TURBO DÖNGÜSEL BİR MOTORUN TÜRBİN PALET MEKANİZMASININ KOMPOZİT VE SERAMİK MALZEMELERLE GELİŞTİRİLMESİ Mustafa Erhan ERAY DOKTORA TEZİ MAKİNE EĞİTİMİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ TEMMUZ 2009 ANKARA
Mustafa Erhan ERAY tarafından hazırlanan TURBO DÖNGÜSEL BİR MOTORUN TÜRBİN PALET MEKANİZMASININ KOMPOZİT VE SERAMİK MALZEMELERLE GELİŞTİRİLMESİ adlı bu tezin Doktora tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Doç. Dr. Yakup İÇİNGÜR Tez Danışmanı, Makine Eğitimi Anabilim Dalı. Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Makine Eğitimi Anabilim Dalında Doktora tezi olarak kabul edilmiştir. Prof. Dr. İbrahim Sinan AKMANDOR Havacılık ve Uzay Mühendisliği, O.D.T.Ü. Prof. Dr. Selim ÇETİNKAYA Makine Eğitimi, Gazi Üniversitesi Prof. Dr. Metin GÜRÜ Kimya Mühendisliği, Gazi Üniversitesi Prof. Dr. Süleyman TEKELİ Metal Eğitimi, Gazi Üniversitesi Doç. Dr. Yakup İÇİNGÜR Makine Eğitimi, Gazi Üniversitesi..... Tarih 30 / 06 / 2009 Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Doktora derecesini onamıştır. Prof. Dr. Nail ÜNSAL Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü.
TEZ BİLDİRİMİ Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Mustafa Erhan ERAY
iv TURBO DÖNGÜSEL BİR MOTORUN TÜRBİN PALET MEKANİZMASININ KOMPOZİT VE SERAMİK MALZEMELERLE GELİŞTİRİLMESİ (Doktora Tezi) Mustafa Erhan ERAY GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Temmuz 2009 ÖZET Bu çalışmada, turbo döngüsel bir motorun palet yatağı ve palet arasındaki boşluğu azaltarak çıkış tork ve gücünü artırmak amacıyla çeşitli kompozit ve seramik malzemeler termal ve tribolojik olarak test edilmiştir. Palet mekanizmasında, referans olarak kullanılan GGG 70 malzemeden imal edilen palet kanalında, AISI M2 malzemeden imal edilen palet ile düşük çalışma boşluğunda (<10µm) çalıştırılamayan türbin, ancak 50 µm çalışma boşluğunda çalıştırılabilmiştir. Bu durum ise, türbin palet mekanizmasından yanma sonucu meydana gelen basınç kaçaklarına yol açmıştır. Turbo döngüsel motor türbin palet mekanizması için, referans motor malzemelerine göre oluşan basınç kayıplarını en aza indirebilecek ve elde edilen tork ve güç değerlerini artırabilecek çeşitli kompozit malzemeler belirlenmiştir. Motor deneyleri sonucu, düşük hızlarda Al 2 O 3, yüksek hızlarda ise WC-Co malzemeden imal edilen palet ve plakalarla çalıştırılan motordan elde edilen tork ve güç değerleri, diğer malzemelerden daha fazla olmuştur. Motor deney sonuçları, kullanılan malzeme özellikleri ile birlikte incelenip, turbo döngüsel motor palet mekanizması için malzeme seçme modeli oluşturulmuştur. Bilim Kodu : 708.3.026 Anahtar Kelimeler : Turbo döngüsel motor, Tungsten karbür-kobalt, Alümina, Bor karbür, AISI M2, Kübik zirkonya Sayfa Adedi : 150 Tez Yöneticisi : Doç. Dr. Yakup İÇİNGÜR
v DEVELOPMENT OF A TURBO ROTARY ENGINE TURBINE VANE MECHANISM USING COMPOSITE AND CERAMIC MATERIALS (Ph.D. Thesis) Mustafa Erhan ERAY GAZİ UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY July 2009 ABSTRACT In this study, to decrease the clearance between the vane guide and the vane of a turbo rotary engine, composite and ceramic materials had thermally and tribologically been tested. Vane mechanism used as reference engine, could not be worked at the lower clearance (<10μm) with the vane channel made of the GGG 70 material and the vane made of AISI M2. Vane mechanism could have worked with 50 μm clearance. This situation caused the pressure leakage from the turbine vane mechanism. Composite and ceramic materials were determined to minimize the pressure leakage and to increase the torque and power values obtained to the reference turbo rotary engine turbine vane mechanism. The results of engine tests were, the vane mechanism made of Al 2 O 3 had the best engine torque and power values at the low speeds, but at the high speeds the vane mechanism made of WC-Co had the best engine torque and power values. The results obtained from the engine tests with material properties were examined to develop the material selection model for the turbo rotary engine turbine vane mechanism. Science Code : 708.3.026 Key Words : Turbo rotary engine, Tungsten carbide-cobalt, Alumina, Boron carbide, AISI M2, Cubic zirconia Page Number : 150 Adviser : Assoc. Prof. Dr. Yakup İÇİNGÜR
vi TEŞEKKÜR Çalışmalarım boyunca değerli yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren hocam, tez danışmanım Doç. Dr. Yakup İÇİNGÜR e, araştırma projesinde bana da yer veren, kıymetli tecrübelerinden faydalandığım Prof. Dr. İbrahim Sinan AKMANDOR a, ayrıca Öğretim Görevlisi Dr. Melih OKUR a, tüm Pars Makina çalışanlarına, Emre ARABACI ya, malzeme tedarikinde vermiş oldukları destekle çalışmamın devam etmesini sağlayan, Büyükmıhcı Bor Teknolojileri Araştırma ve Geliştirme Tic. A.Ş. ye ve Prof. Dr. Okan ADDEMİR e, Civelek Porselen şirketi çalışanlarına ve sayın Osman Nuri CİVELEK e, manevi destekleriyle beni hiçbir zaman yalnız bırakmayan annem Latife ERAY a, babam Naci ERAY a ve eşim Emine ERAY a teşekkürü bir borç bilirim.
vii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET...iv ABSTRACT... v TEŞEKKÜR...vi İÇİNDEKİLER... vii ÇİZELGELERİN LİSTESİ...x ŞEKİLLERİN LİSTESİ...xiii RESİMLERİN LİSTESİ...xvi SİMGELER VE KISALTMALAR...xviii 1. GİRİŞ... 1 2. KOMPOZİT MALZEMELER... 3 2.1. Kompozit Malzemelerin Genel Özellikleri... 4 2.2. Kompozit Malzeme Türleri... 5 2.2.1. Polimer matrisli kompozitler (PMK)... 5 2.2.2. Metal matrisli kompozitler (MMK)... 7 2.2.3. Seramik matrisli kompozitler (SMK)... 23 2.2.4. Karbon-karbon kompozitler... 48 3. TURBO DÖNGÜSEL MOTOR VE TERMODİNAMİK ÇEVRİMİ... 51 4. LİTERATÜR ÖZETİ... 54 4.1. Kompozit Kaplama... 54 4.1.1. Termal bariyer kaplama... 54 4.1.2. Kompozit kaplamaların aşınma davranışları... 64 4.1.3. Kaplama metotları... 72
viii Sayfa 4.2. Kompozit Malzemeler... 78 4.3. Alternatif İçten Yanmalı Motorlar... 80 4.3.1. Üçgen rotorlu motor... 80 4.3.2. Türbin tipi motor... 81 4.3.3. Dönel gövdeli tip markel motor... 82 4.3.4. Küre pistonlu motor... 83 4.3.5. Altı stroklu motor... 84 4.3.6. Palet kanatlı dönel motor... 85 4.3.7. Dönel pistonlu motor... 86 4.3.8. Salınım kanatlı motor... 88 4.3.9. Karşılıklı pistonlu dönel motor... 89 4.3.10. Eliptik motor... 90 4.3.11. İçten yanmalı döngüsel motorlar ve performans geliştirme çalışmaları... 92 5. MATERYAL VE METOT... 102 5.1. Turbo Döngüsel Motor Palet ve Palet Kanalına Termal Bariyer Kaplama Uygulaması... 103 5.1.1. Kısmi stabilize ZrO 2 kaplama ve ısı iletim katsayısı ölçümü... 103 5.2. TDM Palet ve Palet Kanalına Kompozit Malzeme Uygulamaları... 111 5.2.1. TDM palet ve hazne kanalına B 4 C uygulaması..... 112 5.2.2. TDM palet ve hazne kanalına alümina (Al 2 O 3 ) uygulaması... 114 5.2.3. TDM palet ve hazne kanalına tungsten karbür/kobalt uygulaması... 117 5.3. TDM Palet ve Hazne Kanalında Kullanılan Kompozit Malzemelerin Yüzey Pürüzlülükleri, Sürtünme Katsayıları ve Aşınma Miktarları... 118
ix Sayfa 5.4. Kompozit Malzemelerle Çalıştırılan TDM Türbin Performans Deneyleri.. 123 5.5. Malzeme Seçimi... 134 6. SONUÇ VE ÖNERİLER... 137 KAYNAKLAR.141 ÖZGEÇMİŞ.. 149
x ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 2.1. Pekiştirici liflerin özellikleri... Çizelge 2.2. Lifli kompozitlerin özellikleri... Çizelge 2.3. Bazı metal matrisli kompozit malzemelerin mekanik özellikleri... Çizelge 2.4. Tanecik takviyeli Al metal matrisli kompozit malzemede, tanecik hacim oranına bağlı olarak elastiklik modülünün artışı... Çizelge 2.5. Bazı tanecik takviyeli metal matrisli kompozit malzemelerin kırılma tokluğu değerleri... Çizelge 2.6. WC-Co alaşımlı kesicilerin %Co içeriğine göre özellikleri... Çizelge 2.7. WC ve WC-Co fiziksel ve termal özellikleri... Çizelge 2.8. Alüminanın fiziksel ve termal özellikleri... Çizelge 2.9. Zirkonyanın fiziksel ve termal özellikleri... Çizelge 2.10. Magnezyanın fiziksel ve termal özellikleri... Çizelge 2.11. Silikanın fiziksel ve termal özellikleri... Çizelge 2.12. Titanyum dioksitin fiziksel ve termal özellikleri... Çizelge 2.13. Silisyum karbürün fiziksel ve termal özellikleri... Çizelge 2.14. Bor karbürün fiziksel ve termal özellikleri... Çizelge 2.15. Silisyum nitrürün fiziksel ve termal özellikleri... Çizelge 2.16. Bor nitrürün fiziksel ve termal özellikleri]... Çizelge 2.17. Alüminyum nitrürün fiziksel ve termal özellikleri... Çizelge 2.18. Sialon seramiğinin fiziksel ve termal özellikleri... Çizelge 2.19. Titanyum diborürün fiziksel ve termal özellikleri... Çizelge 5.1. GGG 70 malzemenin ölçüm noktalarındaki sıcaklık değerleri... 6 6 9 13 16 21 23 28 30 32 33 35 36 38 39 42 43 46 47 105
xi Çizelge Sayfa Çizelge 5.2. 100 m NiCrAlY bağ tabaka üzerine 200 m ZrO2 Y2O3 kaplamanın ölçüm noktalarındaki sıcaklık değerleri......... Çizelge 5.3. 100 m NiCrAlY bağ tabaka üzerine 250 m ZrO2 Y2O3 kaplamanın ölçüm noktalarındaki sıcaklık değerleri........ Çizelge 5.4. 100 m NiCrAlY bağ tabaka üzerine 300 m ZrO2 Y2O3 kaplamanın ölçüm noktalarındaki sıcaklık değerleri... Çizelge 5.5. 100 m NiCrAlY bağ tabaka üzerine 800 m ZrO2 Y2O3 kaplamanın ölçüm noktalarındaki sıcaklık değerleri.... Çizelge 5.6. 150 m NiCrAlY bağ tabaka üzerine 200 m ZrO2 Y2O3 kaplamanın ölçüm noktalarındaki sıcaklık değerleri...... Çizelge 5.7. 150 m NiCrAlY bağ tabaka üzerine 250 m ZrO2 Y2O3 kaplamanın ölçüm noktalarındaki sıcaklık değerleri..... 106 107 107 108 108 108 Çizelge 5.8. 150 m NiCrAlY bağ tabaka üzerine 300 m ZrO 2 Y 2 O 3 kaplamanın ölçüm noktalarındaki sıcaklık değerleri..... Çizelge 5.9. Numunelerin ölçülen pürüzlülük değerleri... Çizelge 5.10. Numunelerin zamana bağlı sürtünme katsayısı ölçümleri... Çizelge 5.11. Deney numunelerinin aşınma miktarları.... Çizelge 5.12. WC-Co palet ve plakaların 20 l/dak hava debisinde elde edilen deney sonuçları... Çizelge 5.13. Al 2 O 3 palet ve plakaların 20 l/dak hava debisinde elde edilen deney sonuçları... Çizelge 5.14. AISI M2 palet ve plakaların 20 l/dak hava debisinde elde edilen deney sonuçları... Çizelge 5.15. WC-Co palet ve plakaların 25 l/dak hava debisinde elde edilen deney sonuçları... Çizelge 5.16. Al 2 O 3 palet ve plakaların 25 l/dak hava debisinde elde edilen deney sonuçları... Çizelge 5.17. AISI M2 palet ve plakaların 25 l/dak hava debisinde elde edilen deney sonuçları... 109 118 121 122 127 127 128 130 130 131
xii Çizelge Sayfa Çizelge 5.18. WC-Co palet ve plakaların 30 l/dak hava debisinde elde edilen deney sonuçları... Çizelge 5.19. Al 2 O 3 palet ve plakaların 30 l/dak hava debisinde elde edilen deney sonuçları... Çizelge 5.20. Turbo döngüsel motor türbini palet mekanizmasında kullanılan... Çizelge 5.21. Malzeme seçim kriterleri ve puanlama tablosu... Çizelge 5.22. Malzeme değerlendirme tablosu... 133 133 134 135 136
xiii ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 2.1. Al 6061 metal matrisli kompozitte, SiC whisker takviyesinin sıcaklık dayanımı üzerine etkisi gösterilmiştir... 15 Şekil 2.2. Bazı metal matrisli kompozitlerde sıcaklığa bağlı olarak spesifik çekme mukavemetinin değişimi... 16 Şekil 2.3. Bazı metal matris malzemeleri ve takviye elemanlarının termal genleşme katsayılarının sıcaklıkla değişimi... 17 Şekil 2.4. Alüminyum metal matrisli kompozit içerisine SiC partikül katılmasıyla termal genleşme katsayısının değişimi ve eşdeğer bazı malzemeler... 18 Şekil 2.5. WC-Co faz diyagramı... 22 Şekil 2.6. Fiziksel buhar çöktürme yöntemi şeması... 44 Şekil 3.1. Turbo döngüsel motorun P- grafiğinde sıkıştırma, ısı ilavesi ve genleşme süreçleri görülmektedir... 52 Şekil 3.2. Turbo döngüsel motor, otto, brayton, dizel ve karma çevrimlere ait P-V diyagramları... 53 Şekil 4.1. Alevle toz püskürtme yönteminin şematik gösterimi... 73 Şekil 4.2. Alevle tel püskürtme yönteminin şematik gösterimi... 74 Şekil 4.3. Elektrik ark püskürtme yönteminin şematik gösterimi... 75 Şekil 4.4. Plazma sprey tabancasının kesiti ve plazma oluşumu... 76 Şekil 4.5. Yüksek hızlı oksi-yakıt püskürtme yönteminin şematik gösterimi... 77 Şekil 4.6. Üçgen rotorlu motor genel görünümü ve çalışma biçimi... 80 Şekil 4.7. Türbin tipi motor çalışma prensibinin şekillerle gösterilmesi... 81 Şekil 4.8. Dönel gövdeli tip markel motor çalışma prensibi... 82 Şekil 4.9. Dönel gövdeli tip markel motor güç, verim karşılaştırması... 83 Şekil 4.10. Küre pistonlu motor çalışma prensibi... 83
xiv Şekil Sayfa Şekil 4.11. Küre pistonlu motorun geleneksel içten yanmalı motorlarla karşılaştırması... Şekil 4.12. Altı stroklu motor görünüşü... Şekil 4.13. Altı stroklu motor grafikleri... Şekil 4.14. Palet kanatlı dönel motor çalışma prensibinin şematik görünümü... Şekil 4.15. Dönel pistonlu motor çalışma prensibi... Şekil 4.16. Dönel pistonlu motor iç görünümü... Şekil 4.17. Salınım kanatlı motor ve pistonlu motorlarla karşılaştırması... Şekil 4.18. Salınım kanatlı motor içyapısı... Şekil 4.19. Karşılıklı pistonlu dönel motor çalışma prensibi... Şekil 4.20. Eliptik motor ön kesit görünüşü... Şekil 4.21. Petty nin pistonlu içten yanmalı döngüsel motor tasarımı... Şekil 4.22. Petty motorunun pistonu ve atalet ağırlıkları... Şekil 4.23. Hogguer in içten yanmalı döngüsel motor tasarımı... Şekil 4.24. Craf ın tasarımında kullandığı döngüsel valfli mil... Şekil 4.25. Craft ın döngüsel motor tasarımı... Şekil 4.26. John Knee nin eliptik rotorlu motor tasarımı... Şekil 4.27. Wilbert Scott un gövdeden paletli içten yanmalı motor tasarımı... Şekil 4.28. Thomas Eells in iki parçalı rotora sahip döngüsel motor tasarımı... Şekil 5.1. Numune bağlama aparatı... Şekil 5.2. Numune katman kalınlıkları ve ölçüm noktaları... Şekil 5.3. Numunelerin ısı iletim katsayılarının karşılaştırması... Şekil 5.4. Montaj yuvası ölçüleri ile birlikte imal edilen palet ve plaka ölçüleri... 84 84 85 85 86 87 88 88 89 91 93 94 95 96 97 98 100 101 102 106 110 112
xv Şekil Şekil 5.5. Pin on disc yöntemi ile aşınma ve sürtünme katsayısı deney düzeneği.. Şekil 5.6. Numunelerin zamana bağlı sürtünme katsayıları grafiği... Şekil 5.7. Motor test düzeneğinin şematik görünümü... Şekil 5.8. Malzemelerin 20 l/dakika giriş hava debisindeki güç eğrileri... Şekil 5.9. Malzemelerin 20 l/dakika giriş hava debisindeki tork eğrileri... Şekil 5.10. Malzemelerin 25 l/dakika giriş hava debisindeki güç eğrileri... Şekil 5.11. Malzemelerin 25 l/dakika giriş hava debisindeki tork eğrileri... Şekil 5.12. Malzemelerin 30 l/dakika giriş hava debisindeki güç eğrileri... Şekil 5.13. Malzemelerin 30 l/dakika giriş hava debisindeki tork eğrileri... Sayfa 119 122 125 126 126 128 129 131 132
xvi RESİMLERİN LİSTESİ Resim Sayfa Resim 2.1.Takviye malzemesinin geometrisine göre metal matrisli kompozitler... 9 Resim 2.2. SiC tanecik takviyeli Al metal matrisli kompozit silindir gömleği... 12 Resim 2.3. Basınçlı dökümle üretilen, grafit ve alümina takviyeli motor bloğu... 12 Resim 3.1. Turbo döngüsel motor... 51 Resim 4.1. Dönel gövdeli tip markel motor genel görünümü... 82 Resim 4.2. Karşılıklı pistonlu dönel motor prototipi... 90 Resim 5.1. Turbo döngüsel motor türbini... 102 Resim 5.2. Plazma sprey yöntemi ile kaplama... 104 Resim 5.3. Deney düzeneği... 109 Resim 5.4. Turbo döngüsel motor türbini palet kanalına açılan montaj yuvası.... 111 Resim 5.5. Montajı yapılmış B 4 C palet ve plakalar... 113 Resim 5.6. B 4 C Palet ve plakaların deformasyon sonucu görüntüsü... 113 Resim 5.7. Alümina parçaların üretimi için kullanılan DIN 1,2379 çeliğinden imal edilen erkek (a-palet, b-plaka) ve dişi (c-palet, d-plaka) kalıplar.. 114 Resim 5.8. Montajı yapılmış alümina palet ve plakalar... 115 Resim 5.9. Türbin testleri yapıldıktan sonra monte edilmiş alümina palet ve plakaların durumu... 116 Resim 5.10. Türbin testlerinden sonra alümina palet ve plakaların durumu... 116 Resim 5.11. Tungsten karbür-kobalt (WC-Co) alaşımından imal edilen palet ve plakalar... 117 Resim 5.12. Mitutoyo Surftest 211 model profilometre... 118 Resim 5.13. Pin on disc yöntemi ile aşınma deney düzeneği, a) Genel görünüm, b) Ölçüm yapılan numune ve aşındırıcı disk.. 120
xvii Resim Sayfa Resim 5.14. Turbo döngüsel motor deney düzeneği... 123 Resim 5.15. Turbo döngüsel motor... 124
xviii SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Açıklama A Numune kesit alanı, m 2 A NiCrAlY+ZrO 2 Y 2 O 3 B GGG 70 F L L A L B N Q Ra Rz T A B Ölçülen kuvvet, N Isı geçiş kalınlığı, m A malzemesi için ısı geçiş kalınlığı, m B malzemesi için ısı geçiş kalınlığı, m Uygulanan kuvvet, N Birim zamanda transfer edilen enerji, W Ortalama Pürüzlülük, μm On nokta yükseklik ortalaması, μm Numune yüzeyi ve ölçüm noktası arasındaki sıcaklık farkı, K Isı iletim katsayısı, W/m.K µ Sürtünme katsayısı A malzemesi için ısı iletim katsayısı, W/m.K B malzemesi için ısı iletim katsayısı, W/m.K Kısaltmalar c-bn c-sz CTP CVD DIK Açıklama Kübik bor nitrür Kübik stabilize zirkonya Cam Takviyeli Polyester Kimyasal Buhar Çöktürme Düşük ısı kayıplı
xix Kısaltmalar EB-PVD EDS EDX EPD FDM FSZ h-bn HVOF MMK PMK PSZ PVD SiAlON SMK TBK TDM TMS t-zp YSZ ZDDP XRD Açıklama Elektron demetli fiziksel buhar çöktürme Enerji Dağılım Spektroskobu Enerji yayıcı x-ışınları Endüksiyonla yığma Foknsiyonel derecelendirilmiş malzeme Tamamen stabilize edilmiş zirkonya Hekzagonal bor nitrür Yüksek hızlı oksi-yakıt püskürtme Metal Matrisli Kompozitler Polimer matrisli kompozitler Kısmen stabilize zirkonya Fiziksel Buhar Çöktürme Silisyum aluminyum oksinitrür Seramik Matrisli Kompozitler Termal bariyer kaplama Turbo döngüsel motor Turbo malzeme seçme modeli Tetragonal zirkonya polikristal Yitriya stabilize zirkonya Çinko dialkaliditiyo fosfat X-Işınları kırınımı
1 1. GİRİŞ Teknolojik gelişmelerin temelinde malzeme alanındaki ilerlemeler ve yeni buluşlar yatmaktadır. Günümüzde malzeme bilimi alt branşları olan metaller, ametaller, kimyasallar, organikler, inorganikler, polimerler vb gibi kollara ayrılmıştır. Kompozit malzemeler ise bu gruplar içerinde en önemlilerinden biri olarak çok geniş bir uygulama sahası bulmuştur. Eski çağlara oranla insanların malzeme seçim kriterleri de değişmiştir. İnsanlar çok fazla seçim şansı bulunmadığından da olsa gerek, kolay bulabildikleri ve şekillendirmede problem yaşamadıkları malzemeleri kullanma yoluna gitmiştir. Bugünün tüketiciler ise ürünlerden hafiflik, dayanım, ucuzluk, ergonomi, çevreye uygunluk, geri dönüşüm, estetik olma gibi çok çeşitli isteklerde bulunmaktadır. Pazarlarda yaşanan yoğun rekabet üreticileri müşteri taleplerini üretime zorlamaktadır. Bu durum ise, yeni malzemelerin istenen şartları sağlamak için geliştirilmesine ve kullanılmasına neden olmaktadır. İnsanlık geliştikçe doğada hazır halde bulunan malzemeler istekleri karşılamakta yetersiz kalmıştır. Bu noktada yeni malzemeler ile bunları üretecek yeni teknoloji araştırmaları faaliyetlerine girilmiştir. Kompozit malzemeler bugün her gün artan üretim miktarları ile insanlığın kullanımında yerini almıştır. Malzemenin tarih içindeki gelişim, değişim ve çeşitlenme süreci incelendiğinde, saf ve doğal malzemenin kullanımdaki payının zamanla azaldığı, buna karşılık gelişen teknolojiyle birlikte birden fazla malzemenin çeşitli tekniklerle bir araya getirildiği, amaca uygun özelikler taşıyan, bir anlamda kompozit malzemenin gitgide arttığı, yaygınlaştığı açıkça görülmektedir. Kompozit malzeme, belirli bir amaca yönelik olarak, en az iki farklı malzemenin bir araya getirilmesiyle meydana gelen malzeme grubudur. Malzemeleri bir araya getirmedeki amaç, bileşenlerin hiç birinde tek başına mevcut olmayan bir özelliğin elde edilmesidir. Başka bir ifadeyle, kompozit malzeme üretilmesindeki amaç bileşenlerinden daha üstün özelliklere sahip yeni bir malzeme üretilmesidir.
2 Günümüzde gemi yapımından bina yapımına, ev aletleri üretiminden uzay teknolojisine kadar hemen hemen her alanda çok yaygın bir kullanım alanı bulunan kompozit malzemelerin üretimi son birkaç yüz yıla mal edilmiş gibi görülse de ilk örnekleri çok eskilere dayanmaktadır. Teknolojinin ilerlemesi ile makine elemanlarından beklenen performans yükselmektedir. Konvansiyonel malzemeler bir yere kadar beklentileri karşılarken belli bir noktadan sonra yetersiz kalmaktadırlar. Kompozit malzemeler bu anlamda önemli bir alternatiftir. Kompozit malzemeler yeni bir malzeme türü değildir. Çok basitleştirilmiş bir ifade ile iki farklı malzemenin birbirleri ile tepkimeye girmeden, moleküler anlamda alaşım oluşturmadan aynı hacimde görev yapabildikleri malzemelerdir. Hibrit yapıları itibarı ile mekanik, tribolojik ve ısıl davranışları normal malzemelerden daha karmaşıktır. Başka bir ifadeyle; iki veya daha fazla malzemenin, yeni bir malzeme oluşturmak üzere makro ya da mikro seviyede birleşmesidir [1]. Amaç Yapılan çalışmanın amacı, klasik malzemelerle düşük çalışma toleranslarında çalıştırılamayan yeni tasarım turbo döngüsel motor türbinine ait palet mekanizmasının basınç kayıplarını kompozit malzemeler kullanarak en aza indirebilecek düşük çalışma boşluklarında imâl edilip çalıştırılması ve performansının iyileştirilmesidir.
3 2. KOMPOZİT MALZEMELER İki malzemenin, asıl malzemelerde elde edilemeyen bir özellik kombinasyonu elde etmek için çeşitli yöntemlerle birleştirilmesi ile elde edilen malzemeye kompozit malzeme denir. Kompozit malzemeler alışılmışın dışındaki bükülmezlik, mukavemet, ağırlık, yüksek sıcaklık performansı, korozyon direnci, sertlik ve iletkenlik gibi özelliklerden oluşan kombinasyonları elde etmek için kullanılabilmektedir [2]. Havacılık, otomotiv, tekstil gibi önemli endüstri kolları kompozit malzemelerin önemini benimsemiş ve sürekli gelişmelerden kendilerine düşen payı almışlardır. Kompozit malzemelerin özellikleri büyük ölçüde bileşenlerin özelliklerine, geometrisine ve bunların dağılımına bağlıdır. Kompozit malzemenin özelliğini belirleyen en önemli parametrelerden birisi de takviye ve bağlayıcı malzemelerin (fazların) oranıdır. Bağlayıcı malzeme matris malzemesi kompozit malzemenin genel anlamda çimentosunu oluşturur. Takviye malzemeleri ise; kompozit malzemelerin dayanımını ve rijitliğini oluştururlar. Kompozit yapılarda matrisin üç temel fonksiyonu vardır. Bunlar; elyafları bir arada tutmak, yükü elyaflara dağıtmak ve elyafları çevresel etkilerden korumaktır. İdeal bir matris malzemesi başlangıçta düşük viskoziteli bir yapıda iken daha sonra elyafları sağlam ve uygun bir şekilde çevreleyebilecek katı forma kolaylıkla geçebilmelidir. Kompozit yapılarda yükü taşıyan elyafların fonksiyonlarını yerine getirmeleri açısından matrisin mekanik özelliklerinin rolü çok büyüktür. Örneğin matris malzemesi olmaksızın bir elyaf demeti düşünüldüğünde yük bir ya da birkaç elyaf tarafından taşınacaktır. Matrisin varlığı ise yükün tüm elyaflara eşit olarak dağılımını sağlayacaktır. Kesme yükü altındaki bir gerilmeye dayanım, elyaflarla matris arasında iyi bir yapışma ve matrisin yüksek kesme mukavemeti özelliklerini gerektirir. Elyaf yönlenmelerine dik doğrultuda, matrisin mekanik özellikleri ve elyaf ile matris arasındaki bağ kuvvetleri, kompozit yapının mukavemetini belirleyici önemli hususlardır [1].
