Microstructural and physical characterization of mechanically alloyed W-1 wt% Ni-x WB (x=0.5, 1.0, 2.0, 4.0) and W-1 wt% Ni-2 wt% WB-y La2O3 (y=0.5, 1) powders and sintered composites
Mekanik alaşımlanmış W-ağ.%1 Ni-ağ. % x WB (x=0.5, 1.0, 2.0, 4.0 ve W-ağ. 1% Ni-ağ. %2 WB-ağ. %yLa2O3 (y=0.5, 1) toz ve sinter kompozitlerin mikroyapısal ve fiziksel karakterizasyonu
- Tez No: 332926
- Danışmanlar: PROF. DR. M. LÜTFİ ÖVEÇOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2013
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 119
Özet
Dünyadaki en ağır metallerden biri oldan Volfram 19.25 g/cm3 yoğunlupğuna sahiptir. Ergime noktası 3387°C ve 3422°C arasındadır. Volfram, periyodik tabloda VI grubunda yer alan bir geçiş elementidir. Volfram ve volfram alaşımları yüksek ergime sıcaklıkları, yüksek elastik modülleri, termal şoka karşı dayanımları, düşük termal genleşme katsayıları ve yüksek sıcaklıklarda gösterdiği mukavemet ve direngenliklerinden dolayı yüksek sıcaklıklarda kullanılacak malzemelerin geliştirilmesinde matriks malzemesi olarak öne çıkmaktadırlar.Volfram, sünek-gevrek geçiş sıcaklığı yüksek olan bir geçiş metalidir ve sıcaklık arttıkça mukavemeti düşmektedir. Nadir toprak oksitleri ise volfram ve molibden gibi malzemelerin yapılarına katılarak bu geçiş sıcaklığını düşürmekte ve bu malzemelerin düşük sıcaklıktaki gevrekliğinden doğan sorunları engellemektedir.Volfram ve alaşımları yüksek ergime sıcaklıkları, yüksek elastik modülleri, termal şoka karşı dayanımları, düşük termal genleşme katsayıları ve yüksek sıcaklıklarda gösterdiği mukavemet ve direngenliklerinden dolayı yüksek sıcaklıklarda kullanılacak malzemelerin geliştirilmesinde matriks malzemesi olarak öne çıkmaktadırlar. Genel olarak, yüksek ergime noktası ve düşük sünekliğinden dolayı volfram ürünlerinin üretimi zordur. Toz metallurjisi yöntemleri kullanılsa bile yoğunluğu yüksek volfram üretimi için, 2400 - 2800 °C gibi çok yüksek sıcaklıklara ihtiyaç vardır. Pd, Pt, Ni, Co, ve Fe gibi bazı geçiş metallerinin çok küçük miktarlardaki katkısı ile volframın sinterlenme sıcaklığı büyük oranda indirilebilir (~1400 oC).Kompozit malzemeler teknolojik problemlerin üstesinden gelebilmek için uzun süredir kullanılmaktadır. Metal matriks kompozit malzemeler ileri teknoloji malzemeler grubunda yer alan, genellikle var olan malzemelerin kullanımının uygun olmadığı yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılan malzeme grubudur. Malzemelerin tek başlarına yeterli olmadıkları durumlarda kullanım koşulları sağlanamadığından yeni malzemelere olan ihtiyaç da giderek artar.Metal matriksli kompozit malzemeler sıfında yer alan partikül esaslı metal matriks kompozitler, üretimlerinde kullanılan malzemelerin kolay temini, ayrıca toz metalurjisi yönteminin avantajları, düşük maliyetleri ve üretimlerinin kolaylığı göz önüne alındığında kuvvetli bir malzeme grubunu oluştururlar. Partikül takviyeli kompozitler seramik ve metallerde tek başına bulunmayan eşsiz bir mikroyapı ve özellik kombinasyonuna sahiptirler. Uzay ve otomotiv sektörlerinin yanı sıra birçok farklı uygulamada kullanılan bu malzemeler karakteristik olarak izotropik kimyasal ve mekanik özellikler içerirler. Bunun yanı sıra, göreceli olarak daha ucuz olmaları, kolay