Basınç destekli yanma sentezi ile üretilen Ni-AI intermetalik malzemelere kobalt ilavesinin etkisinin incelenmesi

Abstract

ÖZET: Yanma Sentezi, İntermetalik Malzemeler, Reaktif Sinterleme, Nikel Aluminid, NiAl, Ni3Al, CoAl, Sertlik, Aşınma, Oksidasyon. Ni-Al sisteminde Ni3Al ve NiAl gibi intermetalik bileşikler düşük yoğunluk, yüksek ergime noktası, mükemmel oksidasyon direnci ve sıcaklıkla artan akma gerilimi gibi özellikleri ile nikel-esaslı süper alaşımların yerini alabilecek yüksek sıcaklık malzemesi olarak umut vaat etmektedir. Toz metalürjisine alternatif bir yaklaşım olan Yanma Sentezi (Combustion Synthesis), toz reaksiyonu ve ekzotermik reaksiyon ısısı kullanılarak inorganik bileşik malzemelerin üretiminde kullanılan yeni bir teknolojidir. Bu yöntem ile intermetalik, kompozit, seramik ve fonksiyonel değişken malzemeler, elementel tozlardan son şekle yakın toleranslarda üretilebilmektedir. Yanma sentez prosesleri, kısa reaksiyon süreleri, yüksek ısınma hızları ve yüksek sıcaklıkla karakterize edilmektedir. Bu özellikler, geleneksel seramik üretim prosesleri ile karşılaştırıldığında daha düşük maliyetle, teknolojik anlamda malzeme üretimi için yanma sentezini oldukça cazip hale getirmektedir. Bu çalışmada Ni-Al toz karışımı 1050°C'de 150 MPa basınç altında 60 dak. tutularak NiAl, Nİ3AI ve NİAI+Nİ3AI intermetalik malzemeler üretilmiş ve alaşım elementi olarak ağırlıkça %2.5 ve 5 oranında ilave edilen kobalt'ın üretilen malzemelerin özelliklerine etkisi incelenmiştir. Malzeme üretiminde kullanılan toz bileşimlerin DSC (Differential Scanning Calorimeter) analizleri ile ekzotermik sıcaklıklar belirlenmiştir. Basınç destekli yanma sentezi ile üretilen numunelerin faz analizleri optik, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve x-ışınları difraksiyon analizi yardımıyla incelenmiştir. Bununla birlikte üretilen malzemelerin yoğunluk, sertlik, aşınma ve oksidasyon özellikleri belirlenmiştir. Ayrıca alaşım elementi olarak ilave edilen kobaltın malzeme üzerindeki etkisi bu analizler vasıtasıyla incelenmiştir. Metalografik incelemelerde, uygulanan basıncın etkisi ile ortalama %98 yoğunlukta, porozite içeriği oldukça düşük ve Ni-Al faz diyagramında istenen bileşime uygun ince taneli malzemeler üretildiği görülmüştür. Üretilen intermetalik bileşiklerin SEM incelemelerinden lamelii yapıda olduğu ve bu yapıyı, ilave edilen kobalt'ın daha da belirginleştirdiği tespit edilmiştir. Numunelerin XRD patemlerinde NiAl ve NiAl+Ni3AFa ilave edilen kobaltın CoAl fazını, Nİ3AI malzemesinde ise AI14C03Nİ3 fazını oluşturduğu görülmüştür. Aşınma sırasında uygulanan yük artışıyla birlikte NiAl ve NİAI+Nİ3AI intermetalik malzemelerinde sürtünme katsayısı değerlerinde düşme eğilimi, Nİ3AI intermetaliğinde ise artma eğilimi görülmüştür. Üretilen intermetalik malzemelere alaşım elementi olarak ilave edilen kobalt, NiAl'da aşınma hızının düşmesine Ni3Al malzemesinde ise artışa neden olmuştur. îlave edilen kobaltın, iki fazlı malzemenin aşınma hızına genel olarak önemli bir etkisi olmamıştır. Sonuç olarak üretilen malzemeler içinde aşınma direnci en yüksek malzeme, kobalt ilaveli NiAl olarak bulunmuştur. Malzemelerin oksidasyonu sırasında NiAl malzemesinde ağırlık artışında parabolik değişim gözlenirken kobalt ilave edilmiş numunelerde böyle bir eğilim gözlenmemiş ve bu malzemelerin parabolik hız sabitleri daha düşük bulunmuştur. Ancak, özellikle % 0 ve 5 kobalt ilaveli numuneler için birbirine benzer aktivasyon enerji değerleri bulunmuştur. NİAI+Nİ3AI ve Ni3Al esaslı malzemelerin ağırlık artışlarında parabolik değişim gözlenmiştir. İlave edilen kobalt, NiAl+Ni3Al malzemesinin aktivasyon enerji değerini arttırmış ancak Ni3APda önemli bir etkisi görülmemiştir. Bu malzemelerin XRD patemlerinde NiAl'da sadece AI2O3 oluşumu gözlenirken diğer malzemelerde ise A1203 ile birlikte NiO tespit edilmiştir.

THE INVESTIGATION OF THE EFFECT OF COBALT ADDITION TO Ni-Al INTERMETALLIC MATERIALS PRODUCED BY PRESSURE ASSISTED COMBUSTION SYNTHESIS SUMMARY Keywords: Combustion Synthesis, Intermetallic Compounds, Reactive Sintering, Nickel Aluminides, NiAl, Nİ3AI, CoAl, Hardness, Wear, Oxidation Intermetallic compounds in the Ni-Al system such as a Nİ3AI and NiAl are promising potential high temperature materials which may take the place of conventional nickel-base superalloys. Three-nickel aluminide Nİ3AI demonstrates extraordinary properties, such as a high melting point, positive dependence of strength on temperature, good resistance to creep and oxidation, and relatively low density. On the other hand, mono-nickel aluminide NiAl receives much attention due to its higher melting point, lower density, and better oxidation resistance than Nİ3AI. The excellent properties of these nickel aluminides make them attractive for aerospace and structural applications at elevated temperatures. However, the most significant disadvantage of these nickel aluminides is the brittleness at room temperature. They are limited by their lack of tensile ductility at room temperature (NiAl), high temperature embrittlement (Nİ3AI), and poor creep resistance at elevated temperatures (NiAl). Several researchers have begun to consider dual phase nickel aluminides as alternatives to monolithic nickel aluminides. The two phase Nİ3AI/NİAI materials exhibit a synergistic effect on the properties of each of the monolithic nickel aluminides. There are several routes for producing nickel aluminides, such as casting, rapid solidification, mechanical alloying or powder processing. An alternative powder metallurgy approach is combustion synthesis. This technique concerned with the ignition of a composed powder mixture in air or inert atmosphere, producing a chemical reaction, with a sufficient heat released (exothermic reaction) that it becomes self sustaining. There are two basic modes of combustion reaction differing by ignition conditions. In the propagating reaction mode, the powder reactants are ignited locally at one end of the sample using an external source of heat and the combustion wave propagates through the reactant pellet converting it into products. In the thermal explosion or volume combustion synthesis mode, the powder reactants XVI