Geri Dön

Katodik ark destekli yayındırma yöntemi ile çeliklerin alüminyumlanmasına manganın etkisi

Effect of manganese addition on aluminizing of steels with cathodic arc based diffusion process

PDF İndir

  1. Tez No: 439659
  2. Yazar: GİZEM SOYDAN
  3. Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. NURİ SOLAK
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Metallurgical Engineering, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2016
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 95

Özet

İntermetalikler, iki metalin bir araya gelip kendi yapılarından farklı bir yapıda oluşturdukları üstün özelliklere sahip bileşiklerdir. Yüksek ergime sıcaklıkları, mekanik özellikleri gibi birçok özellikleri intermetalikleri çekici bir malzeme sınıfı haline getirmektedir. Bu malzeme sınıfına ait malzemelerden biri de alüminyum intermetalikleridir. Alüminyum intermetalikleri grubunun en öne çıkan ve araştırılan türleri nikel, titanyum ve demir alüminyum intermetalikleridir. Bu metallerin alüminyumla farklı oranlarda oluşturduğu intermetalikleri mevcuttur ve bu malzemeler günümüzde birçok kullanılan malzemeye alternatif olarak kullanılmakta ve görülmektedir. Bu malzemeler ısıtma elemanlarında, otomotiv endüstrisinde, kömür enerji sistemlerinde, gaz, su ve buhar türbinlerinde, turbolarda, uçak endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Daha düşük yoğunlukları, korozyona karşı dayanımları, toz metalurjisi, döküm, ark ergitme gibi yöntemlerle kolaylıkla üretilebilmeleri ve muadillerine oranla daha düşük maliyetlerinin olmaları bu malzemeleri avantajlı kılmaktadır. Ancak düşük tokluk değerleri, düşük işlenebilirlikleri gibi özellikleri kullanım alanlarını kısıtlamaktadır. Bunları iyileştirmek için çeşitli alaşım elementi ilaveleri ve tane inceltme gibi işlemler yapılmaktadır. Son yıllarda bu alüminyum intermetalikleri kitlesel malzeme olarak üretilmek yerine kaplama olarak üretilmeye başlanmıştır. Bu şekilde, altlık malzeme istenildiği gibi seçilebileceği için herhangi bir üretim yöntemi kısıtlaması olmadan üretilip kaplanabilir hale gelmiştir. Demir alüminyum intermetalikleri, birçok yöntemle kaplama olarak üretilmektedir. Yöntem ve parametrelere bağlı olarak, oluşan intermetalik değişmektedir. Fe-Al sisteminde FeAl3, Fe2Al5, FeAl, Fe3Al gibi birçok intermetalik bulunmaktadır. Bu intermetaliklerin oluşumunda kimyasal bileşimin yanında etkin difüzyon mekanizmaları söz konusudur. Bu nedenle difüzyon termodinamiğinin ve kinetiğinin öne çıktığı çalışmalar mevcuttur. Alüminyum intermetaliklerini kaplamak için kullanılan yöntemler arasında kutu sementasyonu, sıcak daldırma, termal sprey, kimyasal buhar biriktirme, çamur füzyonu, fiziksel buhar biriktirme gibi yöntemler mevcuttur. Fe-Al ikili sisteminde oluşan intermetalikler hem çizgi bileşik hem de katı eriyik bölgesine sahip bileşiklerdir ve bu intermetaliklerin kristal yapıları sıcaklıkla değişebilmektedir. Uzun mesafe düzene (ordered) sahip yapıları ve düzensiz (disordered) yapıları mevcuttur, bu değişimler mekanik özellikler ile ilişki göstermektedir. Sahip oldukları yeni kristal yapı, içerisine difüze olan atomların davranışlarını etkilemektedir. Bu tez çalışmasında da alaşımsız ve mangan alaşımlı çelikler üzerine alüminyum yayındırılarak, alüminyumun difüzyonuna manganın etkisinin kinetik ve termodinamik olarak incelenmesi amaçlanmıştır. Mekanizmayı yüksek sıcaklıklarda xviii inceleyebilmek için klasik bir difüzyon çifti oluşturulmamıştır. Demir ve alüminyumdan oluşturulan difüzyon çiftleri genellikle demir ve demir-alüminyum alaşımı şeklinde ya da farklı bileşimlerdeki iki demir-alüminyum alaşımı şeklinde seçilmektedir. Yüksek sıcaklıklarda alüminyum ergiyeceğinden, çiftler bu şekilde üretilmektedir. Bu oluşturulan çiftler birbirlerine tutturularak uzun saatler boyunca yüksek sıcaklıkta tutulduktan sonra oluşan fazlara ve bu fazların oluşma mekanizmalarına dair incelemeler yapılmaktadır. Bu şekilde yapılmayan difüzyon incelemeleri mevcuttur, daha önceden bahsedilen alüminyum intermetalik kaplama oluşturma yöntemleri de kullanılmaktadır. Bu çalışmada, demir-alüminyum difüzyon mekanizmasını incelemek amacıyla katodik ark fiziksel buhar biriktirme yöntemi ile alüminyum intermetalik kaplamalar elde edilmiştir. Kullanılan bu yöntemde, klasik ark yönteminden farklı olarak yüzey elektronlarla ısıtılarak kaplanmıştır. Çalışmada katodik ark destekli yayındırma işlemini farklı sıcaklıklarda yapabilmek için bias'a alternatif akım uygulanmıştır. Bu sayede bias'ın negatif değerlerinde kaplama yapılırken, pozitif değerlerinde elektronlarla yüzeyin ısıtılması sağlanmıştır. Bu yöntem sayesinde, 800, 900, 1000, 1100 ve 1200°C sıcaklıklarında yayındırma işlemi gerçekleştirilmiş ve herhangi bir ek difüzyon adımına gerek duyulmadan kaplamalar elde edilmiştir. Elde edilen kaplamaları inceleme adımına gelindiğinde ise XRD, SEM, EDS ve sertlik ölçümü gibi analiz metotlarından yararlanılmıştır. Numunelere genel olarak bakıldığında sıcaklık ve alaşım elementi olmak üzere iki temel parametrenin etkileri incelenmiştir, süre sabit tutulmuştur. Sonuç olarak, alaşımsız numunelerde 912°C'deki faz dönüşüm sıcaklığının altında kalan numunelerde alüminyumca zengin Fe2Al5 fazı gözlenmiştir. İşlem sıcaklığı 912°C'nin üzerine çıktığında ise alüminyumca zengin fazlar yerine demirce zengin fazlar gözlemlenmeye başlamıştır. Buna bağlı olarak 912°C'nin altında alüminyumun difüzyon hızının demirin difüzyon hızından daha yavaş olduğu ve bu sıcaklığın üzerinde ise alüminyumun difüzyon hızının demirin difüzyon hızından daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. 1200°C'de alüminyumun difüzyon hızının daha da artması ile intermetalik oluşumu yerine alüminyumun demir kafesine girerek oluşturduğu katı eriyik fazı görülmüştür. Mangan alaşımlı numunelerde ise 1000°C ve altındaki sıcaklıklarda yüzeyde Fe2Al5 fazına rastlanmıştır. Aynı sıcaklıkta yapılan alaşımsız numunelere kıyasla alüminyumun difüzyon hızının yavaşladığını ve alüminyumun difüzyon derinliğinin azaldığını söylemek mümkündür. 1100 ve 1200°C sıcaklıklarında demirce zengin fazlar oluşmaya başlamıştır. Ancak katı eriyik fazına rastlanmamıştır. Her iki grup numunenin de intermetalik bölgelerinden ve altlıklarından alınan sertlik değerleri karşılaştırılmıştır. İntermetalik bölgelerde benzer sonuçlar alınırken, mangan alaşımlı numunelerin altlıklarından alınan sertlik ölçüm sonuçları alaşımsız numunelerinkinin yaklaşık iki katıdır. Bu bilgilerden hareketle manganın intermetalik yapısına girmediği ve oluşan intermetalik katmanın kalınlığını arttığı ve alüminyumun difüzyon hızını yavaşlattığı söylenebilmektedir.

