Ecas yöntemiyle üretilmiş Ti-AI esaslı intermetalik kompozit malzemelerin geliştirilmesi

Abstract

Bu tez çalışmasında, intermetalik (Ti-Al sistemi) fazın yüksek mukavemet ve katılığı, metalik fazın yüksek tokluğu, seramik malzemelerin sertliği gibi iyi ve faydalı özelliklerini kombine edecek şekilde, metalik-intermetalik, metalik-intermetalik-seramik kompozit üretimi hedeflenmiştir. Bu malzeme kombinasyonunu biraraya getirirken Ti-Al faz diyagramına göre hesaplanan sitokiometrik oran değiştirilerek intermetalik (gevrek) TiAl3 fazının yanı sıra, yapıda metalik (sünek) Ti fazının da kalması sağlanmıştır. Geleneksel yöntemlerin aksine bu çalışmada "Elektrik Akım Destekli Sinterleme (ECAS)" tekniği kullanılmıştır. Kısa sürede, zamandan ve enerjiden tasarruf sağlayarak intermetalik üretimine imkan sağlayan bu yöntemde sırasıyla 1000, 1500 ve 2000 Amper akım uygulaması denenmiştir. En az porozite ile üretim hedeflerinin elde edildiği 2000 amper optimum üretim paremetresi olarak belirlenmiştir. Direnç temelli sinterleme uygulamasında; 1,5-2 volt aralığında voltaj uygulanmış, sinterleme işlemi 90 saniye gibi kısa bir sürede tamamlanmıştır. Çalışmada, Ti-Al intermetalik ailesi içinde, düşük yoğunluğu (3,3 g/cm3), yüksek elastik modülü (216 GPa) ve yüksek oksidasyon direnci gibi (1000ºC) özellikleri ile dikkat çeken TiAl3 fazı üretimi hedeflenmiştir. Bu fazın denge diagramına göre sitokiometrik oranını bir miktar sünek faz yapıda kalacak şekilde değiştirerek Ti-TiAl3 in-situ kompoziti elde edilmiştir. Bu malzeme grubuna %5-10 Nb, %2,5-5 B, %5-10 TiB2 hazır ticari tozu takviye edilmiştir. Daha sonra bu takviyeler biraraya getirerek farklı kombinasyonlar ile potansiyel intermetalik mazlemeler üretilmiştir. Ti-Al başlangıç tozlarından hareketle üretilen kompozitlere alternatif olarak hazır ticari TiAl3 tozu ile numune üretimi denenmiş ancak fırın atmosferinde kuvvetli oksitlenme problemi ile numunelerin sağlıklı üretilemediği sonucuna varılmıştır. Metalografik incelemelerde, oldukça yoğun, homojen dağılmış mikro-yapılar gözlenmiş, SEM-EDS analizi ile fazların ağırlıkça yüzdeleri tespit edilmiştir. Bu yöntemde düşük atom numarasına sahip metallerin analizinde kısıtlama olmasına rağmen, X-ray analizleri özellikle B takviyesi ile elde edilen TiB fazının detekte edilmesinde önem taşımıştır. Numunelerin kısa sürede sinterlenmesi sayesinde oksit oluşumu engellenmiş olup, üretilen numunelerin yoğunluk, sertlik, kırılma tokluğu, elastik modül (nano indentasyon), oksidasyon özellikleri bu tez çalışmasında incelenmiştir. Sinterlenen numunelerin yoğunlukları artan takviye elementi yüzdesi ile kısmen azalmıştır. Kırılma tokluğunda 1,6 MPa.m1/2 değerinden ağ.%10 Nb takviyesi ile 5,23 MPa.m1/2 değerine artış sağlanmıştır. Sertlik değerleri için ise en yüksek artış ağ.%5 B takviyesi ile elde edilmiş olup 965 HV'dir. Bunun yanı sıra fazların elastik modül değerleri literatür ile uyumlu olarak sırasıyla Ti, Nb, TiB, TiAl3 için: 100, 190, 107, 350 GPa olarak tespit edilmiştir. Nb, B ve TiB2 takviyesi intermetalik esaslı kompozit malzemede oksidasyon direncinde artış sağlamış, ağ.%5 TiB2 takviyesi, katkısız intermetalik esaslı malzemeye kıyasla aktivasyon enerjisini 70,76 kj/mol'den 129,98 kj/mol değerine yükseltmiştir.

In this thesis, it is aimed to produce metallic-intermetallic, metallic-intermetallic-ceramic composites to achieve the synergic effects of combining the high strength and stiffness of intermetallic (Ti-Al) materials, high toughness of metallic material and hardness properties of the ceramics. Contrary to conventional techniques, recently developed electric current activated/assisted sintering (ECAS) technique has been used in this study. This technique enables the cold-formed compact obtained from uni-axial compression to be inserted into a container which is heated by passing electric current for a short time. Direct current resistive sintering technique has been applied to the Ti-Al powder mixture. Using the calculated stoichiometric ratio according to Ti-Al phase diagram, not only intermetallic (brittle) TiAl3 phase, but also metallic (ductile) phase was obtained in the final composite sample. The formation of intermetallics was investigated 2000 A and a voltage range of 1,5-2 V was applied for 90 s holding time. TiAl3 was selected among the Ti-Al system owing to its excellent properties i.e, low density (3,3 g/cm3), high elastic modulus (216 GPa) and superior oxidation resistance at elevated temperatures (value of oxidation at 1000 ºC). Firstly, using Ti and Al starting elementel powders, Ti-TiAl3 in situ composite was obtained then some of the elements in various weight percentages such as; %5-10 Nb, %2,5-5 B, %5-10 TiB2 were added for improving the properties of potential intermetallic materials. Alternatively commercial TiAl3 powders were used to compare the results but they were not of sufficient quality because of oxidation problem in the open air furnace conditions. In metallographic observations, quite dense, homogenously distributed microstructures have been observed, and weight percentages of the phases were detected via SEM-EDS analyses. This type of analyses has a limitation for detecting B elements because of its low atomic number. From this aspect, XRD analysis is important to identify the constituent phases like (TiB). Density, hardness, fracture toughness, elastic modulus (Nano indentation) and oxidation properties of the potential intermetallic composites have been investigated. It is clear from the results that; the density of sintered samples were slightly decreased with the raising percentage of element. For the fracture toughness values it has been gained from 1,6 to ile 5,23 MPa.1/2 increment with wt.%10 Nb reinforcement. The maximum hardeness value has been obtained with wt.%5B as 965 HV. The elastic modulus of samples have been measured via nano indentation test such as; 100, 190, 107, 350 GPa for Ti, Nb, TiB, TiAl3 phases, respectively. Nb, B and TiB2 additions have been provided improvement for oxidation resistance, besides this activation energy value have been increased to 129,98 from 70,76 kj/mol. with wt.%5 TiB2 reinforcement.