4 2.1. Kompozit Malzemelerin Genel Özellikleri Kompozit malzeme üretiminde genellikle aşağıdaki özelliklerden birinin veya birkaçının geliştirilmesi amaçlanmaktadır. Bu özelliklerin başlıcaları, - Mekanik dayanım, basınç, çekme, eğilme, çarpma dayanımı, - Yorulma dayanımı, aşınma direnci, - Korozyon direnci, - Kırılma tokluğu, - Yüksek sıcaklığa dayanıklılık, - Isı iletkenliği veya ısıl direnç, - Elektrik iletkenliği veya elektriksel direnç, - Akustik iletkenlik, ses tutuculuğu veya ses yutuculuğu, - Rijitlik, - Ağırlık, - Görünüm ve benzeri özellikler şeklinde sıralanabilir. Kompozit malzemeler birçok açıdan, düşük maliyette klasik malzemelere göre üstünlük göstermektedirler. Çok zor hizmet koşullarında klasik malzemenin yapamayacağı görevleri başarmaktadırlar. Bundan ötürü aslında pahalı gibi anlaşılan kompozit malzemeler performans-fiyat kriterinde diğer malzemelerin önüne geçmektedir. Kompozit malzemelerin en önemli üstünlükleri, kullanıldıkları yapının ağırlığını önemli ölçülerde azaltılabilmesine imkân tanımasıdır. Kompozit yapı iç bileşenleri birbirlerine genelde kovalent bağla bağlı olduklar için çok yüksek dayanımlara erişebilmektedirler. Ağırlıktan kasıt ise, mukavemet/ağırlık oranıdır. Kompozit malzemelerde bu oran klasik malzemelere oranla çok yüksektir. İçyapının bu özelliklerinden dolayı kompozit malzeme yüksek mukavemet, yüksek elastiklik modüllerine, iyi derecede yorulma ve sürünme özelliklerine vb. yapısal özelliklere sahiptirler [3]. Kompozit malzemelerde birbirine zıt özellikleri isteyen yönlerde kullanılır. Şöyle ki, yüksek mukavemetli tok bir malzeme klasik yapıyla uyuşmaz. Çünkü malzemenin gerilme mukavemeti arttıkça tokluğu düşer, yani kırılganlaşır. Kompozit malzemelerin klasik malzemelere oranla diğer bir üstünlükleri de yorulma özelliklerinin çok iyi
5 oluşudur. Kompozit malzemelerin yorulma özelliklerinin iyi oluşu yapısal dizaynından kaynaklanmaktadır. Klasik malzemelerde dinamik yüke binmiş parçada oluşacak bir hata, çatlak vb. kusurlar hızla ilerler ve sonuçta malzeme kopar. Hâlbuki fiber kompozit gibi kompozit malzemelerde, kopan fiberler veya bileşenlerden matrise veya diğer elemanlara geçmez, geçmesi çok zordur. Özellikle tek ve çok eksenli gerilme taşıması için geliştirilmiş kompozit malzemelerde gerilme doğrultularında yorulma özelliği çok iyidir [3]. 2.2. Kompozit Malzeme Türleri Kompozit malzemelerde kullanılan bağlayıcı malzemeler (matrisler), polimerlerden (termosetler ve termoplastikler) metallerden ve seramiklerden oluşmaktadır. Dolayısıyla kompozit malzemeler kendi içinde Polimer matrisli kompozitler, Metal matrisli kompozitler ve Seramik matrisli kompozitler olarak sınıflandırılmaktadır. Kompozit malzemelerin %90 ı polimer esaslı matrislerle üretilmektedir. Metal matrisler çok pahalı ve çalışılmaları zordur. Seramik matrisler ise kırılgan olmalarından dolayı yeterli dayanımları yoktur ve kullanım alanları yüksek ısı ile kullanılan yerlerle sınırlanmaktadır [3]. Kompozit malzeme türleri; 1. Polimer Matrisli Kompozitler (PMK) 2. Metal Matrisli Kompozitler (MMK) 3. Seramik Matrisli Kompozitler (SMK) 2.2.1. Polimer matrisli kompozitler (PMK) PMK temelde kalıp görevi gören reçine içine gömülmüş sürekli veya kırpılmış elyaflardan oluşmaktadır. Bu bileşenler birbirleri içinde çözünmezler ve birbirleri ile reaksiyona girmezler. Polimer matrisli kompozitlerde elyaf sertlik, sağlamlık gibi yapısal özellikleri, plastik reçine malzemesi ise elyafın yapısal bütünlüğü oluşturması için birbirine bağlanması, yükün elyaf arasında dağılmasını ve elyafın atmosfer şartlarından ve kimyasal etkilerden korunmasını sağlar. Bugün üretilen tüm kompozit
6 malzemelerin %85 i polyester esaslı reçinelerin cam elyaf takviyesi ile üretilen CTP (Cam Takviyeli Polyester) dir. Liflerle pekiştirilmiş polimer kompozitler endüstride çok geniş kullanma alanına sahiptir. Pekiştirici olarak cam, karbon, kevlar ve boron lifleri kullanılır [3]. Çizelge 2.1. Pekiştirici liflerin özellikleri [4] Malzeme Özgül ağırlık Çekme mukavemeti Elastiklik modülü (g/cm 3 ) (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) Cam lifi 2,54 2410 70000 Karbon lifi 1,75 3100 220000 Kevlar lifi 1,46 3600 124000 PMK da kullanılan en önemli bağlayıcı malzeme polyester ve epoksidir. Pekiştirici liflerin miktarı arttıkça kompozitin mukavemeti yükselir. PMK nın en önemli özellikleri yüksek özgül mukavemet (mukavemet/özgül ağırlık) ve özgül elastiklik modülüdür (Çizelge 2.1). Dolayısıyla bu özelliklerden dolayı diğer malzemelere üstün durumundadırlar. Örneğin yüksek mukavemetli çeliklerde özgül mukavemetin 110 Nm/g olmasına karşın cam lifi polyesterlerde 620 Nm/g dır. Diğer taraftan karbon lifi epokside 700 Nm/g ve kevlar epokside 886 Nm/g dır (Çizelge 2.2). Karbon liflerinin özgül elastiklik modülü alüminyumunkinin 5 katı kadardır. Bu üstünlüklerinden dolayı polimer kompozitler uçak ve uzay endüstrisinde alüminyum alaşımlarına tercih edilir [4]. Çizelge 2.2. Lifli kompozitlerin özellikleri [4] Malzeme Özgül ağırlık g/cm 3 Çekme mukavemeti N/mm 2 Elastik mukavemet N/mm 2 Cam lifi polyester 1,5 2,1 200 340 55000 130000 Karbon lifi epoksi 1,5 1,8 1860 145000 Kevlar epoksi 2,36 2240 76000 Boron lifi - epoksi 1,4 1240 176000
7 2.2.2. Metal matrisli kompozitler (MMK) Metal matrisli kompozitlerde matris yapısı olarak alüminyum, bakır, magnezyum, titanyum gibi hafif metaller ve alaşımları kullanırken, takviye malzemesi olarak karbon, boron ve diğer metallerin genellikle elyaf şekli kullanılmaktadır. Bahsi geçen metal matris ve takviye malzemesinin bir araya getirilmesi ile elde edilen yeni malzemenin dayanımı, aşınma dayanımı, korozyon ve sertlik özelliklerinin geleneksel malzemelere göre çok daha iyi olması nedeniyle bu tip malzemeler otomotivde, gaz türbinlerinde havacılık sanayisinde ve nükleer güç donanımlarında verimli bir şekilde kullanılabilmektedir [3]. MMK malzemeler, istenen ve gerekli özellikleri sağlamak üzere en az biri metal olan iki veya daha fazla farklı malzemenin sistematik bileşimiyle elde edilen yeni malzemelerdir. MMK tek bileşenli alaşımlarla elde edilemeyen özellikleri sağlamak üzere, bir metal matris içinde sürekli veya kısa fiber, iğnemsi (whisker) veya tanecik şeklinde takviye fazı içerir. MMK, metalin bir seramik, karbon veya metalik katkı ile sistematik karışımından elde edilmektedir. MMK, özelliklerinden dolayı birçok yerde kullanılmaktadır. Örneğin; Ti metal matrisli karma malzemeler yüksek dayanım ve rijitlik sağladığından dolayı kritik yapısal uygulamalarda tercih edilir. Metal matrisli kompozitler sürekli ve süreksiz takviyeler içerirler ve monolitik malzemelerde elde edilemeyen mükemmel özellikler gösterirler. Malzemeye bağlı olarak bu özellikler, yüksek elastiklik modülü, yüksek dayanım ve rijitlik, sönümleme, yüksek aşınma direnci ve düşük genleşme katsayısıdır. Üstün özelliklere sahip olmasına rağmen, parçacık takviyeli karma malzemelerin üretim güçlüğü ve yüksek maliyetten dolayı kullanım alanı sınırlıdır. Al 2 O 3 parçacık takviyeli 6061 Al alaşım karma malzeme, uzay ve otomotiv endüstrisinde ve spor malzemelerinde kullanılmaktadır. Al matrisli kompozit malzemeler çeşitli takviyelerle çeşitli alanlarda kullanılırlar. SiC takviyeli Al fren diski, grafit-al 2 O 3 parçacık takviyeli Al motor bloğunun silindir gömleği, grafit elyaf takviyeli Al roket ve helikopter yapısı, Al 2 O 3 elyaf takviyeli Al
8 helikopter dişli kutusu, Bor-SiC elyaf takviyeli A1 jet motoru kanatçığı olarak kullanılmaktadır [5]. Metal matrisli kompozit malzemeler üç gruba ayrılmaktadır; 1. Elastiklik modülünün, belli oranda da mukavemetin artmasıyla sonuçlanan, bağlayıcı matris içine tanecik şeklindeki takviye malzemelerinin ilavesi ile oluşturulan tanecik takviyeli metal matrisli kompozitler, 2. Tanecik takviyeli metal matrisli kompozitlere göre daha büyük yük iletimi yeteneğine sahip, yüksek dayanımlı iğnemsi veya kısa fiber takviye metal matrisli kompozitler. 3. Fiberin yüksek performanslı tüm özelliklerini taşıyan, sürekli fiber esaslı metal matrisli kompozitler. Resim 2.1 de belirtilen kompozit sistemlerinin her birinin de ayrı ayrı üstünlükleri ve zayıflıkları söz konusudur. Örneğin, tanecik esaslı metal matrisli kompozitler düşük maliyetlerinin yanı sıra, rijitlikte dikkate değer gelişme ve hemen hemen izotropik özellikler gösterir. Ancak mukavemetteki gelişme sınırlıdır. Ayrıca kopmadaki şekil değişiminin ve kırılma tokluğunun düşük olması bu kompozitlerin zayıf yönüdür. İğnemsi veya kısa fiber katkılı metal matrisli kompozitler, tanecik esaslılara oranla daha pahalı, fakat daha mukavemetlidir. Sürekli fiber katkılı metal matrisli kompozitler elastiklik modulü ve mukavemetin en iyi kombinasyonunu vermelerine karşın bu kompozitlerin özellikleri anizotropiktir ve asıl zayıflıkları, kullanılan fiberlerin ve kompozit üretim maliyetlerinin oldukça yüksek olmasından kaynaklanmaktadır (Çizelge 2.3) [6].
9 a) b) c) Resim 2.1. Takviye malzemesinin geometrisine göre metal matrisli kompozitler [6] a) tanecik takviyeli, b) kısa fiber takviyeli, c) sürekli fiber takviyeli Çizelge 2.3. Bazı metal matrisli kompozit malzemelerin mekanik özellikleri [6] Metal Matrisli Kompozit Malzeme Sürekli Fiberli Al 2024-T6 (%45 Bor) Al 6061-T6 (%51 Bor) Al 6061-T6 (%47 SiC) Süreksiz Fiberli Al 2124-T6 (%20 SiC) Al 6061-T6 (%20 SiC) Tanecik Takviyeli Al 2124-F (%20 SiC) Al 6061-F (%20 SiC) Güçlendirilmemiş Al 2124-F Al 6061-F Çekme Dayanımı (MPa) 1458 1417 1462 650 480 552 496 455 310 Elastiklik Modülü (GPa) 220 238 204 127 115 103 103 71 68,9 Kopmadaki Uzama Miktarı (%) 0,810 0,735 0,890 2,4 5 7 5,5 9 12 Metal matrisli kompozitlerin, metallere göre üstün olan özellikler Yüksek mukavemet / yoğunluk oranı, başka bir ifade ile özgül mukavemet Yüksek elastiklik modülü / yoğunluk oranı, başka bir ifade ile özgül modül Daha iyi yorulma direnci Yüksek sıcaklıklarda mukavemetini koruyabilme ve düşük sürünme oranı gibi daha iyi yüksek sıcaklık özellikleri Düşük termal genleşme katsayısı Daha yüksek aşınma direnci
10 Metal matrisli kompozitlerin dezavantajları Sürekli fiber takviyesinin söz konusu olduğu durumlarda zor ve karmaşık üretim prosesleri (döküm yöntemi hariç) Metallere göre sünekliğin belli oranda azalması, yüksek maliyetli üretim sistemi Yeni gelişen bir teknoloji olması nedeniyle üreticilerin deneyimsiz oluşu Özellikle döküm yöntemi ile üretilen tanecik takviyeli MMK malzemeler, sürtünme ve aşınma dayanımının istendiği alanlarda küçümsenmeyecek oranda endüstriyel uygulama alanına sahiplerdir. Örneğin, Al-Grafit ve Al-SiC MMK pistonlar, yüksek aşınma dayanımı sağlamaları ve yakıt tüketimini azaltmalarından dolayı ön plana çıkmaktadırlar. Bu tür kompozitlerin diğer kullanım şekilleri yatak malzemesi, elektrik kontak malzemesi ve silindir gömleği olabilmektedir [6]. Metal matrisli kompozit malzeme uygulamaları Yaygın olarak kullanılan yapısal amaçlı metaller ve alaşımlarla karşılaştırıldığında metal matrisli kompozitler çok daha yüksek özgül modül ve özgül mukavemet değerleri göstermektedir. Bu nedenle yapısal amaçlı metal matrisli kompozitler, ağırlık bakımından kritik uygulamalar için hem başlangıçta hem de işletme ömrü boyunca oluşacak maliyetlerin düşürülmesi fırsatını vermektedir. Özellikle Amerikan havacılık sanayi bu konuda öncü niteliğindedir. Savaş uçaklarının gövde, kanat ve kuyruklarında kullanılabilecek SiC katkılı metal matrisli kompozit malzemeler bazı firmalar tarafından üretilmektedir. Askeri amaçlı yapı, örneğin güdümlü füze uygulamalarında parçalarda hafiflik, boyut kararlılığı ve gövdedeki parçaların birbiri ile birleştirilmesinde ısıl genleşme katsayılarının uyumluluğu gerekli olduğu için malzeme seçimi çok önemlidir [6]. Metal matrisli tanecik veya kısa fiber takviyeli kompozit malzemeler otomotiv endüstrisinde önemli bir konuma sahiptir. Yüksek özgül modülleri ve yorulma dayanımları, aşınma dirençleri, düşük ısıl genleşme katsayıları bu alanda kullanımlarını sağlayan özelliklerden birkaçıdır. MMK açısından bir başka önemli husus ise araç ağırlığındaki % 10-20 lik azalmanın beraberinde yakıt tüketiminde %
11 5-10 gibi bir iyileşmeyi getirmesidir. Bu özellikler, günümüz otomobillerinde MMK kullanımını arttırmaktadır. Otomotiv endüstrisinde kısa fiber, iğnemsi veya tanecik katkılı metal matrisli kompozitlerde genelde, uygun özellikleri nedeni ile matris malzemesi olarak alüminyum alaşımları kullanılmaktadır (Resim 2.2). Yolcu ve yük taşıtlarında bu kompozitler, öncelikle hafiflikleri sebebiyle şaft olarak kullanım alanı bulmaktadır. Özgül modüllerinin hem çelikten hem de alüminyumdan önemli miktarda yüksek olabilmesi nedeniyle bu kompozitlerde daha uzun şaft üretmek mümkündür. Bu uygulama için genellikle 6xxx serisi Al alaşımları kullanılmaktadır. Otomotiv endüstrisinde, bu kompozitlerin diğer bir yaygın kullanım alanı fren diskleri olup, öncelikli yararı disklerdeki % 50-60 lık ağırlık azalmasıdır. Dökme demirden bir fren diski 5,4 kg iken, tanecik takviyeli MMK fren diski 2,5 kg dır. İvmelenme artışı ve fren mesafesinin azalmasının yanında dökme demirden yapılanlara oranla MMK fren disklerinde fren gürültüsü azalırken, daha homojen sürtünme ve daha az aşınma oluşmaktadır. Ayrıca fren diskinin ulaştığı sıcaklık da önemli bir tasarım parametresidir. En çok karşılaşılan sıcaklıklar 300 C ve altındaki sıcaklıklar iken 450 C gibi yüksek sıcaklıklara da rastlanılmaktadır. Toplam araç ağırlığını azaltmak üzere tüm büyük otomobil üreticileri, dökme demir motor bloklarının yerine alüminyum esaslı kompozit motor bloğu teknolojileri geliştirmektedirler (Resim 2.3). Bu değişimin ağırlık kazancı 15-35 kg kadardır. MMK malzemeden üretilen motor blokları boyutsal kararlılık ve blok rijitliğini geliştirerek motordaki sürtünmeyi azaltıp motorun verimini arttırmaktadır. Silindir bölgesi 200 C ye kadar aşırı sıcaklık ve yanma yüklenmelerine maruz kaldığından aşınma direnci, yorulma ve sürünme gibi özellikler de önemli olmaktadır. Yapılan testlerde, dökme demirlerle karşılaştırıldığında, % 10-20 hacim oranında Al 2 O 3 veya SiC tanecik katkılı silindir gömleklerinin çok daha iyi özelliklere sahip olduğu görülmüştür [6].
12 Resim 2.2. SiC tanecik takviyeli Al metal matrisli kompozit silindir gömleği [6] Resim 2.3. Basınçlı dökümle üretilen, grafit ve alümina takviyeli motor bloğu [6] Metal matrisli kompozit malzemelerin mekanik özellikleri Metal matrisin cinsi, takviyenin cinsi, şekli, boyutu, dağılımı, miktarı, üniform dağılması, kompozitin üretim yöntemi ve işlem parametreleri, mikroyapı içinde oluşan fazlar, matris ile katkının kimyasal uyumluluğu, ek olarak termo mekanik ve ısıl işleme tabi tutulması gibi birçok etken MMK özelliklerinin belirlenmesinde rol oynamaktadır [6].
13 Elastiklik modülü Metal matrisli kompozit malzemelerde, elastiklik modülü takviye hacim oranının artışı ile belirgin bir şekilde yükselir. Takviye elemanı olan tanecik veya fiberin elastiklik modülünün, metal matris malzemesinin elastiklik modülünden fazla olması bu artışın en temel nedenidir. Bu artışta takviye şeklide bir faktör olmakla birlikte, elastiklik modülünün belirlenmesinde etkin olan faktör, takviye malzemesinin hacim oranıdır (Çizelge 2.4) [6]. Çizelge 2.4. Tanecik takviyeli Al metal matrisli kompozit malzemede, tanecik hacim oranına bağlı olarak elastiklik modülünün artışı [6] Malzeme Elastiklik Modulü ( GPa ) A365 Al 75,2 A365 + % 10 SiC 77,2 A365 + % 15 SiC 92,4 A365 + % 20 SiC 95,4 Mukavemet Metal matrisli kompozit malzemelerde mukavemet, takviye elemanının hacim oranının artışı ile artar. Takviye hacimsel oranı ve takviye boyut oranına bağlı olarak kompozit mukavemeti matematiksel olarak ifade edilebilmektedir. Sürekli fiber takviyeli kompozitlerde dayanım, tanecik takviyelilere oranla daha fazladır. Tek yönlü fiberle takviye edilmiş kompozitlere bir kuvvet uygulandığında kompozit elastik deformasyona uğrar. Bir kompozitte, dayanım artışı elde edilebilmesi, kompozit malzemede meydana gelen gerilmeyi matristen daha mukavemetli olan takviye taneciğine transfer edebilme yeteneğine bağlıdır. Bu da tanecik ile matris arasında kuvvetli bir ara yüzey bağlantısı ile olur. Ara yüzey bağı zayıf olduğu zaman, malzemeye herhangi bir gerilme uygulanması durumunda, gerilme takviye taneciğe transfer olamadan hasar meydana gelecektir. Kompozit, mukavemet açısından takviyesiz matristen bile daha zayıf olacaktır. Çünkü yükü çeken efektif
14 alan azalacaktır. Bu nedenle MMK da takviye-matris arayüzey bağının iyi olması gerekmektedir. Bu yönde yapılan çalışmalar, parçacık yüzeyine kaplama yapılması, ısıl işlem uygulanması veya matris bileşiminin ayarlanması şeklindedir. Eğilme mukavemeti açısından bakıldığında ise, uygulanan ısıl işlemlerin ve takviye malzemelerinin etkisinin önemli olduğunu görülmektedir. Isıl işlem, malzemenin eğilme mukavemetini arttırabilmektedir. Belli bir noktadan sonra, ısıl işlem sıcaklığının artması ile mukavemet değerleri azalır. Bunun yanında, kompozitteki takviye fazının miktarının artmasının eğilme mukavemeti değerini düşürdüğü görülmüştür. Bunun nedeni ise takviye fazı miktarının artması ile kompozitin sünekliğinin azalmasıdır [6]. Taneciklerin homojen dağılması konusu da, izotropik özelliklerin sağlanması açısından önemlidir. Taneciklerin homojen dağılımının, en iyi oranda sağlanabildiği üretim yöntemi ise toz metalürjisi yöntemidir. Yapılan araştırmalardan ortaya çıkan sonuçlara göre metal matrisli bir kompozit malzemenin dayanımı; Taneciklerin oranına, Taneciklerin büyüklüğüne, Taneciklerin homojen dağılımına, Taneciklerin özelliklerine, Matris malzemesinin özelliklerine, Ara yüzey özelliklerine, bağlı olarak değişir [6]. Yüksek sıcaklık dayanımı MMK nın ticari açıdan önemli bir özelliği de yüksek sıcaklık dayanımıdır. Bu özelliği sağlayan en önemli faktör seramik esaslı takviye malzemesinin yüksek sıcaklıkta göstermiş olduğu dayanımdır (Şekil 2.2).
15 Şekil 2.1. Al 6061 metal matrisli kompozitte, SiC takviyesinin sıcaklık dayanımı üzerine etkisi [6] Şekil 2.1 den de anlaşılacağı gibi SiC iğnemsi (whisker) takviyesi ile malzeme, yüksek sıcaklıklarda daha iyi mukavemet göstermektedir [6]. Şekil 2.2. Bazı metal matrisli kompozitlerde sıcaklığa bağlı olarak özgül çekme mukavemetinin değişimi [6] Kırılma tokluğu
16 Kırılma tokluğu değeri, çatlak oluşumuna ve ilerlemesine karşı direncin bir göstergesidir. Yüzde uzama değeri fazla olan, yani plastik deformasyon kabiliyeti fazla olan malzemelerin kırılma tokluğu değeri yüksektir. Genelde takviye oranının artması ile tokluk düşmektedir (Çizelge 2.5). Bu düşüş % 0 dan %10 takviye oranına kadar oldukça belirgindir. Yüksek takviye hacim oranlarında ise bu düşüş çok azdır. Yaşlandırılabilen matrislerde, yaşlandırma işlemi ile tokluk bir miktar azalır. Tanecik boyutunun büyük olması da kırılma tokluğunu arttırır. MMK da tokluğun optimizasyonu ve değerlendirilmesinin zor olmasının nedeni pek çok parametreye bağlı olmasından dolayıdır [6]. Metal matrisli kompozitlerin toklukları aşağıdaki faktörlere bağlıdır; Takviye fazı özellikleri ve tipi, Takviye elemanı miktarı ve doğrultusu, Matris alaşımları ve özellikleri, Matris-takviye elemanı ara yüzeyi bağı, Uygulanan üretim metodu ve takviye elemanının dağılımı, Porozite seviyesi ve matris içindeki yığılma etkisi gibi mikro yapısal değişiklikler. Çizelge 2.5. Bazı tanecik takviyeli metal matrisli kompozit malzemelerin kırılma tokluğu değerleri [6] Malzeme K.Ic. (MPa.m 1/2 ) 2124-T6 29,7 2124-T6 + %10 Al 2 O 3 24,1 2124-T6 + %15 Al 2 O 3 22,0 6061-T6 29,7 6061-T6 + %10 Al 2 O 3 24,1 6061-T6 + %10 SiC 24,7 6061-T6 + %20 Al 2 O 3 21,5 6061-T6 + %20 SiC 20,5
17 Termal genleşme Özellikle seramik ve karbon takviye malzemelerinin düşük termal genleşme katsayısına sahip olmalarından yararlanılarak (Şekil 2.4), düşük termal genleşme katsayısına sahip MMK malzemelerin üretimi mümkün olmaktadır. Bu özelliklerden yararlanılarak değişik oranlarda kullanılan takviye malzemeleri ile üretilen MMK malzemeler, mikro elektronik parça imâlatında, hassas ölçme cihazlarında ve düşük ısıl genleşme özelliği aranan parçaların imâlinde kullanılabilmektedirler. Metal matris malzemeleri ve takviye elemanlarının sıcaklığa bağlı termal genleşme katsayılarının değişimi Şekil 2.3 de gösterilmiştir. [6]. Şekil 2.3. Bazı metal matris malzemeleri ve takviye elemanlarının termal genleşme katsayılarının sıcaklıkla değişimi [6]
18 Şekil 2.4. Alüminyum metal matrisli kompozit içerisine SiC tanecik katılmasıyla termal genleşme katsayısının değişimi ve eşdeğer bazı malzemeler [6] Aşınma direnci Aşınma, aşındırıcı bir ortamda bulunan malzemenin yüzeyinde zamanla meydana gelen malzeme kaybıdır. Tanecik takviyeli metal matrisli kompozitlerin, metal alaşımlarına göre en önemli üstünlüklerinden biride aşınma özellikleridir. SiC, Al 2 O 3, TiC, B 4 C gibi sert tanecikler, metal matrisin aşınma direncini arttırırken, grafit tanecikler de yağlayıcı özellik sağlarlar. Yapılan çalışmalar, tanecik takviyeli Al matrisli kompozitlerde aşınma direncinin, takviye elemanı miktarı ile doğru orantılı olarak arttığını göstermektedir. Aşınma direncini etkileyen diğer bir faktör ise matris malzemesinin sertliğidir. Alüminyum ve alaşımları çelik veya dökme demirle mukayese edildiğinde, genelde daha düşük sertliğe sahiptirler. Bu alaşımlar bundan dolayı yoğun aşınmaya maruz kalan yerlerde kullanılamamaktadır. Takviye elemanı ilavesiyle aşınma direnci artmakta, bu sayede de MMK malzemeler aşınma direncinin önemli olduğu uygulama alanlarında kullanılabilmektedirler.
19 Birçok çalışma, tanecik takviyeli metal matrisli kompozit malzemelerin abrazif aşınma özelliğinin, takviye edilmemiş alaşımlara göre çok daha iyi olduğunu göstermektedir. Bununla beraber aşınma mekanizması etkileyen çok sayıda değişken olduğu unutulmamalıdır. Bu değişkenler; test geometrisi, uygulanan yük, test süresi, matris ve takviye malzemesi ve sıcaklık, nem gibi çevresel faktörlerdir [6]. Metal matrisli kompozit malzemelerin üretim yöntemleri Seramik parçacık takviyeli MMK birçok yöntemle üretilebilmektedir. Bu kompozitlerin üretilmesinde kullanılan yöntemler üretim esnasında matrisin sıcaklığına bağlı olarak gruplandırılır. Üretim yönteminin belirlenmesinde ürün kalitesi ve maliyeti temel faktördür. Üretim yöntemleri sıvı faz, katı faz ve reaksiyon üretim yöntemi olarak üçe ayrılmıştır. Reaksiyonla MMK üretimi sıvı ve katı üretim yöntemlerinin bir fonksiyonudur. Bu yüzden birçok araştırmacı sıvı ve katı faz üretim yöntemleri olarak ikiye ayırmıştır. Alüminyum matrisli kompozitlerde asıl amaç düşük yoğunluklu ancak mukavemetli malzemeler elde etmektir. Sıvı faz üretim yöntemlerinin tercih edilmesinin sebebi ekonomik olmasındandır. Katı faz üretim yöntemleri olarak toz metalurjisi, ekstrüzyon, difüzyonla bağlama, patlatma kaynağı sayılabilir. Sıvı faz üretim yöntemleri olarak da sıvı metal infiltrasyon, sıkıştırma döküm, basınçlı döküm yöntemi ve sıvı karıştırma yöntemi olarak sayılabilir. Sıvı faz üretim yöntemleri katı faz üretim yöntemlerinden daha avantajlıdır. Çünkü katı faz üretim yöntemleri daha uzun süre gerektirir. Üretim maliyeti açısından ve son şekle yakın parça üretimi açısından sıvı faz üretim yöntemleri daha çok tercih edilmektedir. Buna karşılık sıvı faz üretim yöntemlerinde yetersiz ıslatma, gaz boşlukları, seramik parçacık çökelmesi, topaklanma, tane sınırlarında birikme, homojen karışamama gibi problemlerle karşılaşılmaktadır. MMK da matris ve takviye elemanının tane boyutu ve kalitesi, üretim yöntemi, ısıl genleşmeleri, ısıl hassasiyetleri, v.b. özellikleri sert parçacıklarla takviye edilmiş kompozit malzemelerin özelliklerini etkileyen faktörlerdir [7].
