLEME (SPS) 1

GİRİŞ Spark plazma sinterleme, 1960 larda keşfedilmiş ve patentlendirilmiştir. 1980 ve 1990 lara dek gelişme periyodu devam etmiştir. Bu yöntem, grafit kalıp içerisindeki tozlara; hem mekanik olarak basınç, hem de yüksek yoğunlukta elektrik akımı uygulayarak tozlar üzerinde ark oluşturup meydana gelen basınç ve sıcaklığın etkisi ile Sinterleme olayının gerçekleştirilmesidir. 2

Spark plazma sinterleme (SPS) sisteminin şematik gösterimi 3

SPS yöntemi, diğer geleneksel sinterleme yöntemlerine göre daha yüksek sinterleme hızı (daha kısa sinterleme süresi), daha düşük sinterleme sıcaklığı gibi avantajlara sahiptir. SPS sisteminde uygulanan basınç tek yönlüdür. Bu sistemde mekanik olarak uygulanan basınç; aglomeraların kırılmasını ve tanelerin yeniden düzenlenmesini sağlamaya yardım etmektedir. 4

SPS prosesinde kullanılan grafit kalıp, ısı kaynağı gibi davranarak numunenin hem içeriden hem de dış yüzeyinden ısınmasını sağlar. Grafitin ergime sıcaklığı kalitesine bağlı olarak 3220 ile 3830 arasında değişir. Grafitin elektrik iletkenliği, 3.10 4 ila 20.10 4 (Ω.m) -1 arasında iken tavlanmış saf bakırın ki 5,8.10 7 (Ω.m) -1 dir. Grafitin basma mukavemeti ise kalitesine göre 30-350 MPa arasında değişmektedir. Grafitin ıslatılabilirliğinin düşük oluşu yüzey kalitesini artırır.

SPS sisteminde akımın etkisi; sinterlemenin ilk aşamalarında tane sınırlarında malzeme taşınımı, sıvı fazın homojen dağılımı sağlanarak kütle transferi sağlanmakta, yüklü partiküllerin hareketiyle tane sınırı fazlarının viskozitesinde azalma sonucu tane sınırı kayması ve deformasyona bağlı yoğunluk artışı sağlanmaktadır. 6

SPS sistemi temel olarak; tek eksenli basınç uygulama sistemi, su soğutmalı alt ve üst soğutmalı elektrotlar, su soğutmalı vakum ünitesi, vakum/hava/gaz atmosfer kontrol ünitesi, darbeli (pulse) doğru akım üreticisi, soğutma suyu ünitesi pozisyon ve yer değiştirme miktarı belirleme ünitesi, uygulanan basınç göstergesine sahip kontrol panelinden oluşmaktadır. 7

SPS SPARK PLAZMA SİNTERLEME hızlı sinterleme (5-20 dak.) yüksek sıcaklıklarda (2400 C) sinterleme çok az katkı ile sinterleme, üniform sinterleme (hızlı ısı transferi) (hem içerden hem dışardan ısıtma), Yüksek pres basınçları ile çalışılabilme (4000 kn) 10

SPS TEKNİĞİNİN TANIMI SPS yeni geliştirilmiş bir proses olup yüksek sinterleme basıncı altında elektrik enerjisi ile toz partikülleri arasındaki boşlukları yüklemek suretiyle kısa periyotlarda yüksek kaliteli malzemelerin sinterlenmesini mümkün kılar. SPS yöntemi, diğer basınçlı sinterleme yöntemlerine alternatif olarak ortaya çıkmıştır. 11

SPS sistemi; sıcak presleme (HP), sıcak isostatik presleme (HIP) veya atmosferik fırınlarda yapılan geleneksel sistemlere nazaran: hızlı sinterleme (dakikalarla sınırlı), çok az katkı ile sinterleme, üniform sinterleme (hızlı ısı transferi), düşük işletme maliyeti (sıcak preslemeden 200-500 o C daha düşük sıcaklıkta sinterleme), kolay operasyon mekanik basınç uygulaması yüksek ısıtma ve soğutma hızları elektrik alan uygulanması gibi pek çok avantaj sunar. 12

