Cocrfenial0,6 bileşimine değişen oranda b4c ilavesinin mikroyapı-mekanik ve termal özellikler üzerine etkisinin araştırılması
Effect of varying b4c content on the microstructure, mechanical, and thermal properties of cocrfenial0.6 highentropy alloy
- Tez No: 1017125
- Danışmanlar: PROF. DR. GÜLTEKİN GÖLLER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
- Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Yüksek entropili alaşımlar (YEA), %5-35 atomik orana sahip en az 5 farklı elementin, eş molar veya eş molara yakın oranlarda bir araya gelerek oluşturduğu çok bileşenli katı çözelti sistemleridir. Bu alaşımlar, sahip oldukları dört temel etki (yüksek entropi, kafes distorsiyonu, sınırlı (sluggish) difüzyon ve kokteyl etkisi) sayesinde üstün özellikler sergilemektedir. YEA'ların yüksek mekanik dayanım, yüksek sıcaklık kararlılığı, oksidasyon direnci gibi gelişmiş özelliklere sahiptirler. Bu üstün özellikler sayesinde YEA'lar; türbin kanatları, jet motorları, kesici takımlar, kaplamalar, nükleer reaktörler, boru sistemleri, implant malzemeleri gibi geniş uygulama alanına sahiptir. Yüksek entropili alaşım sistemleri arasında CoCrFeNi temelli alaşımlar, literatürde en yaygın çalışılan alaşım sistemlerinden biridir. Bu alaşımlar, sahip oldukları yüzey merkezli kübik (YMK) kristal yapı sayesinde süneklik-mukavemet dengesini kurmaları nedeniyle dikkat çekmektedir. Sisteme beşinci element olarak çeşitli alaşım elementleri ilave edilebilmesine karşın özellikle alüminyum (Al) ilavesi ön plana çıkmaktadır. CoCrFeNiAl sistemi, Al ilavesine bağlı olarak hacim merkezli kübik (HMK) fazın stabil olmasını teşvik ederek çift fazlı bir mikroyapı sergilemektedir. Yapıda YMK ve HMK fazlarının birlikte bulunması, süneklik ve mukavemet özelliklerinin birlikte iyileştirilmesine katkı sağlamakta ve alaşımın genel performansını artırmaktadır. Ancak, CoCrFeNiAl temelli yüksek entropili alaşımlar, özellikle yüksek sıcaklık uygulamalarında oksidasyon ve aşınma direnci açısından geliştirilmesi gereken yönlere sahiptir. Bu doğrultuda, literatürde YEA sistemlerini iyileştirmek amacıyla çeşitli seramik takviyeler kullanılmaktadır. Bilinen en sert üçüncü malzeme olan bor karbür (B4C), yüksek aşınma direnci, düşük yoğunluğu, kimyasal kararlılığı gibi özellikleri sebebiyle YEA sistemlerinde takviye fazı olarak öne çıkmaktadır. B4C ilavesinin, katı çözelti mukavemetlenmesi, tane incelmesi ve ikinci faz oluşumu gibi mekanizmalarla mekanik özellikleri ve aşınma direncini iyileştirdiği bilinmektedir. Bununla birlikte, yüksek sıcaklıkta oksidasyon davranışı üzerindeki etkileri henüz tam olarak netlik kazanmamıştır. Ayrıca, üretim parametreleri YEA'ların mikroyapı–özellik ilişkisi üzerinde belirleyici bir rol oynamaktadır. Katı hâl proseslerinden mekanik alaşımlama sonrası uygulanan spark plazma sinterleme (SPS) yöntemi, hızlı üretim, yüksek yoğunluk ve homojen mikroyapı elde edilebilmesi gibi önemli avantajlar sunmaktadır. Özellikle sinterleme süresi; difüzyon mekanizmalarını, faz oluşumunu