20 Semente karbürler Semente karbürler metal matrisli seramik takviyeli kompozit malzeme ailesidir. Kütle malzemeyi bir arada tutan matrisin metal bağlayıcı olması nedeniyle metal matrisli kompozitler olarak sınıflandırılırlar. Karbür parçacıkları, normal olarak hacimce % 80 ila % 95 arasında olacak şekilde, kompozit malzemenin en büyük kısmını oluşturur. Semente karbür yapılarda, güçlü ve gözeneksiz bir parça oluşturmak için karbür tozlarının bir metal bağlayıcı ile sinterlenmesi gerekir. Kobalt (Co) en iyi Tungsten (Volfram) Karbür (WC) ile etkir, nikel ise TiC ve Cr 3 C 2 ile daha iyidir. Yaygın bağlayıcı metal oranı % 4 ten % 20 ye kadardır. Karbür tozları ile bağlayıcı metal, homojen bir çamur oluşturmak üzere, bir bilyeli değirmende ıslak halde karıştırılır, daha sonra çamur, sıkıştırmaya hazırlık sırasında oksitlenmeyi önlemek için kontrollü atmosferde veya vakumda kurutulur [8]. Tungsten (volfram) karbür (WC) Tungsten (Volfram) beyazımsı gri renkli, eşsiz özelliklere sahip bir metaldir. Atom numarası 74, atom ağırlığı 184, yoğunluğu 19,3 gr/cm 3 tür. 3410 C ile en yüksek erime noktasına sahip bir elementtir. Aynı zamanda paslanmaya çok dayanıklı olan volfram 1650 C nin üstünde en fazla gerilme direnci olan metaldir. Doğada 20 den fazla volfram minerali bilinse de, ekonomik olarak işletilebilen mineraller şeelit (CaW0 4 ) ve volframittir [(Fe, Mn)W0 4 ] [9]. Sinterlenmis sert metaller bugün de varlığını sürdüren WIDIA adı altında 1927 yılında Friedrich Krupp tarafından tanıtılmıştır. Temel buluşlar Almanya'da yapılmasına karsın, daha sonra İsveç, Avusturya ve Amerika Birleşik Devletleri'nde gelimseler gerçekleştirilmiştir. Saf Tungsten karbürden (WC) kesici takim imâli için 2000 C sinterlenme sıcaklığı gereklidir. Ancak mamulün, çok gevrek olması nedeniyle endüstride kullanılmaya elverişli değildir. Bu nedenle 1914 yılından bu
21 yana problem üzerine çalışan "Kail Schröter" Tungsten karbür tozu içerisine % 10 kadar kobalt, nikel ve demir tozu elementleri karıştırıp, presleyip ve yaklaşık olarak 1500 C de sinterleyerek düşük poroziteli çok yüksek sertlikte ve mukavemette bir ürün elde edilmesini sağlamıştır [10]. Tungsten karbür özellikleri Çizelge 2.6 da gösterildiği gibi, bileşiminde bulunan tane boyutuna ve kobalt içeriğine bağlıdır [11]. Çizelge 2.6. WC-Co alaşımlı kesicilerin %Co içeriğine göre özellikleri [11] Co Ortalama Tane Sertlik Enine Kırılma Basma Elastik Kırılma Özgül % Boyutu (µm) (Hv) Dayanımı Dayanımı Modülü Tokluğu Ağırlığı (MPa) (MPa) (GPa) (MPa.m 1/2 ) (g/cm 3 ) 3 0,7 2020 1100 8 1,4 1820 6 0,7 1800 1750 4550 10 14,95 1,4 1575 2300 4250 630 0,7 1670 2300 9 1,4 1420 2400 4000 588 13 14,75 4,0 1210 2770 4000 18 14,00 15 0,7 1400 2770 588 1,4 1160 2600 3500 Tungsten karbür/ kobalt (WC-Co) sinterlenmesi Tungsten karbür, kobalt ile belirli oranlarda karıştırılarak öğütülür. Karbür tanelerinin etrafının kobalt ile kaplanması sağlanır. Öğütülen materyal kurutulur, kalıplara preslenir, hidrojen veya vakum fırınlarında sinterlenerek sert metal elde edilir. Kalıplara preslenen karışım son boyutlarda sinterleme esnasında lineer olarak %20 azalma payı olacak şekilde boyutlandırılır. Bazen sinterleme iki aşamada yapılır, önce 800 C de 5 saat sinterleme yapılır ve istenirse bu parçalar işlenerek düzgün sekil verilir. Daha sonra kobalt ın ergime sıcaklığının (1495 C) altında olan
22 1370-1425 C de yarım saat son sinterlemeye tabi tutulur. Böylece, saf bağlayıcı metal, sinterleme sıcaklığında erimez. WC ısıl işlem sırasında yavaş yavaş çözünür ve ergime sıcaklığı düşürülür; dolayısıyla ergime gerçekleşir. Sıvı faz oluştukça, katıya daha da yayınarak akar ve WC parçacıkları ıslatır. Sıvı metalin varlığı, ayrıca kütlenin iç bölgelerinden gazların uzaklaştırılmasını da sağlar. Bu mekanizmalar, kalan WC parçacıkların sık bir paket halinde yeniden düzenlenmesine neden olur Özel uygulama alanları için izostatik presleme tekniği kullanılır. Bu teknikte sinterleme esnasında parçalara belli bir basınç uygulanmaktadır. Bu şekilde porozitesi az ve daha dayanıklı ürün elde edilebilmektedir. Tungsten karbürün özellikleri, üretim prosesine, kompozisyona (içeriğindeki kobalt yüzdesine) ve birçok diğer faktöre bağlı olarak değişir. Bu faktörler üretim esnasında kontrollü olarak değiştirilerek farklı kalite ve özellik gösteren sert metaller elde etmek mümkün olmaktadır (Şekil 2.5) [8,12]. Sert metalin avantajı sinterleme ile homojen bir yapıya sahip olması ve bu nedenle sertlik ve aşınma mukavemetinin yükselmesidir. Sert metaller 1000 C'de yüksek hız çeliğinin oda sıcaklığında sahip olduğu sertliktedir. Ayrıca bağlayıcı faz ve karbür oranları ile değişik kalitede sert metal üretme olanağı mevcuttur [10]. Şekil 2.5. WC-Co faz diyagramı [8]
23 Çizelge 2.7. WC ve WC-Co fiziksel ve termal özellikleri [13,14] ÖZELLİKLER Tungsten Karbür Tungsten Minimum Maksimum Karbür/Kobalt Atomik Hacim (ortalama), m 3 /kmol 0,0062 0,0064 Yoğunluk, g/cm 3 15,25 15,88 14,95 Enerji İçeriği, MJ/kg 150 200 Bulk Modul, GPa 350 400 Basınç Dayanımı, MPa 3347 6833 5300-5700 Elastik Limit, MPa 335 530 Dayanma Sınırı, MPa 285 420 Kırılma Dayanımı, MPa.m 1/2 2 3,8 10 Sertlik, MPa 17000 36000 15200 Kopma Modülü, MPa 482 820 Poisson's Oranı 0,2 0,22 Kesme Modülü, GPa 243 283 Kopma Mukavemeti, MPa 370 530 1440 Young's Modülü, GPa 600 686 580 Maksimum Çalışma Sıcaklığı, K 1000 1050 1300 Ergime Noktası, K 3000 3193 Özgül Isı, J/kg.K 184 292 200-480 Isıl İletkenlik, W/m.K 28 88 60-80 Isıl Genleşme, 10-6 /K 4,5 7,1 4,6-5 2.2.3. Seramik matrisli kompozitler (SMK) Seramik matrisli kompozitlerde matris yapısı olarak Silisyum Nitrür (Si 3 N 4 ), Silisyum Karbür (SiC), Alümina (Al 2 O 3 ), Bor Karbür (B 4 C), Titanyum Karbür (TiC), Titanyum Borür (TiB) gibi bileşikler değişik yapılarda olup amaca göre bir yada bir kaçı beraber kullanılarak SMC ler elde edilir. Takviye malzemesi olarak metallerin elyaf, parçacık, plakacık, kıl kristal şekli kullanılmaktadır. Seramik bazlı
24 kompozitler uzay ve havacılık sektöründe, nükleer uygulamalarda, gaz türbinlerinde, sandviç zırh ve çeşitli askeri amaçlı parçaların üretiminde kullanılmaktadır [3]. Seramik endüstrisinin en önemli özelliği birçok endüstrinin temel taşlarından biri olmasıdır. Çeşitli özel seramikler, bilgisayar ve diğer birçok elektronik devrelerin yapı bileşenleridir. Günümüzde seramikler konusunda araştırma ve geliştirme konularına büyük önem verilmektedir. Seramik malzemelere ilginin artmasının başlıca nedenleri; Yüksek sıcaklıklara dayanıklılık, kimyasal kararlılığın yüksek olması, çok sert olmaları, metallerden hafif olmaları (% 40 mertebesine varan), hammadde olarak bol miktarda bulunması, erozyon ve aşınmaya karşı dayanıklı olması, oksitlenmeye karşı dirençlerinin yüksek olması, sürtünme katsayısının düşük olması, basma dayanımının yüksek olması, düşük yoğunluk ve yüksek elastiklik modülüne sahip olmaları. Bütün bu özelliklere rağmen seramik malzemelerin en önemli özelliği gevrek karakterde olmasıdır. Ayrıca çok düşük kopma uzaması ve kısıtlı kayma sistemlerine sahiptirler. Geleneksel seramiklerin yerini yeni seramikler almaktadır. Bu seramikler günümüzde "ince seramikler veya ileri teknoloji seramikleri" olarak adlandırılmaktadır. Bu terimlere ilave olarak son senelerde gelişen seramiklere ileri seramikler, yüksek performanslı seramikler, mühendislik seramikleri gibi terimler kullanılmaktadır. İleri teknoloji seramiklerinin geleneksel seramiklerden farkları başlıca hammadde, üretim yöntemleri ve mikro yapı açısından bariz farklılıklar göstermektedir. Geleneksel seramikler doğal hammaddelerden üretilirken, ileri teknoloji seramiklerinin hammaddesi sentezleme yöntemiyle yapay olarak hazırlanmaktadır. Bunun nedeni, yapay hammaddelerin istenmeyen maddelerden arındırılmış olarak çok saf halde ve istenilen fiziksel özelliklerde üretilebilmeleridir. Yapay hammadde üretiminde de çoğu kez ileri teknoloji yöntemleri kullanılmaktadır. İleri teknoloji seramiklerini geleneksel seramiklerden ayıran en önemli diğer bir özellik de, ileri teknoloji seramiklerinin pudra halinde çok ince tozlardan üretilmeleridir. Öyle ki, günümüzde üretilen ileri teknoloji seramiklerinde 1 mikronun altında tozlar kullanılmakta ve böylece tamamen yoğun seramikler üretilmektedir. Dolayısıyla ileri teknoloji seramiklerinin mekanik özellikleri geleneksel seramiklerden çok üstündür [3].
25 SMK geleneksel mühendislik malzemelerine göre çok daha üstün yüksek sıcaklık özellikleri sergilerler. SMK ların yüksek sürünme özellikleri de bu malzemelerin motor parçalan, türbin kanatlan ve rotor olarak kullanımlarını gündeme getirmiştir. İnce, kısmen stabilize edilmiş zirkonya kaplamalar, günümüzde birçok dizel motoru parçalarında (yanma odası cidarı, silindir gömlekleri ve silindir başlığı, egzoz bölgesi) başarıyla kullanılmaktadır. Gaz türbinlerinde kanatlar, tamamen soğutma gerektirmeyen Si 3 N 4 seramik esaslı kompozitten yapılmakta ve nikel esaslı süper alaşımlara oranla daha verimli çalışması mümkün olmaktadır. SMK nın bu avantajları yanında maalesef malzeme mühendisleri açısından oldukça önemli sayılabilecek dezavantajları da mevcuttur. Malzeme dizaynı ile uğraşan mühendisler uygulamadaki herhangi bir malzemenin hasara uğramadan önce plastik deformasyona uğramasını isterler. Plastik deformasyon göstermeden hasara uğrayan malzemeler insanoğlu için can ve mal açısından faciaya yol açacak sonuçlar doğururlar. Bu nedenle bir malzeme hasara uğramadan önce uygulayıcıları uyarmalıdır. Kısacası malzemenin kırılma tokluğunun yüksek olması gerekmektedir. Hâlbuki seramik malzemelerdeki aşın gevreklik ve çok küçük yapısal hatalar ani kırılmalara yol açarlar. Herhangi bir mikro çatlak veya yapısal kusur, bu malzemelerde çatlak hızının sesten bile daha yüksek hızlarda yayılmasına ve ilerlemesine sebebiyet verir [15]. SMK, yüksek sıcaklığa ve zor çevre koşullarına karşı dayanıklı olduklarından birçok alanda tercih edilirler. Fakat bu malzemelerin yük taşıma kapasitesi, üretim sırasında oluşan çatlak türünde kusurlarla veya kullanımı gereği içerdiği süreksizliklerle önemli ölçüde azalır. Normal çalışma koşulları altında bu çatlaklar büyüyerek önemli hasarlara yol açarlar. Metallere göre kusurlara çok hassas olan seramiklerin kırılma tokluğunu iyileştirmek üzere çok sayıda çalışmalar yapılmıştır. Bunun için seramik matris, tek doğrultulu sürekli lifler, kısa lifler veya parçacıklar ile kuvvetlendirilerek tokluk davranışı incelenmiştir [16]. Genelde işlenme, kesme ve düzeltmeleri hayli zor oldukları için yüksek teknolojik seramiklerinin üretimleri seramik tozların ön şekillendirilmesinden başlayarak son
26 şekilli ürünün oluşturulmasına kadar bir dizi süreçle yapılabilmektedir. Seramik malzemelerin içyapıları incelendiğinde, atomları birbirine tutan bağları doğaları gereği bir hayli güçlü olmasına karşın, uygulanan bir gerilim altında plastik bozunumdan ziyade boşluk ve hataların oldukları yerde kolayca kırıldıkları bilinmektedir. Bu kırılganlık özelliklerinin iyileştirilmesi için yoğun bilimsel araştırmalar yapılmaktadır. Seramik bilim ve mühendisliği, hatasız ve boşluksuz yapılar ortaya çıkarabilecek üretim tekniklerinin geliştirilmesi üzerinde çalışmaktadır [17]. Seramik matrisli kompozitleri; Oksit Seramikler, Oksit Olmayan Seramikler ve Karbon-Karbon Kompozitler olarak isimlendirebiliriz. SMK içerisinde en ön plana çıkan malzeme karbon-karbon kompozitlerdir [17]. Oksit seramikler Oksit seramikler, metallerin oksijenle yaptıkları bileşiklerdir. Birçok oksit seramik iyonik bağlı olup, iyonik bağlı malzemelerin genel karakteristiklerine sahiptir. Bu özellikler; saydamlık, elektrik ve ısı iletiminde direnç, kimyasal kararlılık. Oksit seramikler yüksek elastik modülü, sertlik, gevreklik, refrakterlik, düşük termal genleşme ve korozyona karşı direnç göstermektedirler. Başlıca oksit seramikler; Al 2 O 3, ZrO 2, MgO, SiO 2, TiO 2
27 Alüminyum oksit (Alümina, Al 2 O 3 ) Oksit seramiklerden imâl edilen ileri teknoloji seramikleri için en çok kullanılan hammadde alüminadır. Mukavemet ve ergime sıcaklığının yüksek, elektrik iletkenliğinin düşük oluşu alüminanın refrakterler, elektrik yalıtkanları, elektronik devrelerde altlık, kesici uçlarda, ısı motorlarında ve enerji santrallerinde, aşınmaya maruz parçalarda, aşındırıcılarda ve kompozit malzemeler gibi çok geniş bir alanda kullanılmasını sağlar. Saf alümina düşük sıcaklıkta birkaç formda bulunur. Fakat bütün bu formlar zaman kristal boyutu ve atmosfere bağlı olarak 750 1200 C arasında α alüminaya dönüşür. 1600 o C nin üzerinde yapılan ısıtma bu dönüşümü hızlandırır. Alüminanın α fazına dönüşümü tersinir değildir alümina (Al 2 O 3 ) ile hazırlanmış değişken seramik bünyelerin özellikleri tanecik boyutu ve proses şartlarına dayanır. Korundum yapısı ve α- Al 2 O 3 kararlı yapı olmasına rağmen diğer Al 2 O 3 modifikasyonları var olur ve görülebilir. Alüminadan poroz ve yoğun ürünler yapılır. Poroz ürünler genelde ergimiş alüminadan yapılır ve bunlar 1900 C ye kadar çıkan yüksek sıcaklık fırınlarının astarı olarak kullanılır. Ergimiş alümina %99,8 Al 2 O 3 ihtiva eder. Saflık yükseldikçe mukavemet, elektrik ve aşınma direncinde artış kaydedilir.
28 Çizelge 2.8. Alüminanın fiziksel ve termal özellikleri [18, 19] ÖZELLİKLER ALÜMİNA Minimum Maksimum Atomik Hacim (ortalama), m 3 /kmol 0,005 0,0058 Yoğunluk, g/cm 3 3,42 3,80 Enerji İçeriği, MJ/kg 1600 2000 Bulk Modul, GPa 293 316 Basınç Dayanımı, MPa 1900 2300 Elastik Limit, MPa 403 423 Dayanma Sınırı, MPa 334,4 390,2 Kırılma Dayanımı, MPa.m 1/2 4 7,3 Sertlik, MPa 18000 22000 Kopma Modülü, MPa 462 655 Poisson's Oranı 0,22 0,28 Kesme Modülü, GPa 131 142 Kopma Mukavemeti, MPa 403 423 Young's Modülü, GPa 343 370 Maksimum Çalışma Sıcaklığı, K 1400 1700 Ergime Noktası, K 2238 2338 Özgül Isı, J/kg.K 648 750 Isıl İletkenlik, W/m.K 16 27,5 Isıl Genleşme, 10-6 /K 4,5 8,2 Zirkonyum Dioksit (Zirkonya, ZrO 2 ) Zirkonya özellikleri; Ergime sıcaklığı yüksek, asidik kimyasal maddelere karşı direnci yüksek, korozyon, erozyon ve aşınmaya karşı dayanıklı, düşük termal genleşme katsayısına sahip olması (termal şoka dayanıklı olması), kırılma indisinin yüksek olması, yüksek sıcaklıkta iyonik iletkenliğe sahip olması. Zirkonya doğada başlıca; Baddeleyit (ZrO 2 ) ve Zirkon (ZrO 2 -SiO 2 ) mineralleri şeklinde bulunur. ZrO 2
29 diğer oksit seramikler gibi iyonik bağlı olup, saydamlık, elektrik ve ısı iletimine direnç, kimyasal kararlılık ve yüksek sıcaklıklarda iyonik iletkenlik gibi üstün özelliklere sahiptir. Bu özelliklerin yanı sıra yüksek elastik modül ve sertlik, gevreklik, refrakterlik, düşük termal genleşme katsayısı ve korozyona direnç göstermektedir. ZrO 2 in yüksek sıcaklıklarda düşük buhar basıncına sahip olması vakum altındaki birçok uygulamalarda kullanımına imkân sağlamaktadır. Zirkonya üç kararlı faza sahiptir. 2370 C nin üzerinde kübik (k) formu, 2370 C 1170 C arasında tetragonal (t) formu ve 1170 C nin altında monoklinik (m) formu kararlı haldedir. Tetragonal yapıdan monoklinik yapıya geçiş %6,5 mertebesinde bir hacim genleşmesi ile sonuçlandığından teknolojide sorun yaratmakta ve bu faz dönüşümü sonucu seramik malzeme genellikle hasara uğramaktadır. Bu durumu önlemek ve yapıyı daha düşük sıcaklıklarda ve kübik yapıda kararlı kılmak amacıyla zirkonyaya CaO, MgO, Y 2 O 3 ve CeO 2 gibi çeşitli stabilizatör oksitler ilave edilir. Bu tip malzemeler kübik stabilize zirkonya (CSZ) olarak bilinirler. Kübik yapıyı kararlı kılmak için kullanılan bu oksit ilaveler faz dönüşüm sıcaklıklarını düşürürler ve böylece kübik ve monoklinik (veya tetragonal) fazlarının karışımından oluşan malzemeler üretilebilir Uygun stabilizatörlerin ilavesi ile iki tip zirkonya elde edilir. Bunlardan birisi MgO ve CaO ilaveleri ile elde edilen kısmen stabilize zirkonya (PSZ), diğeri ise Y 2 O 3 ve CeO 2 ilaveleri ile elde edilen tetragonal zirkonya polikristal (t-zp) dir. t-zp`ler ince taneli ve tek fazlı malzemelerdir. Tane büyüklüğü, Y 2 O 3 içeriğine ve malzemenin yoğunluğuna bağlı olarak 0,1 1 μm arasında değişir. Sinterleme tetragonal alanda (1300 1500 C) yapılır. FSZ (Y 2 O 3 ile tamamen stabilize edilmiş zirkonya) seramikler, en tok ve en mukavemetli zirkonya seramikleridir. Bu seramiklerde ortaya çıkan problem ise nemli ortamlarda, orta sıcaklıklarda (200 400 C) dönüşümüdür. Bu dönüşüm aşırı bir mukavemet azalmasına yol açmaktadır [20].
30 Çizelge 2.9. Zirkonyanın fiziksel ve termal özellikleri [21] ÖZELLİKLER ZİRKONYA Minimum Maksimum Atomik Hacim (ortalama), m 3 /kmol 0,02 0,021 Yoğunluk, g/cm 3 5 6,15 Enerji İçeriği, MJ/kg 200 300 Bulk Modul, GPa 72,3 212 Basınç Dayanımı, MPa 1200 5200 Elastik Limit, MPa 115 711 Dayanma Sınırı, MPa 107 640 Kırılma Dayanımı, MPa.m 1/2 1 8 Sertlik, MPa 5500 15750 Kopma Modülü, MPa 177 1000 Poisson's Oranı 0,22 0,32 Kesme Modülü, GPa 53,4 86,4 Kopma Mukavemeti, MPa 115 711 Young's Modülü, GPa 100 250 Maksimum Çalışma Sıcaklığı, K 1248 2522 Ergime Noktası, K 2823 2973 Özgül Isı, J/kg.K 420 540 Isıl İletkenlik, W/m.K 1,7 2,7 Isıl Genleşme, 10-6 /K 2,3 12,2
31 Magnezyum oksit (Magnezya, MgO) MgO refrakter oksitler içerisinde en bol bulunanlardandır. Alüminadan daha pahalı ve termal genleşmesi yüksektir. Oksitleyici atmosferde, alüminadan daha yüksek sıcaklılarda kullanılabilmektedir. Magnezya yüksek sıcaklıklarda kolayca redüklenebilir. Redükleyici atmosferde, yüksek buhar basıncı nedeniyle vakumda, 1600-1700 C nin üzerinde kullanılamaz. Magnezya çok iyi kalsine edilmediği zaman suda ve mineral asitlerinde yavaşça çözünür. Yüksek sıcaklıklarda yoğun magnezyanın, mineral asitlerine, asit gazlarına ve rutubete karşı direnci yüksektir. Magnezyanın aynı zamanda nötr tuzlara karşı da direnci yüksektir. 1800 C ye kadar karbonla temas halinde kararlıdır. Fakat 2000 C de karbon ve karbürler ile hızla reaksiyona girmektedir. Refrakter malzeme olarak kullanılan %96 teorik yoğunluktaki magnezya pulverize halde ticari olarak satılmaktadır. Magnezya elektrik ark fırınlarında ergitildikten sonra yeniden kristallendirilir ve elektro ergitilmiş magnezya elde edilir.
32 Çizelge 2.10. Magnezyanın fiziksel ve termal özellikleri [22] ÖZELLİKLER MAGNEZYA Minimum Maksimum Atomik Hacim (ortalama), m 3 /kmol 0,0056 0,0058 Yoğunluk, g/m 3 3,54 3,58 Enerji İçeriği, MJ/kg 100 150 Bulk Modul, GPa 226 277 Basınç Dayanımı, MPa 833,3 1666,6 Elastik Limit, MPa 83,3 166,7 Dayanma Sınırı, MPa 95,45 111,36 Kırılma Dayanımı, MPa.m 1/2 2,7 2,8 Sertlik, MPa 5000 7000 Kopma Modülü, MPa 100 200 Poisson's Oranı 0,35 0,37 Kesme Modülü, GPa 92 122 Kopma Mukavemeti, MPa 83,3 166,7 Young's Modülü, GPa 270 330 Maksimum Çalışma Sıcaklığı, K 2250 2400 Ergime Noktası, K 3080 3135 Özgül Isı, J/kg.K 880 1030 Isıl İletkenlik, W/m.K 30 60 Isıl Genleşme,10-6 /K 9 12
33 Silisyum Dioksit (Silika, SiO 2 ) Silisyum dioksitte her silisyum atomu dört O atomuna ve her O atomu da iki Si atomuna bağlanır. SiO 2 nin yapısı ağ örgülü kovalent bir yapıdır. Bu yapı elmas yapısını hatırlatır ve SiO 2 elmasa benzer bazı özelliklere sahiptir. Çizelge 2.11. Silikanın fiziksel ve termal özellikleri [23] ÖZELLİKLER SİLİKA Minimum Maksimum Atomik Hacim (ortalama), m 3 /kmol 0,009 0,0095 Yoğunluk, g/cm 3 2,17 2,65 Enerji İçeriği, MJ/kg 20 25 Bulk Modul, GPa 33,5 36,8 Basınç Dayanımı, MPa 1100 1600 Elastik Limit, MPa 45 155 Dayanma Sınırı, MPa 43 143 Kırılma Dayanımı, MPa.m 1/2 0,62 0,67 Sertlik, MPa 4500 9500 Kopma Modülü, MPa 110 200 Poisson's Oranı 0,15 0,19 Kesme Modülü, GPa 27,9 32,3 Kopma Mukavemeti, MPa 45 155 Young's Modülü, GPa 66,3 74,8 Maksimum Çalışma Sıcaklığı, K 1170 1670 Özgül Isı, J/kg.K 680 730 Isıl İletkenlik, W/m.K 1,3 1,5 Isıl Genleşme, 10-6 /K 0,55 0,75
34 Silika, cam ve seramik endüstrisinin temel ham maddesidir. Erime noktası yüksek olup, elektriği iletmez. Kristal Sistemi; Hegzagonal Kristal Biçimi, Altıgen prizmalar şeklinde kristalli ve prizma yüzeyleri kristalin uzun kenarlarına dik yönde çiziklidir Genellikle renksiz, bazen beyaz; şeffaf-yarışeffaf. Başlıca türleri; Sagenit (rutil iğnecikleri içeren kuvars), ametist (mor, eflatun), süt kuvarsı (beyaz), gül kuvarsı (gül pembesi), sitrin (sarı), dumanlı kuvars (duman renkli, bulanık görünümlü). Doğada yaygın olarak rastlanan minerallerin başında gelir [24]. Titanyum Dioksit (Titana, TiO 2 ) Titanyum fiziksel ve kimyasal açıdan üstün özellikler gösteren bir metaldir. Ancak elde edilmesi ve islenmesi çok zor olduğundan metal olarak kullanılması çok özel alanlarla sınırlandırılmıştır. Buna karşılık, gerek titanyum mineralleri gerekse titanyum dioksidin (TiO 2 ) geniş kullanım alanları vardır. TiO 2 şu anda bilinen en beyaz boya maddesidir. Gerek mineralleri gerekse boya, kâğıt üretimi, seramik ve cam endüstrisinde geniş kullanım alanı bulur. En önemli titanyum mineralleri; rutil (TiO 2 ), ilmenit (TiO 3 ) ve anataz (TiO 2 ) dır. Rutil ve Anataz Titanyum Dioksit, ayni kimyasal formüle sahiptir, farkları ise fiziksel özelliklerinden kaynaklanır, kristal formları birbirinden farklıdır. Anataz ticari olarak ilk kullanılmaya başlanılan Titanyum Dioksit türü olmasına rağmen, Rutil, daha üstün optik performansı sayesinde bugün için daha fazla kullanılır hale gelmiştir.