SPS tekniği enerji tasarrufuna ve yüksek sinterleme hızlarına imkan veren yeni bir sinterleme teknolojisi olup, bu yöntemde genel olarak diğer sinterleme sistemlerine nazaran % 20 ile % 30 daha az enerji kullanarak bulk malzeme elde etmek mümkündür. SPS tekniğinin temel çalışma prensibi, yüksek yoğunlukdaki doğru akımının grafit kalıp sistemi ve kompakt hale gelmesi istenen tozun içinden geçirilmesidir. 14

Bu sayede diğer bilinen sinterleme yöntemlerinin tersine SPS tekniğinde numune içeriden ısınır. SPS sisteminde sisteme bağlı harici bir ısıtıcı yoktur, bunun yerine elektrik akımını oluşturan ve kalıp sistemine gönderen bir elektrik akım jeneratörü vardır. Bu sayede 300 C/dakika gibi yüksek ısıtma ve soğutma hızlarına çıkılabilir ve dolayısıyla sinterleme süresi dakikalar içerisinde tamamlanabilir. 15

SPS prosesi önemli olarak dört alanda getirdiği yeniliklerle öne çıkmıştır. Hızlı sıcaklık artışı, tane boyutu kontrolü, kontrollü sıcaklık gradyantı Katı-katı, birbirine benzeyen ve benzemeyen malzemelerin sinterlenebilmesi Yüzey işlem tekniklerinde ve yüzey sertleştirme işlemlerinde, intermetalik malzemeler ve birbirine benzer olmayan metal ve cam gibi malzemelerin sinterlenmesi Polimerlerin katılaşmasından tek kristallerin geliştirilmesi, ötektik katıların sentezi ve diğer prosesler 17

Spark plazma sistemi, spark plazma sinterlemesi veya plazma ile aktive edilmiş sinterleme olarak da adlandırılabilir. Spark plazma sinterlemesi uygun bir tanımlamadır, çünkü sistemde metal ve seramiklerin sinterlenmesi, polimerlerin kompaktlanması, metal tozlarının birleştirilmesi, kristal büyümesi ve kimyasal reaksiyonların gerçekleşmesi mümkündür. Bu nedenle SPS, spark plazma yoğunlaştırma (SPC), spark plazma birleştirme (SPJ), spark plazma büyütmesi (SPG) ve spark plazma reaksiyonunu (SPR) kapsadığı düşünülmektedir. 18

SPS ile seramik, metalik ve yarı iletkenlerden meydana gelen yeni malzemeler üretilebilir. Bunlardan bazıları SPS olmaksızın üretilemez. Alüminyum metali de diğer metaller gibi kompakt hâle getirilebilir, saf WC ve alüminyum nitrür tozları ilaveler olmaksızın sinterlenebilir, organik fiberler dağlanabilir, CoSb 3 tek kristali, bileşiğin tozlarının yavaş ısıtılması ile büyütülebilir, ötektik bileşikler kendi orjinal formlarını koruyarak ötektik tozlardan kompakt hale getirilebilir.. 19

Seramik toz kompaktlarının sinterlenmesi yoluyla üretilen birçok seramik sisteminde hem tam yoğunluk hem de ince taneli bir yapı istenilir. Buna karşılık bu iki durumun aynı anda gerçekleşememesinin ana nedeni, sinterleme boyunca yoğunlaşmanın ardından tane büyümesinin meydana gelmesidir. Bu nedenle, sinterlemenin daha kısa sürede yapılması gerekir. SPS, seramik tozların çok hızlı ve hemen hemen tam yoğunlukta sinterlenmesini sağlayan bir prosestir. 20

Sıcak preste ısı, numune ve kalıbın etrafını çevreleyen ancak temas etmeyen bir dirençten yayınma yolu ile transfer olurken, SPS sisteminde birkaç volt ve cihazın kapasitesine bağlı olarak birkaç binler mertebesinde amperden oluşan akım, doğrudan grafit kalıba ve numune üzerine uygulanır ve kalıp doğrudan ısıtma direnci gibi davranır. Numune üzerine gönderilen akım, hızlı bir yoğunlaşmaya sebep olan, toz taneleri arasında kısa devreler, arklar, kıvılcımlar ve oluşumu konusunda çeşitli fikir ayrılıklarının olduğu plazmaları oluşturur. 21

Grafit kalıp ve numune direkt olarak yüksek darbeli bir akım ile ısıtıldığından, SPS prosesinde ısıl verim çok yüksektir. Isının homojen uygulanması, yüzey pürifikasyonu ve aktivasyonu sonucunda yüksek yoğunlukta ve kalitede, homojen sinterlenmiş çok çeşitli numuneler elde etmek mümkündür. 22