ve tane büyümesini etkileyerek malzemenin mekanik ve kimyasal performansını doğrudan etkilemektedir. Literatürde, SPS yöntemi ile üretilmiş CoCrFeNiAl sisteminde, B4C takviyesi ve sinterleme süresinin mikroyapı, aşınma ve oksidasyon davranışı üzerindeki rolü yeterince kapsamlı olarak incelenmemiştir. Bu çalışmada, B4C takviyesinin ve sinterleme süresinin CoCrFeNiAl0,6 yüksek entropili alaşımı üzerindeki faz oluşumu, mikroyapı gelişimi, mekanik özellikler ile aşınma ve oksidasyon davranışları üzerindeki etkileri sistematik olarak incelenmiştir. Bu kapsamda daha önceki çalışmalardan mekanik alaşımlanmış olarak elde edilen CoCrFeNiAl0,6 tozları, hacimce %2 ve %4 B4C ile karıştırılmış ve 5 ile 6 dakika sinterleme sürelerinde, 100 ℃/dk ısıtma hızında, 40 MPa basınç altında ve 1000 ℃ sıcaklıkta spark plazma sinterleme (SPS) yöntemi ile üretilmiştir. Elde edilen numuneler; faz analizleri için X-ışını difraktometresine, yoğunluk tayini için Arşimet prensibine, mekanik özellikler için Vickers sertlik, oda sıcaklığı ve 600 ℃ yüksek sıcaklık aşınma testine ve oksidasyon davranışı için TG/DTA ile 1000 ℃'de fırın oksidasyon teslerine tabi tutulmuştur. Elde edilen sonuçlar doğrultusunda, CoCrFeNiAl0,6 yüksek entropili alaşım sisteminin literatürle uyumlu şekilde hem YMK hem de HMK fazlarını bir arada gösterdiği tespit edilmiştir. B4C ilavesindeki artışın, yapıda heterojen çekirdeklenme bölgeleri oluşturarak Cr segregasyonunu artırdığı; ek olarak X-ışını difraktometresinde gözlemlenen pik kaymalarının B ve C elementlerinin kristal kafes içerisinde çözünmesine bağlı olduğu ve bunun sonucunda kafes distorsiyonunun arttığı değerlendirilmiştir. TG/DTA analizleri, takviye malzemesinin oksidasyon başlangıç sıcaklığını, yüksek sıcaklıklara ötelemesine karşın kütle artışına sebep olduğunu göstermiştir. B4C ilavesinin; tane incelmesi, kafes distorsiyonuna bağlı dislokasyon hareketinin kısıtlanması ve sert ikinci fazların oluşumu gibi mekanizmalarla numunelerin sertliğini artırdığı belirlenmiştir. Sertlikteki bu artışa paralel olarak, artan B4C miktarı ile hem oda sıcaklığında hem de yüksek sıcaklıkta aşınma direncinde sırasıyla %87,3 ve %73,1 oranlarında iyileşme sağlanmış ve en iyi performansın %4 B4C içeren numuneye ait olduğu tespit edilmiştir. Aynı kompozisyonda artan sinterleme süresinin, takviye malzemesinin sağladığı iyileşmeyi sınırlandırdığı ve bu durumun tane büyümesi ile mikroyapıda faz genişlemesine bağlı olduğu değerlendirilmektedir. Yüksek sıcaklık oksidasyon sonuçları, B4C ilavesinin yüzeyde sürekli ve koruyucu oksit tabakası oluşumunu engelleyerek oksidasyon hızında ciddi artışa sebep olduğunu göstermektedir. Bu durumun, yüksek sıcaklıkta B4C'nin oksidasyonu sonucu oluşan B2O3 fazı ile birlikte CO/CO2 gaz çıkışına bağlı olarak gelişen gözenekli ve süreksiz oksit tabakasından kaynaklandığı sonucuna ulaşılmıştır. Bu tez çalışması MYL-2025-47749 numaralı İTÜ BAP Lisansüstü Tez projesi kapsamında İstanbul Teknik Üniversitesi BAP birimi tarafından desteklenmiştir.