şekil alabilme ve işlenebilme gibi özelliklere de sahiptirler.Partikül takviyeli kompozitler yüksek elastik modül, yüksek sıcaklıklarda çalışabilme, düşük yoğunluk, termal şok direnci, yüksek elektik ve termal iletkenlik gibi bazı avantajlara sahiptirler. Partikül takviyeli metal matriks kompozitler, metallerde ve aynı zamanda seramiklerde tek başlarına bulunmayan özelliklerin eşsiz bir bileşimini oluştururlar. Bu kompozitler, matriks dayanımını arttıran partiküllerin homojen dağılımları ile oluşurlar. Genel olarak, yüksek tokluk, sertlik ve takviyelendirilmemiş matriks malzeme ile kıyaslandığında daha düşük yoğunluklarda daha fazla dayanım göstermelerinin yanı sıra iyi aşınma dayanımı gösterirler.Metal matris kompozitler genel olarak, ana matris yapısı içine farklı özelliklere sahip ikincil fazların ve/veya pekiştiricilerin ilave edilmesi ile üretilmektedirler. Kullanılan malzemelerin birbiriyle uyumlu olması ve nihai ürünün uygulama alanı için yeterli mekaniksel, ısıl ve fiziksel özellikre sahip olması yani kısaca ürün performansının istenilen seviyede olarak ihtiyaçlara cevap vermesi kompozit üretiminde önemli bir parametredir. Partikül pekiştiricili kompozitler genel olarak iki grupta toplanabilirler. Bunlardan ilki daha büyük boyutlu ve miktarca yapıya daha fazla ilave edilen büyük partikül pekiştiricili kompozitlerdir. Diğer grup ise yapıya daha az ancak çok küçük oyutlarda partiküllerin ilavesi ile oluşturulan partikül pekiştiricili kompozitlerdir. Bu iki grup arasındaki temel ayrım pekiştirme mekanizmaları arasındaki farklıklık ile yapılmaktadır.Partikül takviyeli metal veya seramik matrisli kompozitler tozlarının elde edilmesinde en çok kullanılan yöntemlerden birisi olarak mekanik alaşımlama tekniği söylenebilir. Bu yöntem ile oldukça küçük boyutlarda, hatta gevrek yapılı tozlarda nano boyutlu ve yapıya homojen olarak dağıtılmış tozlar üretilebilinmektedir. Mekanik alaşımlama, faz diyagramlarındaki sınırlamaları kaldırarak, termodinamik denge bakımından teorikte mümkün olmayan ya da diğer üretim yöntemleri kullanılarak oluşturulamayacak kompozisyondaki alaşımların üretilmesinin önünü açmaktadır.Toz metalurjisi metal matris kompozit üretiminde en genel olarak kullanılan üretim yöntemlerinden birisidir. Geçmişi milattan önce 1200 yıllarına kadar gitmektedir. Temel olarak bu yöntemde yapılan karıştırılan ya da ön alaşımlanan tozlar bir kalıp yardımıyla istenilen biçimde şekillendirilir ve daha sonra kontrollü atmosfere sahip bir fırında sinterlenerek partiküllerin birbiri ile bağlanması sağlanır. Toz metalurjisi diğer üretim yöntemlerine göre çok daha ekonomik bir yöntemdir. Ergitme ya da döküm içermediğinden dolayı üretim maliyetleri oldukça düşüktür. Ayrıca tozların karıştırılarak, metal bazlı kompozit üretilmesi de daha kolay bir tekniktir. Toz metalujisi üretim tekniklerinden biri olan mekanik alaşımlama bu çalışmada kullanılmıştır. Mekanik alaşımlama ile oldukça ince boyutlu ve yapıda düzgün dağılmış tozlar üretilebilinmektedir. Ayrıca bu teknik ile normalde oda sıcaklığında üretilemeyecek kimyasal kompozisyonlar ya da diğer üretim yöntemleri kullanılarak oluşturulamayacak alaşımlar üretilebilmektedir. Mekanik alaşımlama bilya toz çarpışmaları sonucu istenilen homojen yapının öğütme