35 Çizelge 2.12. Titanyum dioksit in fiziksel ve termal özellikleri [25] ÖZELLİKLER TİTANYUM DİOKSİT Minimum Maksimum Atomik Hacim (ortalama), m 3 /kmol 0,0057 0,007 Yoğunluk, g/cm 3 3,97 4,05 Enerji İçeriği, MJ/kg 100 150 Bulk Modul, GPa 209,1 218,1 Basınç Dayanımı, MPa 660 3675 Elastik Limit, MPa 333,3 367,5 Dayanma Sınırı, MPa 283,5 330,7 Kırılma Dayanımı, MPa.m 1/2 2,4 3,3 Sertlik, MPa 9330 10290 Kopma Modülü, MPa 140 441,2 Poisson's Oranı 0,27 0,29 Kesme Modülü, GPa 90 112,5 Kopma Mukavemeti, MPa 333,3 367,5 Young's Modülü, GPa 230 288 Maksimum Çalışma Sıcaklığı, K 1840 1910 Ergime Noktası, K 2103 2123 Özgül Isı, J/kg.K 683 697 Isıl İletkenlik, W/m.K 4,8 11,8 Isıl Genleşme, 10-6 /K 8,4 11,8 Oksit Olmayan (non-oksit) Seramikler Non-Oksit seramikler Karbürler; (SiC, B 4 C), nitrürler ; (Si 3 N 4, cbn, TiN, AlN), borürler (TiB 2 ) olmak üzere çeşitlendirilebilir.
36 Silisyum karbür (SiC) Kuvvetli kovalent bağ yapısında yapay bir malzeme olup, E.G. Acheson tarafından 1891 de sentezlenmiştir. Al 2 O 3 den daha sert ve ısıya daha dayanıklıdır. Çizelge 2.13. Silisyum karbürün fiziksel ve termal özellikleri [26] ÖZELLİKLER SİLİSYUM KARBÜR Minimum Maksimum Atomik Hacim (ortalama), m 3 /kmol 0,01 0,011 Yoğunluk, g/cm 3 4,36 4,84 Enerji İçeriği, MJ/kg 750 1250 Bulk Modul, GPa 100 176 Basınç Dayanımı, MPa 130 1395 Elastik Limit, MPa 172 1245 Dayanma Sınırı, MPa 175 705 Kırılma Dayanımı, MPa.m 1/2 14 120 Sertlik, MPa 600 3800 Kopma Modülü, MPa 130 1300 Poisson's Oranı 0,35 0,37 Kesme Modülü, GPa 32 51 Kopma Mukavemeti, MPa 240 1625 Young's Modülü, GPa 90 137 Maksimum Çalışma Sıcaklığı, K 570 970 Ergime Noktası, K 1750 1955 Özgül Isı, J/kg.K 510 650 Isıl İletkenlik, W/m.K 3,8 20,7 Isıl Genleşme, 10-6 /K 7,9 11
37 Ayrıca korozyona karşı yüksek dayanım gösterir. Bu yüzden yaygın olarak hem aşındırıcı hem de refrakter olarak kullanılır. Demir-çelik yapımında metalürjik katkı olarak da kullanılır, elektriksel özellikleri nedeniyle ısıtıcı elementlerde ve elektrik devrelerinde kullanılırlar. SiC endüstride, aşındırıcı olarak, refrakter malzemesi olarak, sızdırmazlık elemanı olarak. Aynı zamanda çekirdeklendirici görevini görerek dökme demirin kalitesini de arttırır. Kaymalı yataklar SiC nin kullanım alanlarındandır. Bor karbür (B 4 C) Yüksek ergime sıcaklığı, yüksek sertlik, düşük yoğunluk, kimyasal maddelere karşı üstün direnç, üstün mekanik özellikleri nedeniyle bor karbür günümüzde ileri teknolojinin önemli bir malzemesidir. Bor karbür özellikle, nükleer reaktörlerde, hafif zırh üretiminde ve yüksek sıcaklık malzemesi olarak kullanılmaktadır. Stokiometrik bor karbür (B 4 C) bileşiği, 1934 yılında tespit edilmiştir. Bor karbür endüstride fiziksel özelliklerine bağlı olarak çeşitli alanlarda kullanılmaktadır. Bor karbürün sertliği çok yüksek olduğu için en çok aşındırıcı olarak tüketilmektedir. Bor karbürün diğer önemli bir kullanım alanı da aşınmaya dayanıklı makine parçalarının üretimidir. Ayrıca, hafif zırh malzemesi olarak plaka halinde bor karbür helikopterlerde ve can yeleklerinde kullanılmaktadır.
38 Çizelge 2.14. Bor karbürün fiziksel ve termal özellikleri [27] ÖZELLİKLER BOR KARBÜR Minimum Maksimum Atomik Hacim (ortalama), m 3 /kmol 0,0043 0,0045 Yoğunluk, g/cm 3 2,3 2,55 Enerji İçeriği, MJ/kg 200 300 Bulk Modul, GPa 218 271 Basınç Dayanımı, MPa 2583 5687 Esneklik (Ductility) 0,00058 0,00124 Elastik Limit, MPa 261 569 Dayanma Sınırı, MPa 222 512 Kırılma Dayanımı, MPa.m 1/2 2,5 5 Sertlik, MPa 38100 44100 Kopma Modülü, MPa 310 680 Poisson's Oranı 0,18 0,21 Kesme Modülü, GPa 180 195 Kopma Mukavemeti, MPa 261 569 Young's Modülü, GPa 362 472 Maksimum Çalışma Sıcaklığı, K 1000 2000 Ergime Noktası, K 2645 2780 Özgül Isı, J/kg.K 840 1288 Isıl İletkenlik, W/m.K 17 42 Isıl Genleşme, 10-6 /K 3,2 9,4 Nitrürler ; (Si 3 N 4, cbn, TiN, AlN), Silisyum Nitrür (Si 3 N 4 ) Si 3 N 4 yüksek dayanım, yüksek sertlik ve kırılma tokluğu, gelişmiş aşınma dayanımı, hem oda hem de yüksek sıcaklıklarda üstün termal şok dayanımı, sürünme ve korozyon dayanımı gibi mükemmel özelliklere sahip ileri teknoloji seramiğidir.
39 Çizelge 2.15. Silisyum nitrürün fiziksel ve termal özellikleri [28] ÖZELLİKLER Silisyum Nitrür Minimum Atomik Hacim (ortalama), m 3 /kmol 0,0058 0,006 Yoğunluk, g/m 3 2,37 3,25 Enerji İçeriği, MJ/kg 150 200 Bulk Modul, GPa 120 241 Basınç Dayanımı, MPa 524 5500 Elastik Limit, MPa 60 525 Dayanma Sınırı, MPa 44 470 Kırılma Dayanımı, MPa.m 1/2 1,8 6,5 Sertlik, MPa 8000 30500 Kopma Modülü, MPa 181 1050 Poisson's Oranı 0,23 0,28 Kesme Modülü, GPa 65,3 127 Kopma Mukavemeti, MPa 60 525 Young's Modülü, GPa 166 297 Maksimum Çalışma Sıcaklığı, K 1346 1773 Ergime Noktası, K 2661 2769 Özgül Isı, J/kg.K 673 1100 Isıl İletkenlik, W/m.K 10 43 Isıl Genleşme, 10-6 /K 1,4 3,7 Maksimum Diğer ileri teknoloji seramikleri ile karşılaştırıldığında düşük yoğunluk, düşük ısıl genleşme katsayısı gibi özelliklerinden dolayı üzerinde çok çalışılan bir malzeme haline gelmiştir. Fiziksel, mekanik, ısıl ve kimyasal özellikleri Si 3 N 4 ü birçok teknolojik uygulamalarda faydalı kılmaktadır. Si 3 N 4 aşınma dayanımı, ısıl ve mekanik özelliklerinden dolayı kesici takımlarda, otomobil valflerinde, özel rulmanlarda ve gaz türbinlerinde refrakter malzeme olarak her geçen gün daha fazla tercih edilmektedir [29].
40 Si 3 N 4`ün bir mühendislik seramiği olarak önemi ilk defa 1957 yılında ortaya konmuştur. Mekanik ve termomekanik özelliklerinden dolayı nitrür seramikler içerisinde en fazla öneme sahip teknoloji seramiği Si 3 N 4`dür. Üstün özelliklerinden ve bu özelliklerini yüksek sıcaklıklarda da koruyabilmesinden dolayı Si 3 N 4 seramik malzemelerin kullanım alanları her geçen gün daha da artmaktadır [30]. Bor nitrür (BN) Bor nitrür (BN) karbona benzer kristal yapılarına, faz dönüşümlerine sahip olması ve taşıdığı yüksek ısıl şok direnci, ısıl iletkenlik, elektriksel yalıtkanlık, kimyasal kararlılık, yağlayıcılık gibi özellikleri nedeniyle endüstride geniş kullanım alanı bulmaya aday bir teknik seramik malzemedir. Temel kristal yapıları; grafite benzer tabakalı bir yapıdaki hekzagonal BN (h-bn), yüksek basınç altında sentezlenen würtzit yapısındaki sıkı paket hekzagonal bor nitrür (h-bn) ve yüksek sıcaklıkbasınç şartları altında elde edilen elmas benzeri sıkı paket kübik yapıdaki kübik bor nitrür dür (c-bn) [31]. Bor nitrür, düşük reaktifliği ve birçok uygulaması olan inorganik bir malzemedir. En sert insan yapısı malzemelerden bir tanesidir. Birçok uygulaması vardır; çünkü termal, elektriksel, mekanik ve fiziksel özellikler gibi çok geniş bir malzeme nitelikleri dizisine sahiptir. Farklı uygulamalar ile kullanılmasını sağlayacak şekilde bu niteliklerin çok çeşitli kombinasyonlarını içerir. Malzeme mühendisleri, çok çeşitli elektronik-elektrik uygulamalarında yararlı olan mükemmel bir termal şok özelliğine ilave olarak elektrik izolasyonunun ve yüksek termal iletkenliğin alışılmadık beraberliğini bor nitrürde bulmuşlardır. Olağanüstü refrakter nitelikleri, kimyasal inertliği ve zor çalışma şartlarında yüksek performans için şekillendirilerek üretilebilirliği daha uzun ömürlü bileşenlerin ortaya çıkmasına imkân verir. Zehirli değildir ve çok kolay bir şekilde işlenebilir [32]. Sentetik elmas yapımı için kullanılanlara benzer yüksek sıcaklık (1500ºC), yüksek basınç (8 GPa) teknikleri ile kafes (hekzagonal-kübik) dönüşümü ile elde edilen kübik bor nitrür (cbn), elmastan sonra ikinci en yüksek sertlik değerine sahiptir.
41 Kübik bor nitrürün sertliği, sıcaklık artışı ile azalmaktadır. Elmasla karşılaştırıldığında kübik bor nitrürün en önemli avantajı, demir veya diğer metaller ile temasında veya havada yüksek sıcaklıkta sahip olduğu çok yüksek kararlılığıdır. Çok kristalli kübik bor nitrür endüstriyel alanda son birkaç yıldır kullanım alanı bulmaktadır. Ferro malzemeler ile reaksiyon direnci ve mükemmel abrasif direnci ile kombine edilen kübik bor nitrür, diğer takım malzemelerden daha yüksek sıcaklıklarda ve daha yüksek hızlarda sert malzemelerin işlenmesinde kullanılmaktadır. Özellikle, elmasın kullanımını engelleyen hızlı aşınma olmaksızın yüksek hızlarda sert dökme demir ve sertleştirilmiş çeliğin kesimi için kullanılmaktadır. Ayrıca, süper alaşımlar (nikel ve kobalt esaslı), kübik bor nitrür kompozit kesici takımlarla, semente karbürlerden çok daha yüksek hızlarda işlenebilmektedir [32].
42 Çizelge 2.16. Bor nitrürün fiziksel ve termal özellikleri [33] ÖZELLİKLER Bor Nitrür Minimum Maksimum Atomik Hacim (ortalama), m 3 /kmol 0,0043 0,0045 Yoğunluk, g/cm 3 1,9 2,3 Enerji İçeriği, MJ/kg 200 300 Bulk Modul, GPa 12,5 65,7 Basınç Dayanımı, MPa 225 540 Elastik Limit, MPa 27 83,3 Dayanma Sınırı, MPa 23 64 Kırılma Dayanımı, MPa.m 1/2 2,5 5 Sertlik, MPa 660 3000 Kopma Modülü, MPa 33 110 Poisson's Oranı 0,21 0,27 Kesme Modülü, GPa 7,8 41,3 Kopma Mukavemeti, MPa 27 83,3 Young's Modülü, GPa 19,5 100 Maksimum Çalışma Sıcaklığı, K 1440 1990 Ergime Noktası, K 3150 3400 Özgül Isı, J/kg.K 770 1150 Isıl İletkenlik, W/m.K 19 52 Isıl Genleşme, 10-6 /K 1 6 Alüminyum Nitrür (AlN) Alüminyum nitrür yüksek ısıl iletkenlik ve yüksek elektrik direncine sahip bir teknoloji seramiğidir. Bu özellikleri AlN malzemeleri yüksek güç elektronik modülleri için ana malzeme haline getirmiştir. AlN, bu uygulamalarda BeO nun yerini almaktadır. Bununla birlikte oldukça fazla toksik etkisinin olması üretimi ve uygulamalardaki en büyük dezavantajıdır. AlN nin sıvı alüminyum içindeki korozyon direnci de mükemmeldir. Alüminyum nitrür termodinamik olarak silisyum nitrürden daha kararlıdır. Fakat rutubetle reaksiyona girme eğilimi fazla olduğundan
43 geniş bir uygulama alanı bulamamıştır. Alüminyum nitrür ticari olarak genellikle alüminyumun doğrudan nitrürlenmesi veya alüminanın (Al 2 O 3 ) indirgenip daha sonra nitrürlenmesi ile üretilmektedir [34]. Çizelge 2.17. Alüminyum nitrürün fiziksel ve termal özellikleri [35] ÖZELLİKLER ALÜMİNYUM NİTRÜR Minimum Maksimum Atomik Hacim (ortalama), m 3 /kmol 0,0062 0,0064 Yoğunluk, g/cm 3 2,92 3,33 Enerji İçeriği, MJ/kg 200 300 Bulk Modul, GPa 193 240 Basınç Dayanımı, MPa 1970 2700 Elastik Limit, MPa 197 270 Dayanma Sınırı, MPa 168 248 Kırılma Dayanımı, MPa.m 1/2 3 5,9 Sertlik, MPa 9975 12600 Kopma Modülü, MPa 262 367 Poisson's Oranı 0,23 0,27 Kesme Modülü, GPa 126 139 Kopma Mukavemeti, MPa 197 270 Young's Modülü, GPa 302 348 Maksimum Çalışma Sıcaklığı, K 1300 2000 Ergime Noktası, K 2670 2780 Özgül Isı, J/kg.K 780 820 Isıl İletkenlik, W/m.K 60 177 Isıl Genleşme, 10-6 /K 4,3 5,6
44 Titanyum nitrür (TiN) Titanyum nitrür PVD (Fiziksel Buhar Çöktürme) yöntemiyle kaplanan altın renginde seramiktir. Yüksek sertlik ve düşük sürtünme katsayısı sayesinde uzun süre özelliğini koruyarak çalışabilir. Titanyum nitrür kaplamalar genellikle kesici takımlarda uygulanır [42]. Şekil 2.6. Fiziksel buhar çöktürme yöntemi şeması [36] Şekil 2.6 da PVD yönteminin şematik görünüşü bulunmaktadır. TiN kısmi vakum altında iyonize argon ve azot (reactive gas) içerisine iyonize titanyum beslenerek 350-450 C arasında TiN kaplama kaplanacak malzeme yüzeyinde oluşuncaya kadar gerçekleştirilmektedir [36]. Titanyumla aynı özelliklerde üç nitrür vardır. Bunlar TiN, ZrN ve HfN`dür. Bu nitrürlerin her üçü de yüksek ergime sıcaklığına, yüksek sertliğe ve metalik yapılarından dolayı metalik iletkenlik özelliğine sahiptir. Bununla birlikte oksitlenmeye dirençleri çok zayıftır. TiN 700 C` ye kadar oksitlenmeye karşı dirençli iken diğer iki nitrürün oksitlenme sıcaklığı 500 C` dir. N atmosferinde kararlı olan 2 bu nitrürlerden sadece TiN uygulama alanı bulabilmektedir. Bu nitrürler için en sık kullanılan üretim şekli elementin doğrudan nitrürlenmesidir [34].
45 Si-Al-O-N seramikleri Sialon (Si-Al-O-N) bir silisyum-aluminyum oksinitrür tipi seramik malzeme olup, sinterlenebilen silisyum nitrürün (Si 3 N 4 ) bir türevidir. Silisyum nitrürün kırılma tokluğu aluminanın yaklaşık iki katıdır ve daha yüksek bağ mukavemetine sahiptir. Termal genleşme katsayısı düşük olması nedeni ile iyi termal şok direnci vardır. Aluminanın kırıldığı hızlı ve aralı talaş kaldırma işlemlerinde kullanılabilir. Yüksek yoğunluklarda sıcak presleme ile üretilir ve takımın şekillendirme maliyeti yüksektir. Sialon silisyum nitrür, alüminyum nitrür ve alüminyum oksite, yitriyum oksit (Y 2 O 3 ) katkısıyla 1800 C de sinterlenmesi ile elde edilir. Yitriyum oksit sinterlemede silikat oluşturarak sıvı faz sinterlemesine ve böylece porozite oranını düşürerek yaklaşık tam yoğunlukta (%98) malzeme elde edilmesini sağlar [37]. Sialonun kırılma tokluğu ve enine kopma mukavemeti aluminadan daha yüksek, fakat Al 2 O 3 /SiC wisker seramiklerden daha düşüktür. Sialon kesici takımlar özellikle dökme demir ve süper alaşımların (Ni esaslı gaz türbin diskleri) işlenmesinde kullanılır [37]. Alüminasilikatlardan hazırlanan oksinitrür bileşenleri, Si-Al-O-N sisteminin SiAlON olarak adlandırılan fazlarıdır. Büyük bilimsel ve teknolojik ilgi sonucu meydana gelen β-sialonlar, O`-sialonlar, çok tipli sialonlar, vs. gibi fazlar bu sisteme aittir. β- sialonlar, örneğin; metal işlemesi için kesme aletleri üretimi, ekstrüzyon makineleri (kalıplar, boru tesisatları, kılavuzlar) için matrisler ve diğer bileşenler, gaz türbinleri için motor bileşenleri gibi teknolojik uygulamalarda en önemli fazlardır. Silisyum nitrür ile SiAlON arasındaki ilişki bakırla pirinç arasındaki ilişkiye benzer. Saf bakır yumuşak ve mukavemeti düşürürken, %40 çinko ilavesiyle, bakır atomları yapıda herhangi bir değişim meydana getirmeksizin çinko atomlarıyla yer değiştirdiğinde, bakıra nazaran daha sert ve mukavemetli ve daha düşük sıcaklıkta eriyen dolayısıyla daha kolay üretilebilen bir alaşım oluşur. SiAlON seramikler yüksek sertlik, yüksek sıcaklıklarda bile yüksek kırılma dayanıklılığı ve yüksek korozyon direncine sahip malzemeler olarak mühendisik uygulamalarında görülmektedir [39,40].
46 Çizelge 2.18. Sialon seramiğinin fiziksel ve termal özellikleri [38] ÖZELLİKLER Sialon( Si 3 Al 3 O 3 N 5 ) Minimum Maksimum Atomik Hacim (ortalama), m 3 /kmol 0,006 0,0065 Yoğunluk, g/cm 3 3,2 3,3 Enerji İçeriği, MJ/kg 200 250 Bulk Modul, GPa 185 217 Basınç Dayanımı, MPa 3500 4500 Elastik Limit, MPa 400 700 Dayanma Sınırı, MPa 428,61 500,05 Kırılma Dayanımı, MPa.m 1/2 4 6,2 Sertlik, MPa 16500 18900 Kopma Modülü, MPa 450 840 Poisson's Oranı 0,24 0,29 Kesme Modülü, GPa 112 120 Kopma Mukavemeti, MPa 400 700 Young's Modülü, GPa 275 300 Maksimum Çalışma Sıcaklığı, K 1273 1800 Ergime Noktası, K 2745 2810 Özgül Isı, J/kg.K 620 710 Isıl İletkenlik, W/m.K 18 23 Isıl Genleşme, 10-6 /K 3,3 3,7 Titanyum Diborür (TiB 2 ) TiB 2 1000 C nin üstünde hava ile oksidasyona karşı dirençlidir. HCl ve HF karşı dirençli olsa da H 2 SO 4 ve HNO 3 ile etkileşir. Alkaliler ile kolayca etkileşir TiB 2 basınçsız sinterlenme ile yüksek saflıkta elde edilebilir fakat sıvı formda demir, krom ve karbon gibi yardımcılara ihtiyaç vardır. Yüksek sertliğinden dolayı pek çok sanayi alanında tercih edilmesine rağmen nispeten yüksek yoğunluğu ve şekil vermekteki zorlukları, işlenebilirliğini zorlaştırdığı için TiB 2 yi tek başına kullanmaktan ziyade kompozit olarak kullanılmaya itmektedir. TiB 2 yüksek sıcaklığa ve kimyasal aşınmaya maruz kalan kısımlarda kaplama veya parça olarak (örneğin jet motoru parçalarında, motor parçalarında, roket motor parçalarında ve metal ergitme
47 nozulları) kullanılmaktadır. Silisyum karbür (SiC) kompozitlerinin mukavemetlerini artırmak için kullanılır. Korozyon ve aşınmaya dayanım gerektiren yerlerde kullanılır. Yüksek sıcaklıklarda elektrik kontak malzemesi olarak, alüminyum fırınlarda (Hall-Herault) elektrot olarak kullanılır. Kompozit malzeme üretiminde (Al, Cr, Cu v.b), askeri zırh, kesici takım, refrakter malzeme ve seramik olarak kullanılır [41]. Çizelge 2.19. Titanyum diborürün fiziksel ve termal özellikleri [42] ÖZELLİKLER TİTANYUM DİBORÜR Minimum Maksimum Atomik Hacim (ortalama), m 3 /kmol 0,005 0,008 Yoğunluk, g/cm 3 4,45 4,54 Enerji İçeriği, MJ/kg 150 200 Bulk Modul, GPa 182 191 Basınç Dayanımı, MPa 3388,2 3735,7 Elastik Limit, MPa 338,8 373,6 Dayanma Sınırı, MPa 288,18 336,21 Kırılma Dayanımı, MPa.m 1/2 6 8 Sertlik, MPa 25000 27000 Kopma Modülü, MPa 406,6 448,3 Poisson's Oranı 0,1 0,15 Kesme Modül, GPa 182 191 Kopma Mukavemeti, MPa 338,8 373,6 Young's Modülü, GPa 410 430 Maksimum Çalışma Sıcaklığı, K 1414 1532 Ergime Noktası, K 3189 3318 Özgül Isı, J/kg.K 554 601 Isıl İletkenlik, W/m.K 24 26 Isıl Genleşme, 10-6 /K 6 8
48 2.2.4. Karbon-karbon kompozitler Son yıllarda karbon-karbon kompozitler üzerine yoğun araştırmalar yapılmaktadır. Bunun sebebi, bu malzemelerin askeri ve sivil uçaklarda geliştirilmiş füzelerde ve çeşitli hipersonik uzay taşıtlarında kullanılmasının söz konusu olmasıdır. Karbon karbon kompozitlerin yüksek sıcaklıklarda özgül mukavemetlerini koruyabilmeleri bu malzemeleri yüksek sıcaklık gövde malzemesi olarak kullanılmalarına imkân vermektedir. Karbon-karbon kompozitlerin en önemli üstünlükleri 2200 C dereceye varan mekanik özelliklerde değişme olmaksızın çalışabilme özellikleridir. Çok yüksek bu sıcaklıklara en yakın dayanabilen konvansiyonel malzemeler süper alaşımlardır. Bunların kullanım sıcaklıkları 1000 C, özel kaplamalar ile 1100 C civarındadır. Özgül mukavemet değerlerindeki bu istikrarlı yapı bu malzemeleri özellikle uçak frenleri, yüksek hızlı otomobil frenleri gibi gerek aşınma dirençli gerekse çok yüksek sürtünme sıcaklıkları söz konusu olan alanlarda kullanılmalarını sağlamıştır. Grafitte kuvvetli kovalent bağların bulunması, karbon atomunun difüzyonunun diğer metal atomlarına kıyasla düşük olmasına neden olmaktadır. Dolayısıyla, grafitin sürünme özellikleri de diğer malzemelerle kıyaslanmayacak derecede üstündür [15]. Karbon karbon kompozitler karbon esaslı matris içine karbon fiberlerin yerleştirilmesi ile üretilmektedir. Böylece refrakter özelliğinin yanı sıra, yüksek mukavemet ve tokluk bir arada sağlanmaktadır. Karbon-karbon kompozitlerde her iki bileşen de karbon olmasına rağmen, matris amorf karbondan grafite kadar değişim gösterebilmektedir. Kompozitin özellikleri ayrıca kullanılan fiberlerin özellikleri ve uygulanan ısıl işleme de bağlıdır. Seramik matrisli kompozitlerin mekanik özellikleri itibarı ile yüksek mukavemetli, aşınma dirençli, düşük termal genleşme katsayılı, kendi kendine yağlayabilen malzemeler olması onların özellikle kesici takımlar, aşındırıcılar, türbin kanatları, katı yağlayıcılar, hassas cihazların parçaları şeklinde kullanılmalarını sağlar. Diğer yandan termal özelliklerinin yüksek olması ısı iletimi, ısı toplama, refrakter özellikleri sayesinde, eletrot malzemesi, yüksek sıcaklık fırın astarı, elektronik parçalar için ısı yutucular şeklinde kullanılmalarını sağlamaktadır. Bunun yanı sıra nükleer, optik, manyetik, elektrik,
49 biyolojik özellikleri de söz konusudur ve bu sayede çok özellikli alanlarda kullanılmaktadırlar [15]. Seramiklerin üstün sürünme özellikleri bu malzemelerin dizel ve otomobil parçaları, türbin kanatları ve rotor olarak kullanılma potansiyelini gündeme getirmiştir. Bu durum gerçekleşirse dizel motorun çalışına sıcaklığı 700 C den 1100 C ye çıkabilecek ve bu da motorun verimini % 50 oranında arttıracaktır. Diğer taraftan motor parçalarına uygulanan kısmen stabilize edilmiş zirkonya gibi oksit kaplamaların termal genleşme katsayısı dökme demirinkine çok yakın olduğu saptanmıştır. Günümüzde birçok dizel motor parçalarında (yanma odası cidarı, silindir gömlekleri ve başlığı, egzoz bölgesi) kullanılmaktadır. Gaz türbinlerinde kanatlar tamamen soğutma sistemi gerektirmeyen Si 3 N 4 seramikten yapılmakta ve bu türbinin günümüzde kullanılan Ni esaslı süper alaşımlara kıyasla daha verimli çalışması mümkün olmaktadır. Seramik yataklar yağlamaya gerek kalmadan yüksek devirde çalışabilmektedir. Silisyum nitrürden yapılmış türbin tekerleği ve turbo şarj kaplaması halen deneme aşamasındadır. Seramik turbo şarjlar halen kullanılmakta olan konvansiyonel nikel alaşımlardan % 40 daha hafiftir. Bunun avantajı motorun dönmesi için daha az egzoz gazı alması ve dolayısıyla motorun kontağı çalışır çalışmaz turbo şarjın harekete derhal geçmesi ve arabanın anında ivme kazanmasını sağlamasıdır. 21. Yüzyıla kadar, jet motorlarındaki metalik parçalar tamamen seramik kompozitlerle değişeceği tahmin edilmektedir. Böylece jet motorlarının çalışma sıcaklığı 1500 C ye ulaşabilecektir [15]. İleri seramiklerin sertlikleri yüksek olduğundan aşınmaya dayanıklı ideal malzemelerdir. Bu özelliklerinden dolayı, ileri seramikler makine takımlarını kaplamada, tamamen seramik makine takımlarında, tekstil makinelerinde iplik geçen makaralarda, melal şekillendirme kalıplarında ve daha pek çok benzeri yerlerde kullanılmaktadır. Halen makine takımlarının % 2-3 ü tamamen seramiktir. Bu değerin 2000 li yıllarda kadar % 30 a ulaşacağı tahmin edilmektedir. Bu alanda ilgi çeken seramikler Al 2 O 3 /TiC, Sialon ( Si-Al-O-N ) ve Al 2 O 3 /SiC fiberleridir. Sıcakta izoslatik preslenmiş sialon da kesme hızı tipik olarak 2000 1/min dir. Bu değer TiN ile kaplanmış WC için 800, Al 2 O 3 / TiC takımları için 1000 1/min dir.
50 Kesici takımlardan aranan özellikler: Aşınmaya karşı yüksek direnç, sıcaklıkta sertliği koruyabilme ve tokluğun yüksek olmasıdır. Bu bağlamda seramik matrisli kompozitlerin kesici takını olarak kullanılmaları için pek çok üstün özellikler söz konusu olmaktadır [15].
51 3. TURBO DÖNGÜSEL MOTOR VE TERMODİNAMİK ÇEVRİMİ Turbo döngüsel motor (TDM), yeni bir termodinamik çevrime uygun olarak çalışmakta ve verimli bir sıkıştırma süreci sonrası yanma, tepe sıcaklığı kısıtlanmış bir ortamda gerçekleşmektedir. Resim 3.1. Turbo döngüsel motor Termodinamik süreç, uzun bir genleşme ve güç üretiminin ardından, her şaft devrinde en az bir kere olmak üzere kendini tekrarlamaktadır. Döngüsel motorlarda yüksek güç ile birlikte ulaşılan verim, düşük yakıt değerleri sonucunda gerçekleşmektedir. Başlıca nedenler; döngüsel motorun daha az güç girdisi isteyen, hilal şeklindeki kompresör haznesine ve daha uzun termodinamik genleşme ve güç üreten bir türbine sahip olmasıdır. Ayrıca bu motorun kapalı hacim kompresör yapısı, akış kopması (STOL Short Take-Off Landing ) olmayan bir aerotermodinamik yapıdadır. Tüm bu özellikler bir araya getirildiğinde, daha verimli ve çok daha güçlü bir motor ortaya çıkmaktadır.