Özet (Çeviri)
High-entropy alloys (HEAs) are multicomponent solid-solution systems formed by combining at least five different elements, each present in atomic fractions of 5–35% in equal or nearly equal molar ratios. These alloys exhibit superior properties due to four fundamental effects: high entropy, lattice distortion, sluggish diffusion, and the cocktail effect. These mechanisms enable HEAs to exhibit advanced properties such as high mechanical strength, high-temperature stability and oxidation resistance. Thanks to these superior properties, HEAs have a wide range of applications, including turbine blades, jet engines, cutting tools, coatings, nuclear reactors, piping systems and implant materials. Among high-entropy alloy systems, CoCrFeNi-based alloys are one of the most commonly studied alloy systems in the literature. These alloys are notable for their ability to achieve a balance between ductility and strength, thanks to their face-centred cubic (FCC) crystal structure. Although various alloying elements can be added to the system as a fifth element, the addition of aluminium (Al) is particularly prominent. The CoCrFeNiAl system exhibits a two-phase microstructure by promoting the stability of the body-centred cubic (BCC) phase, depending on the addition of Al. The coexistence of the FCC and BCC phases in the structure contributes to the simultaneous improvement of ductility and strength properties, thereby enhancing the alloy's overall performance. However, high-entropy alloys based on CoCrFeNiAl still present limitations, particularly in terms of oxidation and wear resistance in hightemperature applications. In this regard, a variety of ceramic reinforcements are used in the literature to improve HEA systems. Boron carbide (B4C), the third-hardest known material, stands out as a reinforcing phase in HEA systems due to its high wear resistance, low density and chemical stability. It is known that the addition of B4C improves mechanical properties and wear resistance through mechanisms such as solid-solution strengthening, grain refinement and second-phase formation. However, its effects on oxidation behaviour at high temperatures have not yet been fully clarified. Furthermore, production parameters play a crucial role in determining the microstructure–property relationship of HEA materials. Among solid-state processes, the spark plasma sintering (SPS) method, applied following mechanical alloying, offers significant advantages such as rapid production, high density and the ability to achieve a homogeneous microstructure. In this method, direct current and mechanical pressure are applied simultaneously to powders placed within a graphite mould, ensuring rapid and homogeneous heating via Joule heating. The high local temperatures generated at particle contact points during the SPS process accelerate diffusion mechanisms, enabling rapid densification. Furthermore, the short sintering times limit grain growth, facilitating the production of fine-grained microstructures. In particular, the sintering time directly influences the material's mechanical and chemical performance by affecting diffusion mechanisms, phase formation and grain growth. In these respects, the SPS method offers significant advantages in terms of microstructure control in high-entropy alloys. In the literature, the role of B4C reinforcement and sintering time on the microstructure, wear, and oxidation behaviour of the CoCrFeNiAl system produced by the SPS method has not been sufficiently investigated. In this study, the effects of B4C reinforcement and sintering time on phase formation, microstructural development, mechanical properties, wear and oxidation behaviour in the high-entropy CoCrFeNiAl0.6 alloy were systematically investigated. In this context, CoCrFeNiAl0.6 powders obtained via the mechanical alloying method were homogeneously mixed with B4C reinforcements at different concentrations (2% and 4% by volume). The prepared powder mixtures were consolidated using the spark plasma sintering (SPS) method, which enables the rapid production of a high-density, fine-grained structure. The SPS process facilitates rapid heating and sintering through the simultaneous application of electric current and pressure, thereby accelerating diffusion processes and minimising porosity. Accordingly, the samples were sintered at a heating rate of 100 °C/min, under a pressure of 40 MPa and at a temperature of 1000 °C, for durations of 5 and 6 