işlemi ile elde edilmesi prensibine dayanır. Bunun yanında uygulanan kuvvet ile tozlarda oluşan plastik deformasyon sonucunda malzemede iş sertleşmesi meydana gelir. Mekanik alaşımlama ile üretilen bu tozlar daha sonra uygun şekillendirme yöntemi seçilerek preslenir. Bu aşama toz metalurjisinde önemli bir kademedir ve sinterleme sonrası elde edilecek olan parçadan beklenen özelliklere başarılı bir presleme işlemi ile ulaşılabilinir.Numuneler düzgün bir şekilde preslendikten sonra üretimin genel olarak son kademesi olan sinterlemeye geçilir. Sinterleme yüksek sıcaklık etkisi ile partiküllerin birbirine bağlanması işlemidir. Ergime noktasının altındaki sıcaklıklarda atomik boyutta taşınım ile gerşekleşebileceği gibi bazı durumlarda sıvı faz oluşumu ile de gerçekleştirilebilir.Volfram ve alaşımlarının mekanik özelliklerinin geliştirilmesi amacıyla TiC, ZrC, HfC, TiN, Y2O3, La2O3, Sm2O3, ThO2, ZrO2 gibi çeşitli refrakter karbürler, nitrürler ve oksit fazları takviye elemanı olarak kullanılmaktadır. Bu takviye elemanları, volfram tane sınırlarına ve içlerine yerleşerek, tane büyümesi ve dislokasyon hareketini engellemekte ve malzemenin yüksek sıcaklık dayanımını artırmaktadır. Ayrıca, refrakter karakterli karbür ve nitrürlere ek olarak yüksek ergime sıcaklığı, yüksek sertlik değerleri ve iyi termal iletkenlikleri göz önünde bulundurularak geçiş metali borürleri de volfram alaşımlarında katkı malzeme olarak kullanılmaya adaydır.Volfram ve volfram alaşımlarının, türbin, otomobil uygulamalarından elektronik endüstrisine kadar birçok uygulaması mevcuttur. Ayrıca ağır alaşımlar (heavy alloys) olarak da bilinen bu alaşımlar yüksek yoğunluğa sahip malzemelerin gereksinim duyulduğu kinetik enerji penetratörleri, balans ağırlıkları ve motor aksamında kullanım alanı bulmaktadır. Genellikle oksijene kapalı sistemlerdeki yüksek sıcaklık uygulamalarında radyasyon kalkanı ve ısıtıcı elemanların geliştirilmesinde önem taşımaktadır. Bazı uygulamalarda da, kazıyıcı elektrot veya döner ark fırını elektrodu olarak kullanılmaktadır. Volfram ve çeşitli malzemelerin farklı oranlardaki katkısıyla geliştirilen volfram esaslı kompozitler, farklı malzeme özelliklerinin mükemmel bir kombinasyonunu sağladığından, uygulama alanları daha da genişlemektedir.Bu çalışmada, çeşitli oranlarda WB tozları ile takve edilmiş W-1 wt % Ni kompozitleri farklı sürelerde mekanik alaşımlanmıştır. Buna ilave olarak, W-1 wt % Ni-2 wt % WB kompozitine de iki farklı oranda (0.5, 1) La2O3 dispersoid katkısı mekanik alaşımlama yapılmıştır.Mekanik alaşımlama yapıla bütün tozlar 1400°C' de 1 saat süre ile sinterlenmiştir.Üretilen toz ve sinter kompozit numunelerin mikroyapısal karakekterizayonları ve faz analizleri, X ışınları difraksiyonu (XRD), taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak yapılmıştır. Mekanik alaşımlama yapılmış tozlara partikül boyut ölçümü (PSA) ve partikül yüzey alanı ölçümü (BET) yapılmıştır. Ayrıca seçilen bazı sinter numunelerine EPMA ve EDS analizleri yapılmıştır. Sinterlenmiş numunelerin yoğunlukları Arşimet tekniğiyle hesaplanmış ve mikrosertlik deneyleri Vickers mikrosertlik cihazı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bunların dışında sinterlenen bazı numunerlere aşınma testi uygulanmıştır.