52 Şekil 3.1. Turbo döngüsel motorun P- grafiğinde sıkıştırma, ısı ilavesi ve genleşme süreçleri Sıkıştırma süreci (1-2) de 330 lik bir devir açı aralığı boyunca tatlı meyilli bir hazne daralımı sonucu gerçekleşmektedir. Karbüratörlü sistem kullanıldığında, sıkıştırma süreci aynı zamanda hava yakıt karışım süreci olarak da kullanılmaktadır. Yakıt buharlaştıkça kompresörü soğutmakta, böylelikle sıkıştırma verimliliğine çok olumlu yönde katkı sağlamaktadır. Ayrıca uzun bir sürece yayılan bu ön karışım, düşük yakıt/hava oranlarında başarılı yanmaya olanak vermektedir. Yeni termodinamik çevrimde, sabit hacim ısı (2-3) ilavesi ardından sabit basınç ısı ilavesi (3-4) ve bunu takiben çevre basıncına kadar en yüksek düzeyde genleşme vardır. Genleşme süreci (4-5) de 270 lik geniş bir devir açı aralığı boyunca gerçekleşmektedir. Bu genleşme süreci pistonlu ve turbo rotor devirli tüm motorlardan daha uzundur. Böylelikle daha çok güç üretilebilmektedir.
53 Şekil 3.2. Turbo döngüsel motor, otto, brayton, dizel ve karma çevrimlere ait P-V diyagramları Yeni tasarım TDM, Otto ve Diesel çevrimlerine ait, basma ve yanma evrelerini, tepe yanma sıcaklığını kısıtlayarak birleştirmektedir. Yeni tasarım TDM, güç üretimini ve verimi büyük ölçüde arttıran daha uzun bir güç üretim evresine de ulaşmaktadır. Kompresör ve türbin çalışma hazneleri, uyumlu termodinamik ve geometrik değerler ile birleştirilmesi sonucu, genleşme süreci uzatılabileceği ve daha düşük çıkış basıncı ve sıcaklık seviyelerinin elde edileceği gösterilmektedir. Literatür araştırması sırasında, ayrı basma ve genleşme odalarına sahip ve yanmış gazları atmosfer basınç seviyelerine kadar genleştirebilen açıklanmış herhangi bir paletli döngüsel motorun varlığı bulunamamıştır. Böyle bir termodinamik çevrim iyileştirmesi dikkate alınmadığı için, boşa giden enerji, motorda harcanan yakıt veriminin düşüklüğü olarak kendini göstermektedir.
54 4. LİTERATÜR ÖZETİ 4.1. Kompozit Kaplama 4.1.1. Termal bariyer kaplama Termal bariyer kaplama uygulamaları, on yıllar boyunca termal yüklü yanma süreçlerinde kullanıldı. Türbin teknoloji gelişmesinin başlangıcında, bilim ve sanayi, süper iletken ve seramik yalıtkanların nasıl birleştirilebileceğini araştırdı. Kısmi stabilize zirconia, çok erken zamanda standart malzeme olurken, termik püskürtme ve EB-PVD (Electron Beam Physical Vapor Deposition) 1990 ların başında gelişmekte olan teknolojiler olarak adlandırılmaktaydı. Bu makale EB PVD'in, neden asıl seçenek olduğunu inceler, EB PVD kaplamalar, plazma kaplamalardan daha yüksek termik iletkenliği olmasına rağmen, özellikle, türbinin Yüksek basınç aşamasında daha uzun ömürlü ve istatistiksel olarak daha güvenilirdir [43]. Seramik kaplama, gaz türbin teknolojisinde termal bariyer kaplamaları (TBK) için anahtardır. Atmosferik plazma spreyi, ve fiziksel buhar çöktürme (EB-PVD) genellikle, pratik uygulamalarda kullanılır. Kimyasal buhar çöktürme (CVD), TBK için bir alternatif süreçtir. CVD ile kalın kaplamalar çok yavaş elde edilmesine rağmen, bir lazer CVD süreci, yttria-stabilize zirconia (YSZ) ile yüksek bir azil oranında kaplama yapılabilmektedir. Bu makalede kısaca, TBK süreci incelenmiş ve kalın oksit kaplamaları için lazer CVD ye giriş yapılmıştır [44]. Plazma püskürtme, PVD ve CVD gibi yüzey hazırlama teknikleri, ileri teknoloji gerektiren yerlerde kullanılmak üzere uygun malzeme kombinasyonu yapmak için kullanılır. Yüksek sıcaklıktaki kaplamaların iki ana fonksiyonu vardır. Bunlar ana metali korozyon veya erozyona karşı korumak veya aşınmayı azaltmaktır. Üçüncü bir fonksiyonu ise, termal bariyer kaplama durumunda ana metalin sıcaklığını azaltmaktır. Bu çalışmada termal yükleme altındaki kaplamalarda ortaya çıkan gerilme durumunu analiz etmek için termal- yapısal Sonlu Elemanlar Analizi uygulanmıştır. Elmas, Si 3 N 4, Al 2 O 3 ve TiC kaplama sistemleri modellenmiştir.
55 Ayrıca NiAl, ara kaplamalı kaplamalarda modellendirilmiştir. Kritik arayüzey bölgelerindeki (film / ara kaplama / altlık) nominal ve kayma gerilmeleri hesaplanıp karşılaştırılmıştır. Sonuçlar, termal gerilmelerin; kaplama malzemeleri, ara kaplama malzeme kalınlığı ve kaplama ve altlık malzemelerin termal ve mekanik özellikleri arasındaki uygunsuzluktan etkilendiğini göstermiştir. Çalışma sonucu itibari ile Sonlu Eleman Tekniğinin, elmas ve seramik kaplama tasarımı ve prosesini optimize etmek için kullanılabileceği kanaatine varılmıştır [45]. Altı silindirli aşırı doldurmalı ara soğutmalı bir dizel motorun silindir kapağı ve supaplarını 0,35 mm kısmı stabilize zirkonya ile kaplayarak hacimsel verimde %1-3 artış, özgül yakıt tüketiminde %6 olanında azalma tespit etmişlerdir. Ayrıca 250 saatlik test sonucunda seramik kaplanmış parçaların mükemmel durumda olduğunu belirtmişlerdir [46]. Piston ve supapları 0,5 mm kısmi stabilize zirkonya ile kaplanmış bir orta devirli dizel motorun 14000 saatlik dayanım testinde başarı sağlanmış, bu deneme neticesinde yakıt sarfiyatında %5 e varan azalmaları tespit etmişlerdir [47]. Seramik kaplı motorların yanma odası sıcaklığının kaplanmamış motora göre yüksek olması daha geniş damıtma aralığında ve daha az kaliteli yakıt kullanılmasına imkân vermektedir. Ayrıca soğutma sistemine giden ısı kayıplarının azaltılması sebebiyle, dizel motorlarında sıkıştırma sonu gaz sıcaklığı artacağından soğuk havalarda ilk hareket daha kolay olmakta, kontrolsüz yanmadan kaynaklanan vuruntu ve gürültülü çalışma azalmaktadır. Araştırmacılar doğal emişli, 4 silindirli, 4 zamanlı ve ön yanma odalı bir dizel motoru üzerinde yaptıkları çalışmada, yanma odası yüzeylerini; a) 0,15 mm kalınlığında NiCrAl + 0,35 mm kalınlığında Al 2 O 3 -% 40 TiO 2, b) 0,15 mm kalınlığında NiCrAl + 0,3 mm kalınlığında ZrO 2 -%8Y 2 O 3, c) 0,15 mm kalınlığında NiCrMo + 0,25 mm kalınlığında Al 2 O 3 -%40 ZrO 2 ile kaplamıştır. Sonuç olarak, kaplamalı motorda özgül yakıt tüketiminin %15-20 daha düşük, yüksek hızlarda kaplamalı motorda egzoz gazı sıcaklığı 200 K daha yüksek olduğu tespit edilmiştir [48].
56 Nano yapılı ve geleneksel zirconia kaplamaların, atmosferik plazma püskürtmesi ile termik şok dirençleri, araştırıldı. Sonuçlar, nano yapılı kaplamanın, geleneksel kaplamadan daha iyi termik şok direncine sahip olduğunu gösterdi. Bu olgu, termal şok çevrimi esnasında meydana gelen mikro yapı ve mikro yapıdaki değişiklik bakımından açıklanır [49]. Tek silindirli direkt püskürtmeli, sıkıştırma oranı 13,9/1 olan dizel motor pistonunu plazma sprey yöntemiyle 1 mm kalınlığında zirkonya kaplanmıştır. Deneyler sonucunda; DIK motorda tutuşma gecikmesi ve ani yanma süresi kısalırken toplam yanma süresinin arttığını (%3-10), tam yük şartlarında DIK motorda özgül yakıt tüketiminin %3 daha az olmasına karşın, yüksek hızlarda %5 daha fazla olduğunu; silindir kapak sıcaklığının 93 C daha yüksek olurken egzoz supapları arasındaki bölgede en yüksek sıcaklığın 434 C olduğu belirtilmiştir [50]. Tek silindirli, endirekt püskürtmeli, değişken sıkıştırma oranlı bir dizel motorunun silindir kapağı, piston ve supaplarını seramik malzeme (MgO-ZrO 2 ) ile kaplanmasının motor performansına etkisi araştırılmıştır. DIK motorun hacimsel verim kaybını gidermek için emme manifoldu basıncı değiştirilmiş, bu sayede motor performansında tatmin edici artışlar elde edilmiştir. Standart motora göre özgül yakıt tüketimi yaklaşık olarak %4-5, CO emisyonu %56 azalmış, efektif verim %1,5 artmış NO x emisyonu ise artan yanma sıcaklığı nedeniyle %12 ye kadar artmıştır [51]. Altı silindirli direkt püskürtmeli, sıkıştırma oranı 16,5/1 olan motorun silindir kapağı ve supapları CaO-ZrO 2, pistonları ise MgO-ZrO 2 ile plazma sprey yöntemi kullanılarak kaplanmıştır. Seramik kaplamanın motor performansına ve egzoz gazlarının ekserji potansiyeline etkileri incelenmiştir. DIK motorda, standart motora göre özgül yakıt tüketimi %6 azalırken, ısıl verim %2 iyileşmiş, egzoz gazlarının ekserjisinde %3-27 yükselme olduğunu, fakat bu enerjinin en fazla %47 sini faydalı işe dönüştürüleceği belirtilmiştir [52].
57 Seramik kaplamalı ve kaplamasız motorun yanma odasındaki yüzey sıcaklıklarının, ısı iletim katsayısı 1,2 W/mK olan zirkonya kalınlığına göre değişiminin tahmini için bir bilgisayar simülasyonu yapılarak dökme demir yüzeydeki çevrim boyunca sıcaklık değişiminin az olduğunu, araştırmacılar kaplama kalınlığı arttıkça kaplanmış elemanların ortalama sıcaklıklarının arttığını ve 0,5 mm lik kaplama kalınlığı için çevrim boyunca sıcaklık değişiminin en yüksek olduğunu belirlemişlerdir [53]. Termal bariyer kaplamalar, malzemenin çalışma sıcaklığını yükselterek sistemin verimini arttırmak amacı ile kullanılır. Genelde metal alt tabakanın üzerine homojen seramik kaplama şeklinde uygulanmaktadır. Bu tür kaplamalarda çalışma esnasında görülen en önemli problem, metal alt tabaka ile seramik kaplamanın termal genleşme sabitlerinin farklı olması nedeniyle ortaya çıkan büyük termal gerilmelerdir. Bu gerilmeler sonucunda sistemde çatlaklar ve metal/seramik ara yüzünde ayrılmalar görülmektedir. Söz konusu çatlakları ve ayrılmaları önlemek için fonksiyonel derecelendirilmiş malzemelerden yapılmış kaplamalar geliştirilmiştir. Bu tür kaplamalarda malzeme özellikleri kaplama kalınlığı boyunca fonksiyonel olarak değiştirilmekte ve bu sayede kaplama ile alt tabaka arasındaki uyumsuzluk ve termal gerilmeler en düşük dereceye indirilebilmektedir. Bu çalışmada nikel alaşımlı Rene- 41 alt tabakasından ve Zirkonya/Rene-41 karışımı, katmanlı ve fonksiyonel derecelendirilmiş termal bariyer kaplamalarından oluşan silindir şeklindeki numunelerdeki termal gerilmeler, özel olarak geliştirilmiş sonlu elemanlar metodu kullanılarak hesaplanmış ve fonksiyonel derecelendirilmiş kaplamanın katmanlı kaplamalara göre daha güvenilir olduğu gösterilmiştir [54]. Geliştirilmiş TBK, gaz türbinlerini yüksek sıcaklıktaki gazlar ile çalıştırabilmeye imkân sağlayacaktır. yttria-stabilized zirconia ile mevcut endüstri standartlarından daha yüksek performans sağlayabilmek için çaba sarf edilmiştir. Bu çalışmada önceki gelişmelerden yola çıkarak bütünleşmiş deney stratejisi geliştirilmiş crystallography ve simülasyon gibi araçların Termal bariyer kaplamanın gelişiminde öncülük edebilecekleri anlaşılmıştır [55].
58 Sistemin ısıl verimliliğini arttırarak çalıma sıcaklığını yükseltmek ve korozyon, oksitlenme veya aşınmayı önlemek amacıyla ısıl bariyer kaplama yöntemi kullanılır. Bu yöntemde, yapıştırma ile birleştirilen malzemeler arasındaki ısıl genleşme katsayısı uyumsuzluklar nedeniyle oluşan ısıl gerilmeleri azaltabilmek için dereceli değişen FDM den yapılmış kaplamalar tercih edilmektedir. Endüksiyonla Yığma (Electrophoretic Deposition-EPD) yöntemi bütün bu üretim tekniklerinden en düşük maliyete sahip olan ve kompleks geometriyle sürekli malzeme üretebilen bir işlemdir. Pervane Kuru Karıştırma (IDB) yöntemi ise, oldukça yüksek hızlarda işlem hacmi sağlamaktadır. Anlatılan tüm üretim tekniklerinde ortak olarak karşılaşılan sıkıntılar, malzeme bünyesinde makroskopik boyutta bir birleşme söz konusu olmadığı için ısıl gerilmelerin kısmen kontrol edilebilmesi ve kaplayıcılardaki artık ve ısıl gerilimlerin azaltılamamasıdır. Elektromanyetik dalga enerjisinin seçilebilir ve kontrollü ayrışmasıyla gerçekleşen düşük ısıl ve artık gerilimli fonksiyonel derecelendirilmiş kaplamalar, Milimetrik dalga huzmesi metodu ile gerçekleştirilmektedir. Yüzeyden itibaren ısıtmaya dayalı çoğu ısıl işlemin tersine, milimetrik-dalga huzmesi metodu FDM yığınındaki enerji ve sıcaklık dağılımını kontrol edebilme imkânını sağlar. Bu özelliğiyle, milimetrik dalga huzmesi işlemi gelişmiş enerji dağlım özelliğiyle diğer üretim metotlar için engel teşkil eden ısıl yayılma düzensizliği sorununu çözer [56]. On yıllarca termal bariyer kaplama uygulamaları termal yüklü yanma prosesleri uygulamaları için kullanılmıştır. Türbin teknolojisi gelişimi ile bilim ve endüstri süper iletken ve seramik yalıtkanların özelliklerini birleştirmek için çalışma yapmıştır. Bu çalışmada EB-PVD nin plazma sprey kaplamaya göre daha fazla ısıl iletkenliğe sahip olduğu halde neden en uygun seçenek olduğu incelenmiştir. EB- PVD daha uzun ömürlü ve istatistiksel olarak daha güvenilirdir. Termal bariyer teknolojinin en önemli sorunu tamamen güvenilir olamayışıdır, ileriki çalışmalarda bu teknolojinin eksiklikleri modellenerek güvenilirliği doğrulanacaktır [57]. Termal bariyer kaplama (TBK) malzemesi olarak genellikle düşük termal iletkenlik ve nispeten yüksek termal genleşme katsayısına sahip yitriya stabilize zirkonya kullanılır. Son zamanlarda hızla gelişen TBK uygulamalarında, YSZ kaplamalar bağ
59 kaplama ile birlikte uygulanmaktadır (NiCrAlY ya da NiCoCrAlY metalik bağ tabakalar). Metalik bağ tabaka oksidasyon direnci sağlamaktadır. Bu çalışmanın amacı; Jet motorları, gaz türbinleri ve dizel motorları için alternatif olarak kullanılabilecek YSZ- Al 2 O 3 kaplama tozlarının, kaplamalarının üretilmesi ve kaplamaların bazı mekanik ve mikro yapı özelliklerinin belirlenmesidir. Çalışmada başlangıç tozları olarak YSZ ve alümina tozları kullanılmıştır. Kaplama tozları belli oranlarda, YSZ- ağ.%10, 20, 30, 50, 80 Al 2 O 3 olacak şekilde, ZrO 2 bilye kullanılarak bilyeli değirmende 2 saat süreyle homojen karıştırılmıştır. Kaplamalar bileşimleri METCO 3MB plazma püskürtme tabancası ile paslanmaz çelik altlıklar üzerine başarı ile uygulanmıştır. Kaplama içerisindeki alümina içeriğinin kaplamaların sertlik, yoğunluk, yüzey pürüzlülüğü ve mikro yapılarına olan etkisi araştırılmıştır. Sonuçlar; alümina ilavesi kaplamaların sertliklerini arttırmakta ve yüzey pürüzlülük değerlerinin düşmesini sağlamaktadır. Kaplamanın rölatif yoğunluk değerlerini belli kaplama bileşimine kadar artırmakta ve yüksek rölatif yoğunluk değeri YSZağ.%30Al 2 O 3 kaplamalarda elde edilmektedir. Aynı zamanda alümina ilavesi termal şok direncini azaltmaktadır [58]. Araştırmacı, tek silindirli direkt püskürtmeli bir dizel motorun yanma odası elemanlarını seramik kaplamıştır. Çalışmada, emme ve egzoz supapları, piston yüzeyi ve silindir gömleğinin üst kısımları 0,13mm NiCrAlY bağ tabakası üzerine 0,76 mm Y 2 O 3 ile stabilize edilmiş ZrO 2 ile kaplanmıştır. Çalışma sonucunda, seramik kaplı motorda yanma odasından soğutucu akışkana olan ısı kaybında %30 oranında bir azalma ve egzoz gazı sıcaklığında ise önemli miktarda artış olduğu belirtilmiştir. Ayrıca yüksek yüklerde is, tanecik ve CO emisyonlarında artış, NO x emisyonunda ise azalma olduğu ifade edilmiştir [59]. Sert seramik kaplamaların yük altında davranışlarını etkileyen önemli özelliklerinden biri içerdikleri kalıntı gerilmelerdir. Kalıntı gerilmelerin niteliği ve büyüklüğü kaplamanın taban malzemeye yapışması ve sertliği üzerinde çok etkilidir. Kaplamaların içerdiği kalıntı gerilmeleri ölçmeye yönelik değişik teknikler vardır. Bu teknikler içerisinde en yaygın kullanılanlardan bir tanesi x-ışınları kırınımıdır (XRD). Bu çalışma kapsamında ark-fiziksel buhar çöktürme tekniği kullanılarak iki
60 farklı taban malzeme (AISI 304 paslanmaz çelik ve AISI M4 yüksek hız takım çeliği) üzerine kaplanmış olan titanyum nitrür (TiN) kaplamaların kalıntı gerilmeleri, klasik kitlesel teknik ve ince film tekniği olmak üzere iki farklı x-ışınları kırınım tekniği kullanılarak ölçülmüş ve karşılaştırılmıştır. Farklı kalınlıklarda, farklı bias voltajlarında Fiziksel Buhar Çöktürme tekniği ile üretilen TiN kaplamaların ince film ve kitlesel XRD yöntemleri ile yapılan kalıntı gerilme analizleri çalışmasından çıkarılan genel sonuçlar aşağıda sıralanmıştır: 1. Analizler öncesi kalıntı gerilme içermeyen silikon numune ile yapılan klasik yöntem kalıntı gerilme analizinde bulunan sıfıra yakın değer analiz sonuçlarının doğruluğunu kanıtlamaktadır. 2. TiN kaplamalar için hem kitlesel, hem de ince film yöntemi kullanılarak belirlenen kalıntı gerilme değerleri birbirine oldukça yakındır. Bu da her iki yöntemin birbirini doğrular nitelikte olduğunu ortaya koymaktadır. 3. FBB yöntemi ile üretilen kaplamalarda kalıntı gerilmeler basma gerilmesi yönündedir. Gerilmenin bu yönde olması kaplamanın taban malzemeye tutunması açısından avantajdır. Bu çalışmada incelenen sistemlerde de sonuç aynı yönde çıkmıştır. 4. Bu çalışmada kaplamaların kalıntı gerilmeleri üzerinde en etkin parametre olarak taban malzeme özellikleri kendini göstermektedir. 5. Her koşul için AISI 304 çeliği üzerine kaplanan kaplamaların kalıntı gerilmesi AISI M4 çeliği üzerine kaplananlarınkinden daha yüksek olmuştur. 6. Kalıntı gerilme değerindeki taban malzemeden kaynaklanan artış lineer bir eğilim göstermemektedir. Kimi kaplamada fazla kimi kaplamada nispeten daha az olsa da Kaplama kalınlığı ve bias voltajı farklılığı da bu artışı etkilemektedir. 7. Kaplama sonrası soğuma evresinde kalıntı gerilme oluşumunda taban malzemekaplama ısıl genleşme katsayılarının etkin bir rol oynadığını görülmektedir. 8. Aynı bias voltajları için kaplama kalınlıklarının artması kalıntı gerilme değerlerinde çok belirgin bir eğilime neden olmamıştır ve kalınlık-kalıntı gerilme ilişkisi taban malzeme-kalıntı gerilme ilişkisi kadar net değildir. 9. Bu çalışmada kullanılan TiN kaplamalar için bias voltajının değişmesi kalıntı gerilme değerlerinde belirgin bir değişime neden olmamıştır [60].
61 Tek silindirli Beta tipi bir Stirling motoru imâl edilmiştir. Motordaki yer değiştirme pistonu termal bariyer kaplama malzemesi olan Zirkonyum Oksit (Zirkonya) ile kaplanmış daha sonra termal bariyer kaplamanın etkileri motor performans testleri ile belirlenerek grafik şeklinde hazırlanmıştır. Motor performans testleri, 800-900-1000 C fırın sıcaklığında yapılmıştır. Çalışma akışkanı helyum gazıdır. Şarj basıncı 3,0 ile 4,0 bar arasında 0,5 bar aralıklarla belirlenmiştir. Kaplamalı piston için maksimum güç, 1000 C de, 3,5 bar basınçta ve 900 1/min motor devrinde 83,12 W ve kaplamasız piston için maksimum güç ise, 1000 C de, 3,5 bar basınçta ve 800 1/min motor devrinde 55,68 W olarak ölçülmüştür. Motor devri ve gücü ısıtıcı sıcaklığına bağlı olarak artmıştır. Isıtıcı sıcaklığı motorun sıcak bölgesinde kullanılan malzemenin dayanım sınırına yakın değer olan 1000 C sıcaklığına kadar yükseltilmiş ve bu sıcaklık değerindeki denemelerde en yüksek motor tork ve güç değerleri elde edilmiştir. Motora şarj basıncı karterden verilmiştir. Daha etkili sızdırmazlık elemanlarının kullanılması ile güç pistonunun üst ve alt bölümleri tam anlamıyla birbirinden ayrıldığında ve şarj basıncı güç pistonunun üzerindeki hacme verildiğinde motor güç ve veriminde artış gözlenebilir. Bütün denemelerden alınan değerlere göre kaplamalı pistonlu güç değerleri kaplamasız pistonlu güç değerlerine göre daha yüksek çıkmaktadır. Kaplama kalınlığı 0,30 mm den daha fazla kalınlığa ulaştırılır ve kaplama yüzeyi daha gözenekli bir yapıya sahip olursa, rejeneratör etkinliği daha da artacak, aynı zamanda yer değiştirme pistonu üzerinde radyasyonla ve mekik ısı transferi ile oluşan ısıl kayıplar daha da azaltılabilecektir [61]. TBK amaçlı olarak kullanılan seramik malzemelerde kusura neden olan mekanizmalar ve iyileştirme yöntemleri üzerinde durulmuştur. İçten yanmalı motorlarda ısıl genleşme uyuşmazlığının önüne geçmek ve oksidasyonu azaltmak maksadıyla çok tabakalı kaplama yapmanın olumlu sonuç verdiği ancak, oksidasyonu azaltmak için NiCrAlY bağlayıcı tabaka üzerine 2-5 µm kalınlığında Al 2 O 3`den bir difüzyon bariyeri oluşturmanın oksidasyon oluşumunu önemli ölçüde azalttığı görülmektedir. TBK`nın uzun süreli dayanımı için porozite, stabilizör oranı ve TBK yoğunluğunun önemli olduğu görülmektedir. Dolayısıyla kaplama yapılacak seramik malzemesinin tipi ve çalışacağı ortama göre bu özelliklerin optimize edilmesi gerektiği görülmektedir. Ancak yapılan çalışmalar içten yanmalı dizel
62 motorları için %6-8 mol Y 2 O 3 -PSZ, teorik TBK yoğunluğunun %90`ının en iyi sonucu verdiği belirtilmektedir [62]. Termal püskürtme, taneciklerin alev içinde pnömatik dağılımı, havada hız kazanarak malzemeyi kaplama yöntemidir. Genellikle bu teknikte kullanılan kaplamalarda kullanılan malzemeler; alaşım çelikler, çinko, alüminyum ve alaşımları, bakır, kalay, kursun, nikel, pirinç, kadmiyum, bizmut, kobalt, krom, tungsten, titanyum, molibden, Ni-Cr, Co-Cr, Ni-Al, Pb-Zn bileşikleri, tungsten karbür, Al 2 O 3, TiO 2 ve sentetik malzemelerdir. Termal püskürtme kaplamaları ana olarak makine parçaları ve çelik yapılar üzerine, atmosfer ve gaz korozyonuna karsı uygulanır [63]. Plazma püskürtme yöntemi kullanılarak dökme demir altlıklar molibden ile kaplanmıştır. Kaplanmış numuneler karakterize edilerek aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir; Kaplamalar genellikle porozite, oksit, ergimemiş, yarı-ergimemiş tanecik ve inklüzyon (metal olmayan kalıntılar) içermektedir. Kaplamaların, lamelli ve iri kolonsal tane yapısında olduğu bulunmuştur. Mo kaplamaların sertlik değerlerinin yapıdaki porozite, oksit, ergimemiş, yarı ergimemiş tanecik ve inklüzyonlara bağlı olduğu, ayrıca sertlik değerlerinin kaplamadan altlığa doğru azaldığı görülmüştür [64]. Küçük tanecikli plazma spreyleri kullanılarak hazırlanmış çok katmanlı kaplamalar arayüzlerin ısıl iletkenlik ve faz stabilitesi üzerine etkileri araştırılmak üzere kullanılmıştır. 200 380 μm kalınlığındaki kaplama yapılmış 0, 3, 20, and 40 arayüzlü monolitik ve çok katmanlı alüminyum ve ytria kismi-stabilize edilmiş zirconia kaplamaları çalışılmada kullanılmıştır. Isıl iletkenlik 25 C ile 1200 C arasında lazer flash metodu ve diferansiyel taramalı kalorimetri yöntemleri kullanılarak saptanmıştır. Çok katmanlı kaplamaların ısıl iletkenlikleri, kaplama yüzeyine dik olan arayüzey direncinin ısıl iletkenlikte göz ardı edilebilecek bir rolü olduğunu gösteren bir seri ısı transfer denkleminde tam olarak modellenmiştir. Kaplamanın mikroyapısından (örneğin kaplamanın kalınlığı) bağımsız olarak, γ -Al 2 O 3 1200 C de 100 saat sonra α-al 2 O 3 e dönüşmüş; metastabil t ZrO 2 1300 C de 100 saat sonra
63 t ZrO 2 ve c ZrO 2 karışımına dönüşmüştür. Bundan dolayı, sonuçlar göstermiştir ki, uzamış sert ısıl işlemlerinden sonra fazların stabilizasyonunda arayüzler fayda sağlamamaktadırlar [65]. Silindirik numuneye plazma sprey metodu ile %8 YSZ kaplamanın ısıl direncini ve ısıl iletkenliğini belirlemek için deney düzeneği kurulmuştur. Kaplanan yüzey yüksek sıcaklığa maruz bırakılıp iç metal yüzeyi ise hava akışı ile asal gaz türbini uygulamalarındaki gibi soğutulmuştur. Silindirik numuneye 1,2 mm kalınlığında termal bariyer kaplama uygulanarak 1000 C de % 28 daha az ısı kaybı olmuştur. Kaplanan numunelerin dış yüzeyinin sıcaklıkları, kaplama kalınlığı arttıkça termal iletkenliği azalmakta ve ısı transferi ise daha yavaş gerçekleşmektedir. Numunelerin dış yüzeyi ve numune içindeki akışkan hava arasındaki ısıl direnç hesaplanmış, ardından kaplamanın ısıl iletkenliği seçilen iki numunenin toplam termik dirençlerinin farkından kaplama kalınlığını değiştirmekle belirlenmiştir [66]. Düşük ısı iletimli kaplamalar (Ağırlıkça %7 yitria stabilize zirkonya (7YSZ)) düşük vakumlu (0.20 Torr) elektron demetli buharlaştırma prosesi (Electron beam evaporation process) ile geliştirilmektedir. Bu çalışmada, buharlaştırılmış %7 YSZ yi alt tabakaya taşımak için helyum jeti kullanılmıştır. Helyum jeti ile kaplama yüzeyinin kesişimi alt katmanla farklı açılar yaparak temas eden pek çok buhar taneciklerinin oluşumuna neden olur. Böylece alt katmandan bağımsız aşırı gözenekli dikey mikro yapı oluşur. Eğer alt katman helyum jeti ekseninde dikey olarak yerleştirilirse kaplama sütunları arasındaki gözeneklilik alt katman yüzeyindekinden daha normal olmuştur. Bu düzeneğin çevre sıcaklığındaki ısı iletim katsayısı 1.9 W/m.K olup konvansiyonel yüksek vakumlu elektron demeti kaplama (high vacuum electron beam coating) ile kıyaslanabilir. Eğer sütün ve gözenekler doğrultuları alt katman eğilerek yönlendirildiğinde ısı iletiminin düştüğü gözlenmiştir. Eğim açısını değiştirerek zig-zag biçimli sütün ve gözenekler oluşturulabilir. Bu teknik kullanılarak termal iletim 0.8 W/m.K değerine düşürülmüştür. Gözlenen ısı iletimi düşüşü zig-zag gözenek mikro yapısından kaynaklanan uzatılmış termal iletim yolu sayesindedir [67].