minutes. Different sintering times were selected to investigate the effect of production parameters on microstructure and properties, and the aim was to evaluate the obtained samples comparatively. The samples obtained after sintering were subjected to X-ray diffraction (XRD) for phase analysis, density measurements based on Archimedes' principle, the Vickers hardness test to determine mechanical properties, and wear tests at room temperature and 600 °C to investigate tribological behaviour. Furthermore, TG/DTA analyses were conducted to evaluate high-temperature oxidation behaviour, and the samples were subjected to oxidation tests in a furnace environment at 1000 °C. Based on the results obtained, it was found that the high-entropy CoCrFeNiAl₀.₆ alloy system exhibits both FCC and BCC phases simultaneously, consistent with the literature. It was assessed that an increase in B4C addition enhances Cr segregation by creating heterogeneous nucleation regions in the structure; furthermore, the peak shifts observed in the X-ray diffractometer were attributed to the dissolution of B and C elements within the crystal lattice, resulting in increased lattice distortion. TG/DTA analyses have shown that, although the reinforcement material shifts the onset temperature of oxidation to higher temperatures, it increases the mass gain. It has been determined that the addition of B4C increases the hardness of the samples through mechanisms such as grain refinement, restriction of dislocation movement due to lattice distortion, and the formation of hard second phases. In parallel with this increase in hardness, an improvement in wear resistance of 87.3% at room temperature and 73.1% at high temperature was achieved with increasing B4C content, and it was found that the best performance belonged to the sample containing 4% B4C. It is assessed that, for the same composition, an increased sintering time limits the improvement provided by the reinforcing material, and that this is attributed to grain growth and phase expansion in the microstructure. It has been concluded that this behaviour is associated with a porous and discontinuous oxide layer, which develops as a result of CO/CO2 gas evolution, in conjunction with the B2O3 phase formed by the oxidation of B4C at high temperatures. This thesis was supported by the Istanbul Technical University Scientific Research Projects Office (BAP) under the BAP Unit's Postgraduate Thesis Project, reference number MYL-2025-47749.
Benzer Tezler
- CoCrFeNiAlx (x=0.2; 0.6; 1.0; 1.5) yüksek entropili alaşım sistemlerin mekanik alaşımlamasının optimizasyonu ve B4C takviyesinin spark plazma sinterleme prosesine etkisinin araştırılması
Optimization of mechanical alloying of CoCrFeNiAlx (x=0.2; 0.6; 1.0; 1.5) high entropy alloy systems and investigation the effect of B4C addition on spark plasma sintering process
YUSUF BARAN ÇİÇEK
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLTEKİN GÖLLER
- Production and characterization of al-CoCrFeNi-M (M=Mo, Cu, Mn) high entropy alloys by combustion synthesis method
Al-CoCrFeNi-M (M=Mo, Cu, Mn) yüksek entropili alaşımlarının yanma sentezi yöntemiyle üretimi ve karakterizasyonu
FARUK KAYA
Doktora
İngilizce
2024
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEVAT BORA DERİN
- Toz metalurjisi ile üretilmiş alaşımlarda yüzey ergitme işleminin etkisinin incelenmesi
Investigation of wear, corrosion and oxidation characteristics in consolidated and laser remelted high entropy alloys manufactured via powder metallurgy
MERTCAN KAFALI
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Metalurji MühendisliğiOndokuz Mayıs ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KADİR MERT DÖLEKER
- CoCrFeNi yüksek entropi alaşımlarında Al ve Ti 'un degredasyon, iyon salınımı ve biyoaktivite üzerine etkilerinin araştırılması
Investigation of the effects of Al and Ti on degradation, ion release, and bioactivity in CoCrFeNi high-entropy alloys
YUSUF GÜL
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiMunzur ÜniversitesiStratejik Hammaddeler ve İleri Teknoloji Uygulamaları Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ YAKUP SAY
- Yüksek entropili CoCrFeNiSi ve CoCrFeNiAg alaşımlarının üretilmesi ve araştırılması
Production and investigation of high entropy CoCrFeNiSi and CoCrFeNiAg alloys
AHMET HULUSİ KAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Mühendislik BilimleriKahramanmaraş Sütçü İmam ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSA GÖĞEBAKAN