Özet (Çeviri)
Tungsten and its alloys are candidate materials for various elevated temperature structural applications due to their excellent properties such as high melting point, high modulus, high resistance of thermal shock, low coefficient of thermal expansion (CTE) and good high temperature strength and stiffness. In general, it is very difficult to fabricate tungsten because of its high melting point, low ductility, and low workability. Even using powder metallurgy (P/M) techniques, processing requires very high sintering temperatures up to 2400 - 2800 °C to get near fully dense tungsten. The addition of small quantities of some transition metals, such as Pd, Pt, Ni, Co, and Fe makes it possible to reduce greatly the sintering temperature of W(~1400 oC).As dispersion strengtheners, refractory carbide and nitride phases, such as TiC, VC, ZrC, HfC, TiN etc. have been mainly used to improve the mechanical properties of tungsten and its alloys. In addition to these refractory carbide and nitride materials, transition metal diborides are very promising candidates as reinforcements in W due to their high melting point, high hardness, good electrical and thermal conductivities.Tungsten has high ductile to brittle transition temperature and the strength of tungsten decreases with increasing temperature. The rare-earth oxides improve the low-temperature brittleness and decreases ductile to brittle transition temperature in Mo and W materials.In this study, W-1 wt % Ni composites reinforced with varios amount of WB powders mechanically alloyed for different durations and fabricated. Additionally, W-1 wt % Ni-2 wt % WB composite reinforced with two different amount of La2O3 particles (0.5, 1) and manufactured. Microstructural and phase characterizations of the composite powders and sintered samples were carried out via X-Ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM). Particle size measurements and surface area analysis of the powders were carried out using laser particle size analyzer (PSA) and Brunauer-Emmett-Teller (BET), respectively. Sintered densities were measured by the Archimedes density method. Addition to this, electron probe microanalysis (EPMA) and energy dispersive x-rayspectroscopy (EDS) analysis are conducted for some sintering samples. Furthermore, Vickers microhardness and wear resistance measurements experiments of the sintered samples were also conducted.
Benzer Tezler
- AlN ve Al2O3 katkılı Ti6Al4V alaşımının spark plazma sinterleme yöntemi ile üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of AlN and Al2O3 reinforced Ti6Al4V alloy via spark plasma sintering method
İLAYDA ÖZBAĞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİLİZ ŞAHİN
- Mekanik alaşımlama yöntemiyle üretilmiş volfram esaslı kompozitlerin karakterizasyon çalışmaları ve gama radyasyon davranışlarının incelenmesi
Characterization investigations of mechanically alloyed tungsten based composites and their behaviours via gamma radiation
OZAN YILMAZ
Doktora
Türkçe
2017
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA LÜTFİ ÖVEÇOĞLU
- Mekanik alaşımlama ve basınçsız sinterleme yöntemleri ile WNbMoVAlxCry (x, y = 0 – 1,0) refrakter yüksek entropi alaşımlarının sentezlenmesi ve ilişkin karakterizasyon çalışmaları
Synthesis and related characterization investigations of WNbMoVAlxCry (x, y = 0 – 1,0) refractory high entropy alloys by mechanical alloying and pressureless sintering methods
CEM ÇİÇEK
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA LUTFİ ÖVEÇOĞLU
- Yüksek entropi (HfTiZrTa/Cr)B2 esaslı seramiklerin farklı yöntemler kullanılarak sinterlenmesi ve karakterizasyonu
High entropy (HfTiZrTa/Cr)B2 based boride ceramics sintered via using different methods and related characterization studies
ESİN AYSEL
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DUYGU AĞAOĞULLARI