64 Yazarlar bir hava plazma püskürtmeli %8YSZ (%8 kısmi stabilize zirkonyum) kaplamasının ısıl iletkenliğini 400 K den 800 K e kadar sabit hal tekniği ile ölçmüşlerdir. Ortalama 0.62 W/m.K ısıl iletkenlik değeri %8YSZ kaplaması için bu sıcaklıklar arasında belirlenmiştir. Analiz yapılan bu sıcaklık aralığında sadece küçük bir ısıl bağımlılık gözlenmiştir. 410 paslanmaz çelik aynı sabit hal tekniği kullanılarak ölçülmüştür. 410 paslanmaz çeliğin 400 K de ısıl iletkenliği 20,5 W/m.K dir [68]. Plazma püskürtmeli mullit (2/3 SiO 2.Al 2 O 3 ), SiC/SiC seramik matris kompozitlerini yüksek sıcaklık çevresel etkilerinden korumak için geliştirilmişlerdir. Bu çalışmada, bu kaplama sistemlerinin termal iletkenlik ve termal bariyer fonksiyonları lazer yüksek ısı akış test cihazı ile değerlendirilmiştir. Su buharının kaplamanın termal iletkenlik ve dayanıklılık üzerindeki etkisi dönüşümlü ocak ve lazer yüksek ısı akış test cihazı ile çalışılmıştır. Kaplama türündeki hataların periyoduna lazer yüksek ısı gradyan cihazının etkisi de ayrıca çalışılmıştır [69]. 4.1.2. Kompozit kaplamaların aşınma davranışları Galvanizli çelik üzerine zirkonyum bariyer kaplamanın korozyona etkisi adlı çalışmada, Zirkonya ile kaplanmış galvanizli çelik, asidik ve tuzlu ortamlarda elektrokimyasal korozyon testleriyle incelenmiştir. Su ve %40 alkol bazlı iki çözelti zirkonyum asetil asetonat ile çeşitli spreyleme zamanında 3 ila 5 dakika uygulanarak çelik yüzeyde meydana gelen korozyon incelenmiştir. Kaplamalar elektron mikroskobu, X-Ray foto elektron stetoskobu ve UV spektroskopi ile incelenip sonuçlar zirkonya kaplanmış ve kaplanmamış yüzeyler karşılaştırılarak ele alınmıştır. Asidik ortamda zirkonya kaplama korozyona karşı önemli bir koruma sağlarken tuzlu ortamda kayda değer koruma sağlayamamıştır [70]. Farklı bileşimlerde ve cam yapılı fazlar içeren seramik malzemeler, aşınmanın etkili olduğu uygulamalar için gerekli yüksek sertlik ve korozyon direncine sahiptirler. Bu çalışmada, seramik malzemelerin aşınma davranışı incelenmiştir. Seramik malzemelerin aşınmasını etkileyen parametreler açıklanmış ve seramik malzemelere
65 uygulanan aşınma deneyleri hakkında bilgi verilmiştir. Seramiklerin aşınma davranışlarının belirlenmesinde, oda sıcaklığında ve yüksek sıcaklıklarda uygulanan deney düzenekleri geliştirilmiştir. Seramik malzemelerde aşınmayı etkileyen temel faktörler: sertlik, termal iletkenlik, kırılma tokluğu, korozyon direnci ve porozitedir [71]. Pvd kaplamalı aletler sıklıkla yüksek sıcaklıklarda kullanılırlar. Bununla birlikte bu kaplamaların oda sıcaklığını aşan sıcaklıklardaki sürtünme ve dayanıklılık/aşınma verileri hala eksiktir. Bu eksikliği gidermek için üç kaplama endüstriyel uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Standart müşteri kaplama merkezlerinden alınan TiN, TiCN ve CrN 500 C a kadar karşılaştırmalı olarak ölçülmüştür. Kaplamalar sertleştirilmiş çelik malzemelerde dengelenmemiş magnetron püskürtme veya ark buharlaştırması ile depolanmıştır. Analizler yüksek sıcaklık sürtünme ölçeri ile ölçülmüştür. Değişen mesafelerde sürtünme katsayısının değişimi farklı sıcaklık ve bilyelerin farklı kaplama oranlarında değerlendirilmiştir. 100Cr6 ve Si 3 N 4 seramik bilyeler benzer olarak kullanılmıştır. Kaplamalar optik olarak SEM ile incelenmiştir. Yüksek sıcaklıklardaki yüzey oksitlenmesi ve kaplamanın içi ve dışındaki kimyasal bileşimler de EDX analizi ile ölçülmüştür [72]. Sert nanokristallerin amorf matrisler içerisine yerleştirilmesiyle elde edile kompozit kaplama yapıları sertlik, dayanıklılık, aşınma dayanımı ve çevresel adaptasyon açısından dikkate değer bir gelişim sağlamaktadır. Bu açıdan stabilize zircoyum nanokristalleri (YSZ) amorf YSZ/Au matrisine yerleştirilmiştir. Kaplama, YSZ nin lazer ablasyonlu hibridi ve altının magnetron püskürtmesi ile yapılmıştır. Kaplama kompozisyonu ve mikro yapı 25 ve 500 C ta sürtünme testleri ile korelasyon yapılan bir takım analitik teknikler kullanılarak araştırılmıştır. Sürtünme özelliklerindeki değişiklikleri açıklamak üzere 25 C den 500 C değişen sıcaklıktaki mikro yapısal değişimi elektron mikroskobu kullanılmıştır. YSZ seramik, YSZ/Au kaplaması ile beraber karşılaştırıldığında daha az aşındığı sürtünme katsayılarının 25 C da 1.0 den 0.3 0.4 ve 500 C da 0.2 ye düştüğü görülmüştür. Sürtünme özelliklerindeki iyileşmeler yüksek sıcaklıklarda mikroyapısal adaptasyon değişiklikleri ve yağlanmış altın transfer filmlerinin oluşumuna bağlanmıştır [73].
66 Yüksek sıcaklık yağlamalarında yüzey filminin yenilenmesi için grafit filmler çok yararlı olmaktadır. Bu çalışmada, beş sentetik yağlama maddesi yüksek basınç ve 320 C gibi ekstrem koşullarda grafit filmlerin seramik kaplamalar üzerindeki etkisi değerlendirilmiştir. Katı sıvı kombinasyonlu yağlamalarda Al 2 O 3 -%40ZrO 2 polimer kaplaması oluşmuştur. Kombinasyonlu yağlardan dolayı sürtünme katsayısı kuru sürtünmelerde 0,5 den yaklaşık 0,04 lere kadar düşmüştür. Ana kaplama mekanizması seramik kaplamanın yüksek sıcaklık yağlamasından dolayı karmaşık çatlaklar içermiştir. Çinkodialkaliditiyofosfat (Zincdialkyldithiophosphate, ZDDP), yağların anti kaplama performansında önemli rol oynamaktadır ve ZDDP içeren yağlarla yapılan kaplamalarda ana kaplama maddesi gözlenmiştir [74]. Düşük basınç plazma spey ZrO 2 kaplamasının yağlanmamış sürtünme ve kaplama davranışı, karşıt hareketli standart SRV test sistemi ile sinterlenmiş, Al 2 O 3 küresel seramiklere karşı oda sıcaklığından 800 C a kadar çalışılmıştır. Mikro yapısal incelemeler göstermiştir ki ZrO 2 tanecikleri BSE de (back-scattered electron) az miktarda Al 2 O 3 ve SiO 2 ile farklı gri katmanlı düzgün lamelli yapıda ortaya çıkmıştır. ZrO 2 kaplaması ve sürtünme düşükten yükseğe artarak değişen sıcaklığa kuvvetli bağımlılık göstermişlerdir. ZrO 2 kaplaması oda sıcaklığında ve 200 C da düşük sürtünme göstermiştir. Bununla birlikte sıcaklık 400 C ye ulaştığında sürtünme ve dayanıklılık hızlıca yükselmiş ve belirgin bir gürültü ve sarsıntının sebep olduğu şiddetli yüzey çatlamaları ile birlikte 600 C de maksimuma ulaşmıştır. Yüzeyde meydana gelen kırılmalar ve yorgunluk oda sıcaklığında ZrO 2 taneciklerinin aşınma mekanizması olarak gösterilmiştir. 700 C nin üzerinde, ZrO 2 taneciklerinin aşındırıcı formu yeniden kristalleşerek viskoz deformasyon ve yerel plastik akışı ile baskın mekanizmaya dönüşür [75]. Değişken azot ve asetilen akış hızları ile yapılan TiN, TiC ve Ti(C,N) kaplama proseslerinin sürtünme davranışları incelenmiştir. Alt tabaka olarak titanyum kaplanmış, TiN, TiC veya Ti(C,N) de üst tabaka olarak kaplanmıştır. Katodik ark iyon kaplama prosesi olarak yüzeye tutturulmuşlardır. Sekiz tür seramik kaplamanın kimyasal kompozisyonu dalgaboyu-x-ray dağılım analizine göre belirlenmiştir.
67 Mikrosertlik, kaplama morfolojisi ve tutunma kuvvetine N 2 ve C 2 H 2 gazlarının kütle akış hızları değiştirilerek sürtünme davranışı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Aşındırıcı üç-cisim kaplaması seramik kaplamanın sürtünme ısısı ile henüz yumuşamadığı zamanda görülmüştür. Asetilen gazının kütle akış hızı oranının yükseltilmesi daha çok iyonun titanyum ile reaksiyona girmesi açısından tercih edilir. Böylece C/Ti atomik oranın yükseltilmesi tersine azotun titanyum iyonları ile reaksiyona girmesi açısından bir dezavantaj oluşturmaktadır. Alt türlerin TiN filmi ile kaplama oranları üç çeşidin en düşüğüdür. Buna rağmen sürtünme katsayısı bağıl olarak TiN filme göre yüksektir [76]. Plazma püskürtmeli seramik kaplamaların sürtünme davranışlarını kıyaslamak için sürgülü sarkaç ile dört farklı WC-12%Co, Cr 3 C 2-25%NiCr, Al 2 O 3-20% TiO 2 ve Cr 2 O 3 kaplama bir dizi sürtünme ve aşınma deneylerine tabi tutulmuştur. Her birisi kuru sürtünme altında yüksek ve düşük sıcaklıklarda kendisine karşı ve yüksek sıcaklıkta yağlı koşullarda kıyaslanmıştır. Deneysel sonuçlar iki ana kaplama mekanizması olduğunu göstermektedir. Plastik kaplama (plastic smearing) ve yapışma yırtılması. Plastik kaplama düşük sürtünme katsayısı ve kaplama hızına karşılık gelirken yapışma yırtılması (adhesive tearing) yüksek değerlere karşılık gelmektedir. Yapışma yırtılması, plastik kaplamadan daha fazla kaplamaya sebep olmaktadır. Adhezyon eğilimi kaplama materyalinin özelliklerine bağlıdır. 400 C'de yüzeylerle temas kurması için yağlayıcı madde olarak tüm sentetik yağ, test edilen kaplamalarda çeşitli yağlama etkilerini yağlayıcı madde ve kaplama gözenekliliğiyle malzemeyi kaplamanın uyuşabilirliğine bağlı olarak göstermiştir, WC-%12Co ve Cr 2 O 3 kaplamaları, iki diğer kaplama malzemesinden (Cr 3 C 2-25%NiCr, Al 2 O 3-20%TiO 2 ) daha iyi tribolojik davranış göstermiştir [77]. Güçlendirilmemiş Al-20Si-3Cu-1Mg (ASCM) alüminyum alaşımı ve SiC tanecikleriyle güçlendirilmiş Al-20Si-3Cu-1Mg alüminyum matrisli kompozitler toz metalürjisi metodu ile üretilmiştir. Numuneler 25 175 N yükleri arasında, karşılıklı sürtünmeli deney düzeneğinde 4Cr13 paslanmaz çeliğe karsı ve kayma hızı 0,3 1,2 m/s arasında olmak üzere kaydırılmıştır. Sonuçlar, kompozitlerin kuru kaymada iyi ve sulu kaymada daha az aşınma direncine sahip olduklarını göstermiştir. Kuru
68 kaymada oluklaşma aşınma mekanizması ve sulu aşınmada tribo kimyasal aşınmanın baskın olduğu belirtilmiştir [78]. Patlayıcı tabanca spreyli (W,Ti) CNi ve WC-Co kaplamaların 1044 çelik ve Ti-6A1-4V materyalleri üzerindeki sürtünme ve aşınma davranışları incelenmiştir. Sürtünme analizleri kuru ve yağlı koşullarda kaplama türleri bir blok üzerinde olması ve sertleştirilmiş çeliğin ise halka şeklinde olması sebebiyle blok üzerindeki halka (block-on-ring) testi ile yapılmıştır. Çelik ve titanyum üzerine WC-Co kaplaması kuru (W,Ti) C-Ni kaplamasına göre daha yüksek direnç göstermiştir. Bu kaplamaların titanyum malzeme üzerindeki kaplama direnci çelik malzeme üzerindeki kaplama direncine göre daha yüksek ölçülmüştür. Kaplanmış çeliğin ısıl davranışı kaplama direncini düşürmüş ve kaplanan tabakanın kırılmasıyla sonuçlanmıştır. Kaplanmış yüzeylerin elektron mikroskopu ile taranması ve enerji dağılım X-ray analizi, mikrocilalama, yapışma, delaminasyon çatlama gibi halkadan bloğa madde transferini ortaya çıkarmıştır, bloktan halkaya madde transferi olmamıştır [79]. M1-P ve FFS-Standart olmak üzere iki tip plazma sprey kaplı silindir malzemesinin sürtünme özellikleri test edilmiş ve sonuçlar dökme demir silindirlerle karşılaştırılmıştır. Düşük yüzey pürüzlülüğüne sahip M1-P ve FFS-Standart silindirler düşük sıcaklıklarda hidrodinamik yağlama rejimi gösterirken, dökme demir silindir aynı test koşullarında karma yağlama rejimi göstermiştir. Plazma sprey silindirler dökme demir silindirler gibi kaba yağ tutucu honlanmış yüzeye gereksinim göstermeyerek hidrodinamik yağlama rejiminde çalışmayı kolaylaştırır. Alüminyum motor bloklarında plazma sprey kaplama yöntemi ile maliyetin düşürülmesi, aşınma dayanımının arttırılması, sürtünmenin azaltılması ve dolayısıyla yakıt tüketiminin düşürülmesi mümkün olabilecektir [80]. Bir dizel motorunun silindir yüzeyi CrN ile kaplanarak aşınma davranışı deneysel olarak incelenmiştir. Deneysel çalışma için seçilen tek silindirli direkt püskürtmeli bir dizel motorunun silindir yüzeyi, katodik Ark PVD (Fiziksel Buhar Çöktürme Yöntemi) kullanılarak 1,8 0,2 µm kalınlığında CrN seramik malzeme ile
69 kaplanmıştır. Deneysel çalışmada kullanılan motor önce kaplanmış olarak belirli yük ve devir sayılarında 200 saat test edilerek, performans değerleri alınmıştır. Daha sonra normal motor aynı yük ve devir sayılarında bu motor da 200 saat test edilmiş ve her iki motora ait performans değerleri karşılaştırılmıştır. Silindirin aşınma ve korozyon gibi etkilerini incelemek için kaplanmış ve kaplanmamış parçaların karşılıklı aynı bölgelerinden numuneler alınmıştır. Kaplanmış ve normal yüzeylerdeki mevcut fazları ve bunların kimyasal bileşenlerini analiz etmek için SEM, EDS, X- RAY, yüzey pürüzlülüğü ve mikro sertlik analizleri yapılmıştır. Ayrıca özgül yakıt tüketimi, efektif güç, motor momenti, yağ sıcaklığı, egzoz gazı sıcaklığı, egzoz emisyonlarındaki değişmeler kaplanmış ve normal motor için ölçülmüştür. Yapılan analizler sonucunda, CrN kaplamalı silindirlerde, aşınmanın az ve aşınma çizgilerinin derinliğinin dökme demir silindire göre daha düşük olduğu görülmüştür. CrN kaplamalı silindirin yüzeyinde az da olsa mikro çatlakların olduğu tespit edilmiş, buna kaplama işlemi sırasında gelişen yüksek iç gerilmelerin sebep olduğu sonucuna varılmıştır. CrN kaplanmış yüzeyin aşınma direncinin yüksek, sürtünme katsayısının düşük olması, aşınmayı önemli ölçüde azaltmıştır. Yapılan kaplama işleminde, kaplama kalınlığının düşük olması (1,8 0,2 µm) ısı yalıtımı açısından kayda değer bir fayda getirmediği, bunun sonucu olarak motor performansında önemli bir değişimin olmadığı gözlenmiştir. Seramik kaplanmış motorda egzoz gazı sıcaklığının bir miktar yükseldiği ölçülmüştür. Sıcaklık artışının yanmayı olumlu etkilediği, özellikle CO emisyonunu azalttığı sonucuna varılmıştır [81]. Nanoyapılı ve geleneksel zirkonyum kaplamaları atmosferik plazma spreyi ile yer değiştirilmiştir. Kuru sürtünme şartlarında halka üzerinde blok tekniği ile paslanmaz çeliğe karşı bu iki zirkonyum kaplamaları incelenmiştir. Plazma spreylenmiş nano yapılı zirkonyum kaplamasının geleneksel zirkonyum kaplamalarına karşı daha iyi kaplama rezistansı olduğu görülmüştür. Nanoyapılı zirkonyum kaplamalarının geliştirilmiş kaplama rezistansı materyallerin plastik deformasyon kabiliyetinin geliştirilmesi, mikroyapının optimizasyonu ve mekanik özelliklerin iyileştirilmesi için kullanılabilir. Düşük yük altında (20 N) oluşan kırılgan çatlaklar sebebiyle her iki zirkonya kaplamasında aşınma oluşmuştur. Fakat yüksek yük (80 N) altında nano
70 yapılı zirkonya kaplama da meydana gelen aşınma geleneksel zirkonya kaplamasının aşınması, plastik deformasyon ve kırılgan kırılma bakımından yorumlanırken mikro kırılma ve plastik deformasyon ifadeleriyle tanımlanmıştır [82]. Karbürleme ve borlama işlemi uygulanmış malzemelerin aşınma davranışlarını karşılaştırmış ve borlamanın karbürlemeye göre öncellikle geçiş bölgesi üzerindeki yüklemelerde adhezif aşınma dayanımı açısından çok daha iyi sonuçlar verdiğini ve bu özelliği yüksek sıcaklıklarda dahi muhafaza ettiğini belirlemiştir [83]. Takım çeliklerini plazma aktarımlı ark yöntemi ile borlamışlar ve bu yöntemin aşınma dayanımına etkilerini incelemişlerdir. Sonuç olarak bu yöntemin 1.5 mm kalınlığında ve 1000-1300 HV sertliğinde üniform alaşımlanmış tabakalar oluşturulması için kolay ve etkili bir yöntem olduğunu belirlemişlerdir. Borlanmış tabakaların mikro yapılarına bakıldığında Fe 2 B tabakası, borid ve martenzitin ötektik karışımından oluştuğu gözlenmiştir. Ötektik bölgede bazı çatlaklar görülmesine rağmen bunun kaplamanın adezyon aşınmasına karşı direnci üzerinde çok etkili olmadığını görmüşlerdir. Aşınma testi için kullanılan disk üzerindeki pimin aşınma oranı uygulanan yere bağlı olarak değişmekle beraber kayma hızından hemen hemen bağımsız olduğu görülmüştür. Aşınma oranının 0,13 ila 0,23 arasında değişen sürtünme katsayısına, sürtünme katsayısının da bor ve oksit tabakasına bağlı olduğu görülmüştür [84]. Kobalt eklenmiş tungsten karbür (WC-Co) malzemelere CVD yöntemiyle elmas kaplama işlemine bir ön hazırlık işlemi olarak H 2 -CH 4 gaz karışımını Mikrodalga CVD kullanarak H 2 NH 3 B 2 O 3 plazma oluşturmuşlar ve boronitrürleme işlemi uygulamışlardır. Bu işlem sonucunda; 800 C de 2 saatlik plazma boronitrürleme ile WC-Co malzemede elmas film elde edilmiştir. Bu elmas filmin kalitesinin diğer konvansiyonel yöntemlerle elde edilenlerden daha iyi olduğu görülmüştür. Sinterlenmiş karbürün, H 2 B 2 O 3 ortamına NH 3 ilave edilmesiyle, plazma tarafından oluşturulan olumsuz etkiden korunduğu görülmüştür. Plazma boronitrürleme, kobaltın malzeme yüzeyindeki aktivasyonunu pasifize ettiği, böylece kobaltın
71 malzeme içinde karbon grafitlerinin oluşmasını sağlayan etkisini azalttığı görülmüştür [85]. Karbon ve alaşım çeliklerine değişik bor bileşimi toz karışımlarıyla 887 C'de 6 saat süreyle borlama yapmışlar ve tabaka kalınlığı ile yüzeyde oluşan sertliklerin incelemesini yapmışlardır. Sonuç olarak, bor atomlarının çelik yüzeyine difüzyonu boronflorit ve BF 3 bileşiğinin yardımıyla oluştuğu, bor tabakasına ait tabaka kalınlığı, sertlik, faz kompozisyonu, yüzey temizliği gibi özellikler dikkate alındığında bor oluşturucu aktivatör olarak en iyi kombinasyonun (NH 4 )2O-4BF 3 karışımının olduğu, bu karışımın düşük karbonlu ve düşük alaşımlı çelikler için uygun olduğu görülmüştür [86]. Çelikleri alev spreyle kaplama yapmış ardında da borlama yaparak mekanik özelliklerdeki değişimi incelemişlerdir. Sertlik açısından incelendiğinde Fe esaslı kaplamanın Ni esaslı kaplamaya göre daha yüksek sertliğe ulaştığı görülmüştür. Co esaslı kaplamanın ardından yapılan borlama ile diğer bütün kaplamalara nazaran en yüksek sertlik elde edilmiştir. A3 çeliğinin Fe esaslı toz ile kaplanmasının ardından yapılan borlama sonrasındaki aşınma, Ç 1045 çeliğindeki aşınmadan daha yüksek bulunmuştur. Bunun yanında A3 çeliğinde kaplama ve borlama yaptıktan sonra normalde düşük olan korozyon dayanımının mükemmel seviyeye çıktığı görülmüştür [87]. Araştırmacılar, borlama işlemi üzerine bir araştırma yapmıştır. Borlama işlemi yapılan malzemelerde yüksek sertlik ve çok yüksek aşınma direncine sahip olması ve bu özelliklerini yüksek sıcaklıklarda koruyabilmektedir. Bu gibi nedenlerden dolayı gelişen endüstride önem kazanan bir yüzey sertleştirme işlemi olduğunu ayrıca borlanmış yüzeylerde sürtünme katsayısının da önemli miktarda azaldığını ve makine parçalarındaki aşınma kayıplarının azaltılması çalışmalarında borlama işleminin alternatif bir yöntem olduğunu belirtmektedir [88]. UNS S31603 (304L) ostenitik paslanmaz çelik yüzeyine alevle püskürtme ile çeşitli elementleri ve alaşım bileşiklerini gönderdikten sonra (Co, Ni, Mn, C, Cr, Mo, Si,
72 AlSiFe, Si 3 N 4, NiCrSiB) lazerle ergitme uygulamışlardır. Co, Ni, Mn, C ya da NiCrSiB ile yapılan işlemlerde ostenit fazı içinde karbürler oluşurken, C ve NiCrSiB ile alaşımlandırılmış numunelerde karbür/borürler küçük fazlar seklinde oluşmuştur. Cr ya da Mo ile alaşımlandırılan numunelerde ana faz ferritik olmuştur. Si ya da Si 3 N 4 ile yapılan işlemlerde ise matris Fe 3 Si intermetalik fazından oluşmuştur. AlSiFe de değişen nüfuz miktarına göre ana faz ferrit ya da Fe3Al olmuştur. Korozyon direncinde en önemli etki, Si ve Si 3 N 4 ile sağlanmıştır [89]. 4.1.3. Kaplama metotları Alevle toz püskürtme Mikro - Pülverize toz alaşımları oksijen ile vakum yapılarak Oksi-Asetilen alevi ortasından kaplanacak yüzeye püskürtülür. Kaplama işlemi esnasında parçanın sıcaklığı 200 o C yi geçmeyeceğinden soğuk sistem olarak adlandırılır. Alev sıcaklığı 3300 o C civarındadır. Yapışma mekaniktir. Kaplama kalınlığı püskürtülecek malzemenin ve iş parçasının şekline bağlı olarak 0,05-2,5 mm arasında değişmektedir. Yapışma direnci 600-1000 PSI ve pürüzlülük %10-%20 arasındadır. Şekil 4.1. Alevle toz püskürtme yönteminin şematik gösterimi
73 Kullanılan Başlıca Toz Alaşımları: Paslanmaz Çelikler, Karbon Çelikleri, Nikel- Krom Alaşımları, Bronzlar, Seramikler (Alüminyum Oksit, Krom Oksit, Zirkonyum Oksit vs.) Uygulama Alanları: Rulman Yatakları, Mil Muyluları, Kompresör Pistonları, Kam Milleri, Burç ve Kovalar, Hidrolik Silindir Pistonları. Alevle tel püskürtme Tel haline getirilen ve Ergime sıcaklığı Oksi-Asetilen alevi sıcaklığının altında olan herhangi bir metalin kaplanacak yüzeye püskürtülmesi şeklinde tanımlanabilir. Püskürtülecek metal tel sürücü ile püskürtme tabancasının nozuluna sürülür, tel nozulun içinden geçerken bir oksijen ve yanıcı gaz aleviyle eritilir. Bu erimiş metal yüksek basınçlı hava ile atomize edilerek kaplanacak yüzeye püskürtülür. Şekil 4.2. Alevle tel püskürtme yönteminin şematik gösterimi Kullanılan Başlıca Tel Alaşımları: Molibden, Paslanmaz Çelikler, Karbon Çelikleri, Çinko, Bakır, Alüminyum, Babbitt ve Bronz Alaşımları. Uygulama Alanları: Rulman Yerleri, Hidrolik Piston Milleri, Her türlü Yatak, Şaft ve Millerin Aşınan Yüzeyleri.