SPS sisteminde açık-kapalı (on-off) darbeli doğru akım kullanılması ile spark plazma, spark darbe basıncı (spark impact pressure), Joule ısınma (Joule heating) ve elektrik alan difüzyon etkisi oluşturulmaktadır. SPS prosesinde toz partiküllerinin yüzeyleri, darbeli doğru akım kullanılmayan geleneksel sinterleme proseslerine oranla daha kolay aktif hale gelmektedir. Mikro ve makro düzeyde malzeme taşınımı kolaylaştığı için düşük sıcaklıklarda ve kısa sürelerde yoğun yapıda malzeme elde edilmesi mümkündür. 23

SPS prosesinde açık-kapalı darbeli doğru akım ve voltaj, özel bir güç kaynağı tarafından toz partiküllerine uygulanır. Partiküller arasında oluşan puls doğru akım akışı şekilde görülmektedir. 24

Taneler arası boşlukta veya partiküllerin temas noktaları arasında spark deşarjlar meydana geldiğinden anlık yüksek sıcaklık bölgeleri oluşur. Bu durum toz partiküllerinin yüzeyinde buharlaşmaya ve erimeye neden olur ve partiküllerin temas noktalarının etrafında boyun oluşumu gerçekleşir. 27

SPS sistemiyle tane büyümesi oluşmadan birkaç dakika gibi çok kısa sürelerde tamamen yoğunlaştırılmış yapılar elde etmek mümkündür. Özellikle nano boyutlu tozların sinterlenmesi sırasında, sıcak presleme gibi geleneksel sinterleme yöntemlerinde toz boyutunun tane büyümesi sebebiyle sinterlenmiş üründe mikron seviyelerine yükselmesi, bu malzemelerden beklenen mekanik özelliklerin sağlamamasına neden olmaktadır. 33

Spark plazma sinterleme (SPS) sisteminin şematik gösterimi 34

a) Kalıp içi, b) hazırlanmış kalıp, c) chamber içi kalıp görüntüleri. 36

Yapılan çalışmalar sonucunda, SPS prosesinde uygulanan akımın artışının tane sınırı difüzyonunu arttırdığı ve beraberinde ısıtma hızının arttığı belirlenmiştir. Sabit ısıtma hızında, yüksek akım ve düşük voltaj çıkışı, düşük açık/kapalı (on/off) oranı için gereklidir. Darbeli doğru akım için gerekli olan açık/kapalı oranı arttığında, normalize çekilme hızı düşer, sinterleme hızının maksimum olduğu sıcaklık artar. 39

12,5 ile 4000 kn pres basıncı, 2400 C ye kadar sinterleme sıcaklığı, ancak geleneksel sinterleme yöntemlerinden daha düşük sıcaklıkta sinterleme 300 mm çapında parça üretilebilme Bu yöntemle üretilenler: Nanomalzemeler Kompozit malzemeler Semente karbürler Yarı iletken malzemeler Al/Cu-intermetalik malzemeler Yüksek performans seramikleri 44

Boyun verme mekanizması Boyun verme mekanizmasında ise kıvılcım, tanelerarası boşlukta bulunarak buharlaşma ve tane yüzeyindeki ergimeyi gerçekleştirir. Boyun, tanelerin temas alanlarının etrafında oluşur. Plastik deformasyon ilerlemesiyle birlikte bu boyunlar gelişir ve yoğunlukta % 99 lara kadar ulaşılır. 47

SPS prosesinin temeli elektriksel kıvılcım (Spark) boşaltılması olgusuna dayanır. Yüksek enerji sonucunda kıvılcım darbesi belirli sıcaklıkta kıvılcım plazması yaratır. Sıcak pres ve sıcak izostatik prese göre, SPS yüksek enerji darbelerini bir yerde toplayarak tanelerarası bağlanmada önemli gelişmeler göstermiştir. Geleneksel sinterleme yöntemlerine göre 200 C ile 500 C arasında daha düşük sıcaklıklarda sinterlemeye olanak sağlar. Buharlaşma, ergime ve sinterleme sıcaklık artış süresi de dahil 5 ile 20 dakika arasında tamamlanır. 48