74 Elektrik ark püskürtme Tel haline getirilmiş metallerin püskürtülmesi için uygun bir yöntemdir. Püskürtme telleri bir elektrik motoru ile tabancaya sürülür. Pozitif ve negatif kutuplarla yüklenmiş nozullardan geçen teller birbiri ile temas edince bir ark meydana gelir. Bu ark vasıtasıyla eriyen metal basınçlı hava ile daha önce hazırlanmış yüzeye atomize edilerek püskürtülür. Arkın sıcaklığı 4000 C civarındadır. Arklı püskürtmede eritme gücü, akım şiddetine bağlıdır. Bunun sonucu olarak; tanecikler püskürtülen yüzeye daha yassılaşmış bir durumda ulaşırlar ve bazıları birbirine kaynarlar. Arklı püskürtmedeki tabakanın oksit miktarı, alevle püskürtmedekinden daha azdır. Oksit kalıntıları ve gözeneklerin oluşumuna, püskürtme aralığı ve hava basıncı etki eder. Katı veya tüp teller kullanılarak çoğu alaşımların kaplanması mümkündür. Yüksek püskürtme hızlarına çıkılabilir. İki farklı tel kullanılarak kompozit kaplama yapılabilir. Fakat yüksek enerjili prosesteki sistemlere nazaran düşük yoğunluğa sahip bir kaplama yapılması bir dezavantajdır. Şekil 4.3. Elektrik ark püskürtme yönteminin şematik gösterimi
75 Kullanılan Başlıca Tel Alaşımları: Paslanmaz Çelikler, Karbon Çelikleri, Molibden, Bakır, Çinko, Alüminyum, Babbitt ve Bronz Alaşımlarıdır. Uygulama Alanları: Her türlü Yatak, Şaft ve Millerin aşınan yüzeyleri, Rulman Yerleri, Krank Milleri, Debriyaj Baskı Plakaları. Plazma püskürtme Plazma, eşit sayıda serbest elektron ve pozitif iyon bulunduran, genellikle maddenin dördüncü hali olarak adlandırılan yoğunlaştırılmış bir gazdır. Plazmanın başlıca iki önemli avantajı vardır. Birincisi, bilinen bütün malzemeleri eritebilecek derecede yüksek sıcaklık elde etmek mümkündür, ikincisi ise diğer malzemelere daha iyi ısı transferi sağlamasıdır. Plazma sprey tekniğinin yüksek işlem sıcaklığı, ergime noktası yüksek metal ve alaşımlarla çalışmaya imkân sağlamaktadır. Ayrıca, inert ortamlarda kullanılabilmesi yöntemin avantajlarındandır. Toz formunda ve belirli tane boyutlarında üretilen tüm kaplama malzemeleri bu işlemde başarıyla kullanılabilmektedir. Bu proseste bir Tungsten Katod (-) ile bakır nozul (+) arasında oluşan arktan geçen diatomik gazlar ( Argon-Hidrojen karışımı ) iyonize edilmekte ve 15.000 C -25.000 C'ye kadar varabilen plazma sıcaklığında tozlar kaplanacak malzeme üzerine püskürtülmektedir. Alevle püskürtmeye nazaran daha sık dokulu ve ekonomik ömrü uzun olan kaplamalar yapılabilir. Yapışma değerleri 5.000-10.000 PSI arasında değişmektedir. Pürüzlülük %5 veya daha azdır. Plazma sprey yöntemiyle gerçekleştirilen seramik kaplamalar birçok metalden daha iyi aşınma ve erozyon direncine sahiptirler ve dizel motorları da dâhil erozyon ve aşınma dirençli uygulamalarda yaygın olarak kullanılırlar.
76 Şekil 4.4. Plazma sprey tabancasının kesiti ve plazma oluşumu Kullanılan Başlıca Toz Alaşımları: Paslanmaz ve Karbon Çelikleri, Bronzlar, Seramikler (Alüminyum oksit, Zirkonyum oksit, Krom oksit vs.) Karbürler (Tungsten karbür, Krom karbür vs. ) Süper alaşımlar ( Inconel, Triballoy, Hastelloy, MCrAIY ) ve Sermetler. Uygulama Alanları: Yanma Odaları, Türbin Kanatları. Segmanlar, Pistonlar, Turbo Şarj Rotorları, Krank Milleri. Roket Nuzulları. Yüksek hızlı oksi-yakıt püskürtme ( HVOF ) Hiper hızlı HVOF tabancasının yanma odasında yakıt, gaz halinde (Propan, Propilen, MAP ve Hidrojen) Oksijen ile devamlı yanar. Yanıcı gaz basıncı 60-90 PSI arasında değişebilir. Bunun sonucu olarak püskürtme hızı da değişeceğinden kontrollü olarak sık dokulu ve sert kaplamalar yapmak mümkündür. Alev sıcaklığı 2500-3000 C civarındadır. Tanecik hızı 350-1000 m/s. dir. Bu proses ile yapılan kaplamaların yapışma direnci plazma püskürtmeye göre daha yüksektir. Kaplama kalınlığı uygulamaya bağlı olarak 0,05-1,5 mm. arasında değişmektedir.
77 Şekil 4.5. Yüksek hızlı oksi-yakıt püskürtme (HVOF) yönteminin şematik gösterimi Kullanılan Başlıca Toz Alaşımları: Karbürler ( Tungsten karbür, Krom karbür ) Nikel-Krom alaşımları, paslanmaz çelik, Al-Bronz, Süper alaşımlar ( Inconel, Hastelloy C, Triballoy 800, Stellite, MCrAIY ) Uygulama Alanları: Türbin Kanatları, Salmastra Burçları, Piston Rodları, Sürgülü Vanalar, Tel Çekme Makaraları 4.2. Kompozit Malzemeler Fonksiyonel Derecelendirilmiş Malzemeler'de termal gerilmelerle ilgili bilgileri geliştirmek amacıyla "Research on the Basic Technology for the Development of Functionally Gradient Materials for Relaxation of Thermal-Stress" adı altında STA tarafından desteklenen bir proje başlatılmıştır. Bu projenin hedefi; gelecekteki uzay programları için ısıl-kalkanlı yapısal malzeme geliştirmektir. Çeşitli kuruluşlardan, üniversitelerden, enstitülerden ve firmalardan katılan 17 bilim adamı bu konu üzerinde çalışmaya başlamıştır. Projenin henüz başlarında SiC/C, PSZ/SUS 304, Niesaslı alaşım/zro 2, TiB 2 /Cu ve TiC/Ni FDM'leri üretilmiştir. Çalışmalar sonucunda FDM'lerin termal şok, yorulma direnci ve termomekanik özellikleri geliştirilmiş, uzay araçları üzerinde yapılan malzeme testleri ise FDM'lerin süper ısıl direnç malzemesi olarak kullanılabileceğini ortaya çıkarmıştır [90].
78 WC-Co nanokristal kompozitleri, ticari olarak Püskürtmeli Dönüşüm Proses Metodu ile üretilmiştir. Bu metotta, amonyum metatungstat ((NH 4 ) 6 (H 2 W 12 O 40 ) 4 H 2 O) ve CoCl 2 gibi sulu başlangıç malzemesi çözeltisi ile veya kobalt nitratla (Co(NO 3 ) 2 ) başlanır. Çözelti karışımı aerosol olarak dağıtılır ve hızlıca püskürtülerek kurutularak tungsten ve kobaltın kompleks bileşikleri elde edilir. Bu başlangıç malzemesi toz hidrojen ile indirgenir ve akışkan-yatak reaktöründe karbon monoksit ile reaksiyona sokularak nanofazda kobalt/tungsten karbür tozları elde edilir. Tungsten parçacıkları 20-40 nm boyutundadır. Tipik bir toz taneciğinde bir boşluk bulunmaktadır, gözenekli 75 µm küre kobalt matriks içerisinde milyarlarca WC tanelerini içermektedir. Tungstenin tane büyümesini engellemek için VC ve Cr 3 C 2 gibi inhibitörler kullanılmıştır, bunlar sinterleşme esnasında bağlayıcılık görevi görmektedir. Son zamanlarda vanadyum tek basına başlangıç çözeltisinde, toz karışımın daha düzgün dağılımını sağlamak için kullanılmaktadır [91]. Araştırmacılar alüminyum oksit ve silisyum karbür takviyeli alüminyum matrisli kompozit malzemelerin mekaniksel davranışları üzerine incelemelerde bulunmuşlardır. Yapılan çalışmada, alüminyum oksit ve silisyum karbür takviyeli kompozit malzemeler toz metalürjisi yöntemi ile üretilmiş, elde edilen sonuçlar, üretilen kompozit malzemenin elastiklik modülü ve mikro yapısına göre yorumlanmıştır. Deneylere farklı hacimlerde takviye elemanı kullanılarak devam edilmiş ve araştırmada elde edilen sonuçlara göre %5 ve %10 takviye elemanı içeren alüminyum matrisli kompozit malzemenin mekanik özellikleri, %15 ve %20 takviye elemanı içerenlere göre daha üstün olarak belirlenmiştir [92]. B 4 C, SiC ve Al 2 0 3 (Hacimce %0-20) katkı fazı içeren Alüminyum metal matrisli kompozitler incelenmiştir. Tozlar, karıştırılarak dökülmüş ve ardından da sıcak ekstrüzyona tabi tutulmuştur. Al-B 4 C ve Al-Al 2 O 3 iç yüzeylerinde reaksiyon ürünü gözlenmemiştir. Diğer yanda, Al-B 4 C kompozitlerdeki iç yüzeyden uzakta, ikincil faz (Al ve diğer Al içeren fazlar, boron ve karbür) Al matriste bulunmaktadır. Kırılma yüzey analizlerinden, B 4 C katkı fazlı Al kompozitinin diğer iki kompozite nazaran daha iyi iç yüzey bağına sahip olduğu görülmektedir [93].
79 4.3. Alternatif İçten Yanmalı Motorlar 4.3.1. Üçgen rotorlu motor Şekil 4.6. Üçgen rotorlu motor genel görünümü ve çalışma biçimi [94] Dışta sabit durumda bulunan pistonlar, klasik motorlardaki gibi düzgün doğrusal hareket yaparak dört zamanı oluşturmaktadır. Buradaki fark, krank mili kullanılmayıp onun yerine ortada bir rotor kullanılmasıdır (Şekil 4.6). Pistonlar serbest olup rotorla bir bağlantısı yoktur. Üçgensel yapıya sahip olan rotorun ok yönündeki dönme hareketinden pistonların kurs hareketi oluşmaktadır. Sıkıştırılan yakıt-hava karışımının buji tarafından ateşlenmesiyle oluşan basınç, pistonu ters yöne doğru iter ve böylece piston da rotoru ok yönünde döndürmektedir. 5,529,029 numaralı U.S.A. patentine sahip bir Kanada buluşu olan motorun, klasik motorlara göre parça sayısı, kapladığı alan ve bakım masrafı daha az, üretimi ve montajı daha kolay olmaktadır. Bu sistemin temeli iki ana mekanik prensibe dayanır; Takoz ve kaldıraç. Daha yüksek devirlere ulaşılabilmektedir. Kolay ve modüler tasarım, alçak devirlerde yüksek tork çıktısı, hareketli parça sayısının az olması, termik veriminin yüksek olması avantajlarıdır. Kanada nın Toronto kentindeki bir
80 mühendislik firmasının bilgisayar simülasyon programıyla yapıp 1997 yılında Dallas ta International Mechanical Engineering konferansında, sunduğu performans testlerinin sonuçlarına göre genel verimde ortalama %50 lik bir artış görülmüştür. Prototip üzerinde yapılan ölçümlere göre ise bu artış 25% olarak görülmüştür [94]. 4.3.2. Türbin tipi motor Şekil 4.7. Türbin tipi motor [94] 6,164,263 numaralı U.S.A. ve 2,192,714 numaralı Kanada patentine sahip olan buluş, Şekil 4.7 de görüldüğü gibi dört parçadan oluşmuş olan rotor kısmı, oval olarak yapılandırılmış bir kayıt içerisinde dönerken Wankel motoruna benzer şekilde kayıt iç çeperi ile rotor arasında oluşan farklı hacimlerdeki boşluklardan faydalanılarak dört zaman oluşturmaktadır. Wankel motorundan farklı olarak her çevrimde üç değil dört iş zamanı oluşmaktadır. En az %20 enerji tasarrufu sağlanmaktadır. Titreşim ve gürültü değeri düşük olmaktadır. Düşük sıkıştırma oranlarında standart Otto ve Dizel çevrimlerine göre daha iyi çalışmaktadır. QT400 serisi hava soğutmalı küçük bir prototip bu motorların havacılık sanayinde kullanılabilirliğini göstermektedir. Motorun, motor çıkış mili cinsinden her 360 derecede dörtten fazla iş zamanı üretebilmesi için aynı konfigürasyonun tekrar kurulması gereği, hassas imâlat mühendisliği gerektirmesi, yağlama ve sızdırmazlık problemleri görülmektedir. Birçok uygulamaları vardır [94].
81 4.3.3. Dönel gövdeli tip markel motor Şekil 4.8. Dönel gövdeli tip markel motor [94] Şekil 4.8 de gösterilen dönel gövdeli tip markel motor U.S.A. patentine sahiptir. Silindir bloğu içindeki pistonlar yanma sonucu oluşan basınç sayesinde içinde bulunduğu silindir bloğuyla birlikte merkeze kaçık olarak duran çıkış milini döndürmektedir. Krank mili yerine ortada duran ve silindir bloğu ile 1/1 oranında dönen bir mil vardır ve pistonlar bu mile bağlıdır. Her piston için 720 derecede bir iş zamanı oluşmaktadır. Resim 4.1. Dönel gövdeli tip markel motor genel görünümü [94] Geleneksel pistonlu içten yanmalı motorlara göre titreşimi ve parça sayısı daha az, imalat maliyeti daha ucuz bir motordur. Hava soğutmalıdır (Resim 4.1). Mekanik tasarımı basittir. Çevrim verimi %30 daha fazla olmaktadır (Şekil 4.9) [102].
82 Şekil 4.9. Dönel gövdeli tip markel motor güç, verim karşılaştırması [94] 4.3.4. Küre pistonlu motor Şekil 4.10. Küre pistonlu motor çalışma prensibi [94] Şekil 4.10 da görüldüğü gibi piston olarak kullanılan bilyeler, yanma odasındaki basıncın etkisi ile oval biçimindeki kayıta baskı yaparak dönektedir. Böylece içinde bulundukları silindir bloğunu da döndürürler. Her bir bilye için çıkış mili cinsinden 360 derecede bir iş zamanı olur. Verimi yüksek, sürtünme kayıpları azdır. Dezavantajları şöyle sıralanabilir; - Kurs boyu en çok küre yarıçapı kadar olabilir. - Küçük üretimlerde buji ve/veya enjektör, egzoz ve emme kanalı aynı yere sığmaz. - Bilyelerin yüksek miktarda ısı ve basınca maruz kalan kısımları, silindir iç yüzeyi ve küre yolunda sürtünürken yüzeylerde bozulmalar olabilir. Ayrıca piston-silindir arasında sızdırmazlık ve yağlama sorunu ortaya çıkar.
83 Kompresör olarak kullanılırsa bu dezavantajlar görülmez. Şekil 4.11 de görüldüğü gibi prototip üzerinde yapılan ölçümlerde geleneksel motorlara göre birim kurs başına düşen güç miktarı daha yüksektir [94]. Şekil 4.11. Küre pistonlu motorun geleneksel içten yanmalı motorlarla karşılaştırması [94] 4.3.5. Altı stroklu motor Şekil 4.12. Altı stroklu motor görünüşü [94] Şekil 4.12 de görülen motorda karşılıklı olarak çalışan pistonlar 6 strokta 4 zamanı gerçekleştirir. Yukarıdaki piston alttakinin 1/2 si oranında hareket eder. 5,713,314
84 numaralı U.S.A. patentine sahip olan motor, hava soğutmalı olup özellikle motosiklette kullanılmaktadır. Prototip üzerinde yapılan ölçümlerde geleneksel motorlara göre düşük gaz kelebek açıklığında %35, yüksek gaz kelebek açıklığında %13 yakıt ekonomisi belirlenmiştir. Dört stroklu pistonlu motorlara göre yakıt-hava karışımının yanması, portların açık kalma süreleri ve elde edilen basınç için kullanılan birim süre daha uzun olduğundan yanma daha verimlidir. Tork değerleri daha yüksek, emisyon değerleri daha düşüktür (Şekil 4.13) [94]. a) b) Şekil 4.13. Altı stroklu motor grafikleri [94] a) Tork-krank açısı b) Basınç-hacim 4.3.6. Palet kanatlı dönel motor Şekil 4.14. Palet kanatlı dönel motor çalışma prensibi [94]
85 Şekil 4.14 de görüldüğü gibi bu buluşta dört adet palet kullanılmaktadır. Karşılıklı aynı renkteki ikişer palet birbirine bağlı olmak üzere birbirleriyle değişken oranda dönmesi sağlanmıştır. Bu paletlerin arasında yakıt-hava karışımının sıkıştırılıp yakılmasıyla güç üretilmektedir. Şekil 4.14a da 1 ve 3 numaralı palet arasında emme, 3 ve 2 numaralı palet arasında sıkıştırma, 2 ve 4 numaralı palet arasında iş, 4 ve 1 numaralı palet arasında ise egzoz zamanı gerçekleşmektedir. Şekil 4.14b de 2 ve 4 numaralı palet 1 ve 3 numaralı paletten daha az dönmüş olduğundan 2 ve 3 numaralı paletlerin arasına alınmış olan yakıt-hava karışımı sıkıştırılır ve buji ile ateşlenir. Şekil 4.14c de çıkış mili cinsinden toplam 90 derecelik hareket gerçekleşmiş 1 ve 2 numaralı palet için gerçekleşen adımlar 4 ve 3 numaralı paletler için gerçekleşecektir. Her çevrimde palet sayısı kadar iş zamanı üretilmektedir. Geleneksel pistonlu motorlardaki gibi kompresyon segmanları kullanılmamaktadır. Sürtünme kayıplarının azlığı mekanik verimliliğini arttıran bir faktördür. Silindir ile piston arasındaki boşluk toleransı kolaylıkla ayarlanabilmektedir. Otto çevrimindeki gibi piston kütlelerinin doğrusal hareketinden kaynaklanan eylemsizlik kuvvetinin dezavantajı yoktur. Palet grupları birbirleriyle etkileşerek zamanların oluşmasını sağlamaktadır. Ayrıca Stirling motoru olarak da yapılandırılabilir [94]. 4.3.7. Dönel pistonlu motor Şekil 4.15. Dönel pistonlu motor çalışma prensibi [94]
86 Şekil 4.15 de görüldüğü gibi krank milinin kullanıldığı sistemde çevresel olarak yerleştirilmiş dişliler yardımıyla piston-silindir mekanizmasının çıkış mili merkezinde dönmesi sağlanmaktadır. Şekil 4.15a da 1. piston emme, 2. piston ise iş zamanını gerçekleştirmektedir. Şekil 4.15b de 1. piston emme, bitirmiş ve sıkıştırma zamanına başlamıştır. 2. piston ise iş zamanını bitirmiş egzoz zamanına başlamıştır. Şekil 4.15c de 1. piston sıkıştırma zamanını bitirmiş ve iş zamanını gerçekleştirmektedir. 2. piston ise egzoz zamanını bitirmiş emme zamanını gerçekleştirmektedir. Şekil 4.15d de 1. piston iş zamanını bitirmiş ve egzoz zamanına başlamıştır. 2. piston ise emme zamanını bitirmiş sıkıştırma zamanına başlamıştır. Şekil 4.16. Dönel pistonlu motor iç görünümü [94] Her bir piston için motor çıkış mili cinsinden her 360 derecede bir iş zamanı oluşturmaktadır. Sabit durumdaki krank milinin titreşim problemi bir ölçüde aşılmıştır. Yüksek devirli ve küçük motor hacmine sahiptir. Piston çapı kadar olan emme ve egzoz portları sebebiyle volümetrik verim yüksektir. Her piston için ayrı bir krank mili ve dişlisi kullanılma zorunluluğu, silindir üst kısmı ile dairesel kayıt arasındaki sızdırmazlık ve piston sayısının bu konfigürasyonla iki ile sınırlı olması bir sorun olarak göze batmaktadır [94].
87 4.3.8. Salınım kanatlı motor a) b) Şekil 4.17. Salınım kanatlı motor ve pistonlu motorlarla karşılaştırması [94] a) Geleneksel pistonlu motor, b) Salınım kanatlı motor Sri Lanka menşeili ve patent numarası 10353 ve 10905 olan motorda yarım dairesel olarak hareket eden bir rotor piston görevi görmekte ve her iki tarafta da iş zamanı oluşturmaktadır (Şekil 4.17b). Geleneksel pistonlu motorlarda pistonun hareketinin krank miline iletiminde oluşan açısal kayıpların ortadan kaldırılmasına çalışılmıştır (Şekil 4.17a). Elde edilen yarım dairesel hareket motorun arka kısmındaki mekanik dişli düzeneğiyle düzgün dairesel harekete dönüştürülmüştür [94]. Şekil 4.18. Salınım Kanatlı Motor içyapısı [94]
88 Geleneksel içten yanmalı motorlara göre performansı ve verimi yüksek, hafif, ilk çalışması kolay, düşük hızlarda yakıt tasarrufu sağlayabilen, iç direnci ve egzoz emisyon değeri düşüktür. Teorik analize göre aynı silindir hacmindeki klasik pistonlu bir motora göre 1,55 kat da ha yüksek güç üretmektedir. Birçok dişli kullanma zorunluluğu, parça sayısının ve hacminin fazla olması, dezavantajları arasında sayılabilir [94]. 4.3.9. Karşılıklı pistonlu dönel motor Şekil 4.19. Karşılıklı pistonlu dönel motor çalışma prensibi [94] Bu buluşta dört adet kısmi torus biçiminde piston kullanılmaktadır. Karşılıklı ikişer piston birbirine bağlı olmak üzere birbirleriyle değişken oranda dönmesi sağlanmıştır (Şekil 4.19). Pistonların arasında yakıt-hava karışımının sıkıştırılıp yakılmasıyla güç ve hareket iletimi sağlanır. Geleneksel motorlara göre daha küçük, kullanımı kolay, titreşimi azdır. Her çevrimde piston sayısı kadar iş zamanı üretilmektedir. Sürtünme kayıplarının azlığı mekanik verimliliğini arttırmaktadır. Otto çevrimindeki gibi pistonların doğrusal hareketinden kaynaklanan eylemsizlik kuvvetinin dezavantajı yoktur. Şekil 4.19a da 1. ve 3. pistonlar sıkıştırma, 2. ve 4. pistonlar egzoz, Şekil 4.19b de 1. ve 3. pistonlar iş, 2. ve 4. pistonlar emme, Şekil 4.19c de 1. ve 3. pistonlar egzoz, 2. ve 4. pistonlar sıkıştırma, Şekil 4.20d de 1. ve 3. pistonlar emme, 2. ve 4. pistonlar iş,
89 Şekil 4.19e de 1. ve 3. pistonlar sıkıştırma, 2. ve 4. pistonlar egzoz zamanını gerçekleşmektedir. Yatakla pistonlar arasındaki tolerans hassasiyeti, üretim güçlüğü, yağlama ve sızdırmazlık çözülmesi gereken sorunlardır [94]. Resim 4.2. Karşılıklı pistonlu dönel motor prototipi [94] 4.3.10. Eliptik motor Nadir AKSOY tarafından geliştirilen Eliptik Motor, silindirlerin içinde bulunan pistonların eliptik biçimdeki kayıtın iç kısmındaki hareketleri ile yanma odası oluşturması ve burada sıkıştırılan yakıt-hava karışımının yakılması ile ortaya çıkan basınç sayesinde pistonların silindirlerin içinden çıkarken silindir bloğunu döndürmeleri esasına dayanır (Şekil 4.20).
90 Şekil 4.20. Eliptik motor ön kesit görünüşü [94] Şekil 4.20 de görüldüğü gibi oluşan basınç, dönüş süreci içinde kayıtın eksenine değişken açılarda etki ettiğinden, pistonlara bağlı olan bilyeler döner. Böylece silindir bloğu da kendi ekseni etrafında döner. Geleneksel pistonlu içten yanmalı motorlara göre avantajları: - Krank mili ve dişlisi, kam mili ve dişilisi, manifoldlar, supaplar ve diğer doğrusal hareket elemanları, soğutma suyu ile ilgili parçalar olmadığından sürtünme kayıpları, titreşim miktarı ve imâlat masrafı daha düşüktür. - İki zamanlı motorlar gibi her piston silindir bloğu cinsinden 360 derecede de bir patlama yaptığından güç ağırlığı iki kat daha yüksektir. Fakat zamanlar birbirinden bağımsız oldu(undan özgül yakıt tüketimi daha düşüktür. - Geleneksel pistonlu motorlarda tutuşma gecikmesi göz önüne alınarak ateşleme veya püskürtme işlemi piston üst ölü noktaya gelmeden belirli bir süre önce gerçekleştirilir. Bu durumda piston üst ölü noktaya gelmeden belirli bir miktar alt ölü
91 noktaya doğru itilmiş olur. Bu da motorda iş kaybına neden olur. Eliptik motorda ise zamanların süresi ve pistonun alt ölü nokta ve üst ölü noktadaki konumları ayarlanabilir. Böylece pistonun yanma süresince üst ölü noktada sabit kalması sağlanabilir. Motor çalışma rejimi değiştiğinde, motorun ihtiyaç duyduğu gücü karşılayabilmek için silindir içine alınacak hava veya yakıt-hava miktarı, kurs hacmi, yanma odası hacmi, sıkıştırma oranı, hava/yakıt oranı, emme ve egzoz kanalı açılma avansı ve kapanma gecikmesi ve açılıp kapanma miktarları püskürtme avansı veya ateşleme avansı değiştirilebildiğinden tam yanma için en iyi ortam sağlanabilir. Böylece: Özgül yakıt tüketimi ve emisyon değerleri daha düşük termik verim ve volümetrik verim daha yüksektir [94]. 4.3.11. İçten yanmalı döngüsel motorlar ve performans geliştirme çalışmaları Günümüze kadar birçok içten yanmalı döngüsel motor çalışması yapılmıştır. 1971 yılında Petty nin tasarladığı içten yanmalı döngüsel motorda, gövde merkezinden kaçık bir mil üzerine yerleştirilmiş pistonlar görülmektedir. Bu pistonların silindir içerisindeki hareketi gövde ekseninden kaçık olan mil ile olmaktadır.
92 Şekil 4.21. Petty nin pistonlu içten yanmalı döngüsel motor tasarımı [95] Şekil 4.21 de gösterildiği gibi yakıt-hava karışımı 98 numara ile gösterilen yerden gelerek 97 numara ile gösterilen enjektör sayesinde 15 numara ile gösterilen yanma odasına püskürtüldükten sonra 14 numara ile gösterilen buji ile ateşlenir. Sırası gelen piston üst konuma geldiğinde ateşleme olur ve yanmanın etkisiyle piston aşağıya doğru hareket etmek ister. Pistonun aşağıya doğru hareketi pistonun bağlantılı olduğu merkez mile bağlı olduğundan dolayı mil dönmeye başlar ve piston aşağıya hareket ederken, pistonun üst tarafında kalan hacmi artmaya başlar. Hacmin en büyük olduğu yerde 39 numara ile gösterilen yerden yanmış ürünler dışarıya doğru atılır. Bu işlem sırası gelen piston için sürekli devam eder. 70 numara ile gösterilen ağırlıklar motor devrine bağlı olarak atalet kuvvetlerinin etkisiyle
93 konumlanarak yanma oluşurken pistonun üzerinde kalan hacmin büyüklüğünü değiştirir. Motor hızı yükseldikçe ağırlıklar pistondan uzaklaşır ve bu sayede pistonun üzerindeki hacim artar [95]. Şekil 4.22. Petty motorunun pistonu ve atalet ağırlıkları [95] Şekil 4.22 de 70 ile gösterilen ağırlıklar sayesinde pistonun üst noktaya yaklaşması ve bunun sonucunda üst kısımda kalan hacmin değişmesi sağlanmış olur. Düşük hızda pistonun üst yüzeyi ile gövde arasında hiç boşluk kalmazken piston hızının artmasıyla birlikte pistonun gövde ile yaptığı hacim de artmış olur. 70 numara ile gösterilen ağırlıklar üzerinde bulunan 91 numaralı çıkıntılar, piston üzerinde bulunan 80 numara ile gösterilen halka sayesinde piston hareketine müdahale etmiş olur [95]. Hogguer in tasarlamış olduğu içten yanmalı motorda gövdeye konumlandırılmış palet grubu görülmektedir (Şekil 4.23).
94 Şekil 4.23. Hogguer in içten yanmalı döngüsel motor tasarımı [96] Şekil 4.23 de gösterildiği gibi ortada ana mil üzerindeki 66 numara ile gösterilen asimetrik döner piston ve 90 derece açı ile yerleştirilmiş 16 numara ile gösterilen paletler sayesinde aynı zamanda farklı şartlar altında bulunan hacimler elde edilmiştir. 53 numara ile gösterilen parçalar emme egzoz valfleridir. Bu valfler sırası geldikçe belirli bir senkronizasyon içerisinde açılıp kapanarak motor hacmine yeterli yakıt-hava karışımını doldurur. 20 numara ile gösterilen buji sayesinde içeriye alınan karışım tutuşturulur ve yanma işlemi sonrasında yanmış ürünler 53 numaralı valflerden dışarıya atılır [96].
95 Craft ın 1972 yılında yaptığı patentli çalışmasında ana mil ortasından hava geçecek şekilde döner valf mantığı ile tasarlamıştır. Tasarımında ik adet yanma odası vardır ve yakıt yanma odasına enjektörle püskürtülmektedir yanan gaz yine başka bir kanal vasıtasıyla yanma odasından dışarıya atılmaktadır. Yanma odasının diğer çevrime hazırlanması için hem soğutma hem de yanma odasında kalan yanmış gazların temizlenmesi için farklı bir düşünceyi yine bu tasarımda görülmektedir (Şekil 4.24). Şekil 4.24. Craf ın tasarımında kullandığı döngüsel valfli mil [97] Şekil 4.24 de görüldüğü gibi iç içe iki mil vardır. Bu millerden biri hareket iletimini sağlarken diğeri gövdeye sabitlenmiştir ve boru biçimindedir. 41 numara ile gösterilen küçük mil sadece havanın yanma odasına geçişini sağlamaktadır. Küçük mil üzerinden gelen hava ana mil üzerindeki kanalla karşılaştığında yanma odasına 50 numara ile gösterilen delikten içeriye alınır [97].
96 Şekil 4.25. Craft ın döngüsel motor tasarımı [97] Hava alma işlemi bitmesinin ardından Şekil 4.25 de 44 numara ile gösterilen yanma odasının mil üzerindeki bölümü, milin dönme hareketiyle birlikte 36 numara ile gösterilen yanma odasının gövde üzerindeki yeri ile birleşerek yanma odasını oluşturur. Bu arada 37 numara ile gösterilen enjektörden yanma odasına yakıt püskürtülür. Yakıtın alınmasının ardından 35 numara ile gösterilen buji sayesinde yanma olayı başlatılmış olur. Yanma olayı sırasında oluşan basınç artışı neticesinde mil hareket eder ve mil üzerindeki mil üzerinde bulunan yanma odası bölümü içerisindeki gaz 33 numaralı kanaldan dışarıya atılır. Tasarımda iki yanma odası bulunmaktadır. Milin her bir dönüşünde sabit hacimde iki yanma olayı medana gelmektedir. Bu arada 36 numaralı yerde kalan yanmış ürünlerin dışarıya atılması ve yanma odasının soğutulması için yanma odasıyla arasında 90 derece faz farkı olan 43 numara ile gösterilen soğutma hacmi bulunmaktadır. Bu hacme 69 numaralı yerden hava girişi ve 70 numaralı yerden hava çıkışı sağlanır. Yanma olayı sonrasında böylelikle hem gövde üzerinde bulunan yanma odası bölümünü temizlemiş hem de yanma odasında oluşan fazla ısının atmosfere verilmesi sağlanmış olur [97].
97 Knee nin yaptığı tasarımda ana mil üzerinden bir dişli sistemle hareket alan mil merkezinden kaçık olarak yerleştirilmiş eliptik rotor kısmı, emme ve egzoz valflerini yönetmek için bir kam mekanizması görülmektedir. Mil ile eliptik rotor arasındaki dişli bağlantı nedeniyle mil rotordan iki kat daha hızlı hareket etmektedir. Valflerin bağlı olduğu kam mili ile ana mil arasında dört kat hız farkı oluşturacak şekilde redüksiyon dişlileri mevcuttur. İçten yanmalı bu tasarımda sadece bir adet buji vardır (Şekil 4.26). Eliptik rotor geometrisinden dolayı rotorun her devrinde iki kez ateşleme meydana gelmektedir. Buji ile ateşlemeli olarak tasarlanan motor, sıkıştırma ateşlemeli motor olarak da düzenlenebilir [98]. Şekil 4.26. John Knee nin eliptik rotorlu motor tasarımı [98] Şekil 4.26 da 20 numara ile gösterilen hilal şeklindeki parçalar gövde iç yüzeyinde süpürme hareketi yapmaktadır. 19 numaralı eliptik rotorun geometrik yapısından dolayı oluşan eksikliği 20 numaralı parçalar gidermektedir. Motorun ilk hareketinden sonra 17 numaralı kam mekanizmasıyla bağlantılı olan 14 numaralı valfin açılmasıyla 12 numaralı kanaldan gelen yakıt-hava karışımı iç hacme alınır ve rotorun dönüş hareketiyle içeriye alınan karışım sıkıştırılır ve 11 numaralı buji
98 ile ateşlenir. Yanmış egzoz gazları 14 numaralı valf yardımıyla 13 numaralı kanaldan dışarıya atılır. Rotorun içyapısında bir dişli mekanizması bulunmaktadır. Rotorun hareketi dişliler yardımıyla 5 numaralı ana mile ulaştırılır. 17 numaralı kam mekanizması 5 numaralı mil ile ayrı bir mekanizma ile ilişkilendirilmiştir [98]. Knee nin tasarımında dişli ve yay kullanılan düzenekler ön plandadır. Kullanılan bu mekanizmalar nedeniyle tasarım çok karmaşık bir hal almıştır. Ayrıca rotorun eliptik geometrisi ve bu eliptik tasarımın üzerinde bulunan küçük parçalar üretim maliyetini de arttırmaktadır. Ancak gelişen teknoloji sayesinde tasarım üzerinde çeşitli değişiklikler yapılarak daha basit bir hale getirilebilir. Scott un tasarımı, silindirik rotorun üzerinde altı adet palet gövde üzerinde kanallar içerisinde hareket edecek şekilde düzenlenmiştir. Böylelikle paletler hem rotor üzerindeki kanallarda rotorla birlikte hareket ederken hem de yay gibi parçaların kullanımından da uzaklaşılmıştır. Emme ve egzoz kanaları yan yana konumlandırılmıştır. Yanma sonrası ısınan rotorun soğutulması için mil üzerine küçük kanallar açılmıştır (Şekil 4.27). Tasarımda dikkat çeken bir başka nokta, iki buji kullanılmasıdır. Motorun devrine bağlı olarak bujiler, ya aynı zamanda ya da bir tanesi gecikmeli olarak ateşleme sağlar. Bu durum yanma prosesinin daha verimli gerçekleşmesini sağlamaktadır. Ayrıca statorun farklı geometrisi sayesinde yanma sonrası gazın genleşmesi için uygun ortam oluşturulmuştur [99].
99 Şekil 4.27. Wilbert Scott un gövdeden paletli içten yanmalı motor tasarımı [99] Şekil 4.27 de numara ile gösterilen yer yakıt hava karışımının motora alındığı kanal ve 25 numaralı yer yanmış egzoz gazlarının dışarı atıldığı kanaldır. Bu kanallar 26 numara ile gösterilen kanalla birbirlerinden ayrılmışlardır. Paletler rotorun hareketiyle birlikte gövdenin her iki tarafında bulunan 15 numaralı kanallar üzerinde hareket etmektedir. 24 numaralı kanaldan alınan yakıt hava karışımı 28a hacmine ulaştığında bujiler karışımı tutuşturur ve yanmış gazlar 25 numaralı kanaldan dışarıya atılır. 48 numaralı yerden geçen hava 50 numaralı kanallardan yanma sonrası sıcaklığı artmış iki palet arasındaki hacme dolarak ısınmış bölgeyi soğutur [99].
100 Eells in döngüsel içten yanmalı motor tasarımı farklı geometrisiyle dikkat çekmektedir (Şekil 4.28). Şekil 4.28. Thomas Eells in iki parçalı rotora sahip döngüsel motor tasarımı [100] Şekil 4.28 de gösterilen 35 numaralı giriş kanalından geçen yakıt hava karışımı 56 numaralı hacmi doldurur. Ana mil üzerine direkt olarak bağlantılı olan 24 numaralı rotor dönerken 20 numaralı mil ekseninden kaçık olarak yerleştirilmiş rotoru da döndürür. 56 numaralı hacim 44 ve 46 numara ile gösterilen bujiler ile karşılaştığında iyice küçülmüş olur ve sıkışan yakıt hava karışımı bujiler sayesinde ateşlenir. Yanmış gazlar 37 numaralı kanaldan dışarıya atılır [100].
101 5. MATERYAL VE METOT Giriş bölümünde de belirtildiği gibi çalışmamın amacı, klasik malzemelerle (dökme demir, çelik) düşük toleranslı (±10 µm) çalıştırılamayan yeni tasarım turbo döngüsel motor türbinine ait palet mekanizmasının, kompozit malzemelerle basınç kaçaklarını en aza indirebilecek düşük toleranslarla imâl edilip çalıştırılması ve performansının iyileştirilmesidir. Palet (AISI M2) Hazne (GGG 70) Palet Kanalı Resim 5.1. Turbo döngüsel motor türbini Yanma ile oluşan basıncın Şekil 5.1 de gösterilen palet ve hazne kanalı arasından kolayca kaçamaması için turbo döngüsel motor türbinine ait palet ve hazne kanalı arasındaki çalışma boşluğu 10µm olacak biçimde tasarlanmıştır. Turbo döngüsel motor türbinine ait hazne kanalı içerisinde çalışan palet, motor çalıştırıldığında sıcaklığın etkisi ile genleşip palet kanalına sıkışıp motorun durmasına sebep olmaktadır. AISI M2 çeliğinden imâl edilen palet, ancak palet kanalı ve palet arasındaki boşluk 50µm olduğu durumda çalışabilmiştir. Bu durumda ise basınç kaçaklarının belirgin miktarda olduğu gözlenmiştir. Belirlenen amaç doğrultusunda öncelikle plazma sprey yöntemi ile termal bariyer kaplama yapılmasına karar verilmiştir. Böylece döngüsel motor türbin hazne ve palet malzemelerinin ısıl
102 iletkenlikleri düşürülüp genleşme miktarları azaltılarak, türbin palet mekanizmasını düşük çalışma boşluklarında (<10µm) çalıştırabilmek ve basınç kayıplarının azaltılmasından dolayı elde edilen motor gücünün yükseltilebilmesini sağlamak amaçlanmıştır. 5.1. Turbo Döngüsel Motor Palet ve Palet Kanalına Termal Bariyer Kaplama Uygulaması 5.1.1. Kısmi stabilize zirkonyum oksit kaplama ve ısı iletim katsayısı ölçümü Bu çalışmada GGG 70 (küresel grafitli dökme demir) malzeme üzerine çeşitli kalınlıklarda NiCrAlY (nikel-krom-alüminyum-yitriyum) bağ tabakası ile ağırlıkça %8 Y 2 O 3 ile kısmen stabilize edilmiş kübik ZrO 2 plazma sprey yöntemi ile kaplanarak, ısı iletim katsayıları hesaplanmış ve turbo döngüsel motor türbini palet mekanizması için optimum termal bariyer kaplama kalınlığı belirlenmeye çalışılmıştır. Yapılan termal bariyer kaplama, malzemenin ısı yalıtım özelliğini geliştirerek kullanılacak sistemdeki ısı kayıplarını azaltmak ve sistemin daha yüksek sıcaklıklarda çalışmasına imkân vererek termik verimini arttırmak amacı ile uygulanmıştır. Bununla birlikte seramik kaplamaların genel özelliği olan oksidasyon ve sürtünme aşınmasına karşı gösterdiği direnç göz önüne alındığında bu kaplamanın uygulanacağı turbo döngüsel motor türbini palet mekanizmasının termal veriminin yanında ayrıca mekanik veriminin de iyileştirilmesi hedeflenmektedir. Deneyler için çeşitli kaplama kalınlıklarında numuneler hazırlanmıştır.
103 a) b) Resim 5.2. Plazma sprey yöntemi ile kaplama a) Kaplama şekli, b) kaplanmış numuneler 25 10 Sıcak Kaynak 6 15 3 Ø1,5 Soğuk Kaynak Numune Parça 25 25 Şekil 5.1. Numune bağlama aparatı Numune parçalar Şekil 5.1 de gösterilen aparat yardımı ile sabitlenip deney düzeneğinde ısı dağılımları K tipi termokupl yardımıyla ölçülmüş ve sıcaklıkların gerilim (mv) biriminden değerleri bulunmuştur. Bulunan gerilim değerlerinin sıcaklık birimine dönüştürülmesi K tipi termokupl dönüşüm tablosu yardımıyla yapılmıştır. Soğuk kaynak olarak kullanılan suyun sıcaklığı K tipi termokupl ile
104 hassas ölçülemediğinden dijital multimetre ile yapılmıştır. Deneyde her bir numune ısıl kararlılığa ulaşıncaya kadar beklenip ölçüm noktalarındaki sıcaklıklar belirlenmiştir. Belirlenen sıcaklık değerleri her bir numune için 4 er kez tekrarlanıp doğrulanmıştır. Referans alınan GGG70 küresel grafitli dökme demir malzemeden hazırlanan numunenin ısı iletim katsayısı Eş. 5.1 ile hesaplanmıştır..a. T Q (5.1) L : Isı iletim katsayısı (W/m.K) A : Numune kesit alanı (A=10 4 m 2 ) L : Isı geçiş kalınlığı (m) T : Numune yüzeyi ve ölçüm noktası arasındaki sıcaklık farkı (K) Q * : Birim zamanda transfer edilen enerji miktarı (W) (Sistemde 12V, 60Ah akü kullanıldığından Q =720 W kabul edilmiştir.) * Deney düzeneğinde bulunan Sıcak Kaynak olarak tarif edilen kısımda Dizel motor kızdırma bujisi kullanılmıştır. Kızdırma bujisinin yalıtılamamasından dolayı meydana gelen kayıp enerji hesaplamalarda ihmal edilmiştir. Soğuk Kaynak olarak tarif edilen kısımda ise su kullanılmıştır. Çizelge 5.1. GGG 70 malzemenin ölçüm noktalarındaki sıcaklık değerleri ÖLÇÜM NOKTASI GERİLİM (mv) SICAKLIK ( C) SICAK KAYNAK 33,00 793 NUMUNE 3,15 77 SOĞUK KAYNAK 40 L = 3 mm = 30,17 W/m.K
105 Isı iletim katsayısı hesaplanan ve üzerine çeşitli kalınlıklarda kaplamalar yapılan GGG 70 malzeme ile karşılaştırmak amacıyla ısı dağılımı ölçülen kaplanmış numunelerin ısı iletim katsayıları aşağıdaki gibi hesaplanmıştır. A indisi ile gösterilen kısım kaplama malzemesini, B indisi ile gösterilen kısım GGG 70 malzemeyi temsil etmektedir. Kızdırma Bujisi A = NiCrAlY+ZrO 2 Y 2 O 3 B = GGG 70 Şekil 5.2. Numune katman kalınlıkları ve ölçüm noktaları Hesaplamalar Eş. 5.2 yardımıyla yapılmıştır. ΔT Q (5.2) LA L B λ A λ A A B A,B : Isı iletim katsayıları (W/m.K) A : Numune kesit alanı (A=10 4 m 2 ) L A,B : Isı geçiş kalınlıkları (m) Çizelge 5.2. 100 m NiCrAlY bağ tabaka üzerine 200 m ZrO 2 Y 2 O 3 kaplamanın ölçüm noktalarındaki sıcaklık değerleri ÖLÇÜM NOKTASI GERİLİM (mv) SICAKLIK ( C) SICAK KAYNAK 33,00 793 NUMUNE 2,90 71 SOĞUK KAYNAK 40
106 L A = 300 m L B = 2,7 mm A = 27,81 W/m.K Çizelge 5.3. 100 m NiCrAlY bağ tabaka üzerine 250 m ZrO 2 Y 2 O 3 kaplamanın ölçüm noktalarındaki sıcaklık değerleri ÖLÇÜM NOKTASI GERİLİM (mv) SICAKLIK ( C) SICAK KAYNAK 33,10 796 NUMUNE 2,88 71 SOĞUK KAYNAK 41 L A = 350 m L B = 2,65 mm A = 27,21 W/m.K Çizelge 5.4. 100 m NiCrAlY bağ tabaka üzerine 300 m ZrO 2 Y 2 O 3 kaplamanın ölçüm noktalarındaki sıcaklık değerleri ÖLÇÜM NOKTASI GERİLİM (mv) SICAKLIK ( C) SICAK KAYNAK 33,05 795 NUMUNE 2,74 67 SOĞUK KAYNAK 41 L A = 400 m L B = 2,6 mm A = 26,79 W/m.K
107 Çizelge 5.5. 100 m NiCrAlY bağ tabaka üzerine 800 m ZrO 2 Y 2 O 3 kaplamanın ölçüm noktalarındaki sıcaklık değerleri ÖLÇÜM NOKTASI GERİLİM (mv) SICAKLIK ( C) SICAK KAYNAK 33,50 805 NUMUNE 2,20 54 SOĞUK KAYNAK 41 L A = 900 m L B = 2,1 mm A = 25,93 W/m.K Çizelge 5.6. 150 m NiCrAlY bağ tabaka üzerine 200 m ZrO 2 Y 2 O 3 kaplamanın ölçüm noktalarındaki sıcaklık değerleri ÖLÇÜM NOKTASI GERİLİM (mv) SICAKLIK ( C) SICAK KAYNAK 33,00 793 NUMUNE 2,78 68 SOĞUK KAYNAK 42 L A = 350 m L B = 2,6 mm A = 27,56 W/m.K Çizelge 5.7. 150 m NiCrAlY bağ tabaka üzerine 250 m ZrO 2 Y 2 O 3 kaplamanın ölçüm noktalarındaki sıcaklık değerleri ÖLÇÜM NOKTASI GERİLİM (mv) SICAKLIK ( C) SICAK KAYNAK 32,80 788 NUMUNE 2,60 64 SOĞUK KAYNAK 42 L A = 400 m L B = 2,65 mm A = 27,51 W/m.K
108 Çizelge 5.8. 150 m NiCrAlY bağ tabaka üzerine 300 m ZrO 2 Y 2 O 3 kaplamanın ölçüm noktalarındaki sıcaklık değerleri ÖLÇÜM NOKTASI GERİLİM (mv) SICAKLIK ( C) SICAK KAYNAK 33,20 798 NUMUNE 2,74 67 SOĞUK KAYNAK 42 L A = 450 m L B = 2,55 mm A = 26,46 W/m.K Resim 5.3. Deney düzeneği Çeşitli kalınlıklarda kaplanmış numunelerin hesaplanan ısı iletim katsayıları karşılaştırması aşağıdaki gibidir;
109 I SI İ L E T İ M K A T SA Y I S I (W / m K ) 31 30 29 28 27 26 25 24 23 3 0,17 27,8 1 27,2 1 26,79 25,93 27,56 2 7,5 1 2 6,4 6 GGG 70 100µm NiCrAlY 200µm ZrO2 Y2O3 100µm NiCrAlY 250µm ZrO2 Y2O3 100µm NiCrAlY 300µm ZrO2 Y2O3 100µm NiCrAlY 800µm ZrO2 Y2O3 150µm NiCrAlY 200µm ZrO2 Y2O3 150µm NiCrAlY 250µm ZrO2 Y2O3 150µm NiCrAlY 300µm ZrO2 Y2O3 Şekil 5.3. Numunelerin ısı iletim katsayılarının karşılaştırması Kaplama kalınlığı arttıkça ısı iletim katsayısının referans olarak alınan GGG 70 (küresel grafitli dökme demir) malzemeye göre belli oranda azalmıştır. Hazırlanan numuneler arasında en kalın kaplamaya (100 m NiCrAlY + 800 m ZrO 2 Y 2 O 3 ) sahip olan numunenin kaplanmamış malzemeye (GGG 70) göre ısı iletim katsayısının %14 oranında düştüğü tespit edilmiştir. Ayrıca kaplamalarda GGG 70 malzeme ile ZrO 2 Y 2 O 3 malzeme arasında bağ tabaka görevi yapan 100 m ve 150 m kalınlığında uygulanan NiCrAlY tabaka kalınlığının ısı iletim katsayısına etkisi kurulan deney düzeneğinde net olarak belirlenememiştir. Stabilize zirkonyum kaplamanın ısı iletim katsayısında belirgin azalma sağladığı yapılan deneylerle görülmüş olmasına rağmen turbo döngüsel motor türbin palet mekanizmasında, hazne kanalının plazma sprey yöntemiyle yüzeylerde homojen kalınlıkta kaplama yapabilmek için çok dar (4,24 mm) olmasından dolayı uygulama imkânı bulunamamıştır. Çalışmamın bundan sonraki aşamasında plazma sprey kaplama metoduyla stabilize zirkonyum oksit kaplama yönteminden vazgeçilip, döngüsel motor türbin palet mekanizmasının çalışma boşluğunu azaltabilmek amacıyla kompozit malzemelerden faydalanmaya karar verilmiştir.
110 5.2. Turbo Döngüsel Motor (TDM) Palet ve Palet Kanalına Kompozit Malzeme Uygulamaları Turbo döngüsel motor türbin palet mekanizması için kompozit malzeme uygulamalarını gerçekleştirmek amacıyla türbin haznesindeki palet kanalına tel erozyon yöntemi ile açılan yuvalar Resim 5.4 de gösterilmiştir. Resim 5.4. Turbo döngüsel motor türbini palet kanalına açılan montaj yuvası. Resim 5.4 de gösterilen yuvalar ve palet için aşağıda belirtilen kompozit malzemeler, Şekil 5.4 de verilen ölçülerde üretilip turbo döngüsel motor türbinine palet ve plakalar arasındaki çalışma boşluğu 10 µm olacak şekilde monte edilmiştir. Ayrıca palet ölçüsünün hazne genişliğinden 10 µm daha küçük olmasına, paletin çalışırken türbin kapaklarına temas etmemesi için özellikle dikkat edilmiştir. Palet ve plakaların imâlatı esnasında yüzeylerin birbirleriyle olan paralellik ve dikliklerine dikkat edilmiştir.
111 Turbo döngüsel motor türbin palet mekanizmasına uygulanan kompozit malzemeler; 1. Bor Karbür (B 4 C) 2. Turngsten Karbür-Kobalt (WC %94-Co%6) Alaşımı 3. Alümina (Al 2 O 3 ) Şekil 5.4. Montaj yuvası ölçüleri ile birlikte imâl edilen palet ve plaka ölçüleri 5.2.1. TDM palet ve hazne kanalına bor karbür (B 4 C) uygulaması B 4 C plakalar aşağıdaki resimde gösterilen hazne kanalına tel erozyon yöntemi ile yuvalar açılarak yerleştirilmiştir.
112 Palet Plakalar Resim 5.5. Montajı yapılmış B 4 C palet ve plakalar B 4 C palet ve plakalar aralarında 10 µm boşluk olacak şekilde montajı yapılış ve çalıştırılmıştır. Ancak çalışma esnasında oluşan patlama etkisi ile oluşan basınç dalgasına B 4 C palet dayanamayıp aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi kırılmıştır. Basınç dalgası yönü Paletin hareket doğrultusu Resim 5.6. B 4 C Palet ve plakaların deformasyon sonucu görüntüsü
113 B 4 C Palet ve plakaların deformasyonu ile ilgili tespitler sonucu kırılma tokluğu daha yüksek fakat ısıl genleşme ısıl iletkenliği ve sertlik değerleri bor karbür değerlerine metallerden daha yakın malzemeler araştırılmaya başlanmıştır. 5.2.2. TDM palet ve hazne kanalına alümina (Al 2 O 3 ) uygulaması Turbo döngüsel motor türbini için alümina palet ve plakaları imâl edebilmek amacıyla Resim 5.7 de gösterilen kalıplar imal edilmiş ve bu kalıplar yardımı ile alümina parçalar alümina tozundan pres yöntemi ile imâl edilebilmiştir. a b c d Resim 5.7. Alümina parçaların üretimi için kullanılan DIN 1,2379 çeliğinden imâl edilen erkek ( a) palet, b) plaka ) ve dişi ( c) palet, d) plaka ) kalıplar
114 Pres yöntemiyle şekillendirilen alümina parçalar 1550 C de sinterlenerek üretilmiştir. Üretilen alümina parçalar c-bn diskler yardımı ile taşlanarak Şekil 5.4 de gösterilen ölçülerde işlenmiştir. Yanma Odası Resim 5.8. Montajı yapılmış alümina palet ve plakalar Turbo döngüsel motor çalıştırıldıktan sonra montajı yapılan alümina parçaların çalışma esnasında oluşan basınç dalgalarına karşı dayanıklı olduğu anlaşılmıştır.
115 Yanma Odası Tarafı Resim 5.9. Türbin testlerinden sonra monte edilmiş alümina palet ve plakaların durumu Resim 5.10. Türbin testlerinden sonra alümina palet ve plakaların durumu
116 Resim 5.9 ve Resim 5.10 da görüldüğü gibi çalışma esnasında oluşan yanmanın etkisiyle türbin testleri sonrasında özellikle yanma odası tarafında alümina palet ve plakalarda kararma olduğu, ancak herhangi bir aşınma olmadığı gözlenmiştir. 5.2.3. TDM palet ve hazne kanalına tungsten karbür/kobalt (WC %94-Co%6) Uygulaması Turbo döngüsel motor türbini için tungsten karbür-kobalt (WC-Co) alaşımından imâl edilen palet ve plakalar tel erozyon yöntemi ile Şekil 5.4 de gösterilen ölçülerde işlenmiş ve Şekil 5.11 de gösterildiği gibi palet ve plakalar arasında 10 µm boşluk olmasına dikkat edilerek montajı yapılmıştır. Resim 5.11. Tungsten karbür-kobalt (WC-Co) alaşımından imâl edilen palet ve plakalar Tungsten karbür-kobalt (WC-Co) alaşımından imâl edilen palet ve plakaların turbo döngüsel motor türbinine montajı yapıldıktan sonra motor çeşitli hızlarda ve hava
117 debilerinde çalıştırılarak gücü ölçülmüş, çalışma sonucunda palet ve plakalarda herhangi bir deformasyon tespit edilmemiştir. 5.3. TDM Palet ve Hazne Kanalında Kullanılan Kompozit Malzemelerin Yüzey Pürüzlülükleri, Sürtünme Katsayıları ve Aşınma Miktarları Deneyler Mitutoyo marka Surftest 211 model profilometre cihazıyla yapılmıştır. Her bir numune 3 defa ölçülerek değerlerin aritmetik ortalaması alınmıştır. Çizelge 5.9. Numunelerin ölçülen pürüzlülük değerleri Ölçülen Değer B 4 C Al 2 O 3 WC-Co AISI M2 GGG70 Ra (μm) Ortalama Pürüzlülük 0,157 0,52 0,083 0,103 0,71 Rz (μm) On nokta yükseklik ort. 1,367 2,867 0,533 0,86 4,63 Resim 5.12. Mitutoyo Surftest 211 model profilometre
118 Deneyler abrazif aşınma deney yöntemi olan pin on disc yöntemi kullanılarak 3000 saniye süreyle devam ettirilmiştir. Deneylerde aşındırıcı disk olarak SAE 52100 soğuk iş takım çeliği kullanılmıştır. Aşındırıcı disk sabit olarak 1m/s hızda hareket ettirilip, deney numunesine 20 N luk kuvvet etki ettirilerek disk üzerine iletilen kuvvet ölçülmüş ve sürtünme katsayısı hesaplaması µ = F/N eşitliğine göre yapılmıştır. µ : Sürtünme katsayısı F : Ölçülen kuvvet (N) N : Uygulanan kuvvet ( 20 N ) Şekil 5.5. Pin on disc Yöntemi ile aşınma ve sürtünme katsayısı deney düzeneği
119 a Numune Disk b Resim 5.13. Pin on disc Yöntemi ile aşınma deney düzeneği, a) Genel görünüm, b) Ölçüm yapılan numune ve aşındırıcı disk
120 Çizelge 5.10. Numunelerin zamana bağlı sürtünme katsayısı ölçümleri Zaman (s) WC-Co Al 2 O 3 B 4 C AISI M2 GGG 70 50 0,23205 0,40735 0,3891 0,23655 0,2428 100 0,1922 0,45835 0,3543 0,32265 0,2698 200 0,19985 0,4688 0,37935 0,35785 0,31795 300 0,22185 0,4653 0,40085 0,353 0,36835 400 0,26625 0,4582 0,45395 0,28455 0,38705 500 0,29615 0,4535 0,42385 0,25055 0,40315 600 0,31335 0,44785 0,42505 0,25985 0,40665 700 0,34195 0,44815 0,4245 0,2753 0,4113 800 0,37905 0,44105 0,42355 0,302 0,41725 900 0,41245 0,42995 0,43975 0,28055 0,4141 1000 0,4389 0,4287 0,44655 0,2872 0,4233 1100 0,45675 0,42955 0,44345 0,29055 0,4393 1200 0,4937 0,42125 0,44655 0,31825 0,4294 1300 0,5131 0,4194 0,4515 0,34055 0,41185 1400 0,52495 0,41595 0,4478 0,35635 0,44855 1500 0,5357 0,40975 0,44355 0,3615 0,46095 1600 0,53175 0,4078 0,44195 0,3813 0,45035 1700 0,54445 0,4057 0,4424 0,40335 0,46015 1800 0,53535 0,39205 0,4462 0,41065 0,4749 1900 0,5416 0,3861 0,4413 0,41325 0,46715 2000 0,55375 0,38535 0,43645 0,40815 0,5022 2100 0,56535 0,3858 0,4344 0,4034 0,4928 2200 0,5762 0,38205 0,4321 0,43305 0,49255 2300 0,56915 0,3818 0,43515 0,44515 0,4974 2400 0,57945 0,3791 0,4357 0,4471 0,4912 2500 0,58185 0,3799 0,4411 0,4457 0,5046 2600 0,58355 0,3786 0,4427 0,4421 0,49695 2700 0,5775 0,3807 0,4439 0,43185 0,5043 2800 0,58955 0,3791 0,44985 0,42345 0,49295 2900 0,58445 0,3766 0,4559 0,41045 0,49135 3000 0,5836 0,37475 0,46025 0,40875 0,48225
121 Şekil 5.6. Numunelerin zamana bağlı sürtünme katsayıları grafiği Çizelge 5.11. Deney numunelerinin aşınma miktarları Aşınma Miktarı (mg) B 4 C Al 2 O 3 WC-Co GGG 70 AISI M2 4,5 6,4 5,1 21,4 11,2
122 5.4. Kompozit Malzemelerle Çalıştırılan TDM Türbin Performans Deneyleri Resim 5.14. Turbo döngüsel motor deney düzeneği
Resim 5.15. Turbo döngüsel motor 123