Özet (Çeviri)

Intermetallics are ordered phases which form between two metallic compounds and have different crystal structure from their constituent metals. Intermetallics are in an attractive class of materials due to showing a good combination of physical and mechanical properties. In a comparison with any metals, their tremendous properties such as low density, high melting point, high strength and corrosion resistance make them the promising structural applications for high temperature. These comprise high temperature gas turbine hardware, corrosion resistant materials, heat treatment fixtures, magnetic materials and hydrogen storage materials. Thanks to their ordered structure, they have long range ordered superlattice and their dislocation mobilities are decreased at high temperature, therefore; their high temperature properties are extremely good. Intermetallics are produced by powder metallurgy, casting, arc melting, physical vapor deposition technique. Although intermetallics have so many good properties, their brittle nature at room temperature make them hard to fabricate as structural materials. Because of this reason, researches are underway to produce them as coatings by various methods. The most studied and common group of intermetallics are aluminides, Fe-Al, Ni-Al and Ti-Al. To overcome their brittleness, which arises from an extrinsic environmental effect, alloying, microstructural control and coating techniques are used. Coating is the most prominent technique among them due to allowing the substrate material choose. Iron aluminide coatings are deposited by pack cementation, chemical vapor deposition, slurry fusion, hot dip, thermal spray, physical vapor deposition. Most of these techniques are suitable for industrial scale applications and largely used to produce thin films. However, these techniques need secondary processes, for instance hot dip, substrates are dipping into molten metal and annealing at high temperature to synthesize intermetallic coating on the surface. After this annealing process, surface may not be annealed equally or diffusion process may not be completed. As a result of this, extra processes are becoming necessary. In some techniques, such as thermal spray, plasma spray and PVD, coating material sources are prepared as a desired coating composition. In thermal spray method, if the molten particle has higher melting temperature than substrate surface, which has lower melting temperature, could be damaged and as a consequence of this impact, substrate material could be melted locally. In plasma sprayed coating is not only composed of the deposited material, but also pores, cracks and oxides and generally a surface finishing process is necessary after coating process. Fe-Al binary system is a complex system which consists of many intermetallics both line compounds and solid solutions. These intermetallics' crystal structure could change with the temperature. Long range ordered or disordered phases could affect their mechanical properties and diffusion rates. In this kind of situation, even though the chemical composition is proper to form an intermetallic phase, this could not form due to the ordered-disordered transition. In this study, unalloyed and manganese alloyed steel surfaces are aluminized and effect of manganese on the diffusion of aluminum is investigated thermodynamically and kinetically. To investigate the mechanism at elevated temperatures, a classical diffusion couple method was not chosen. Generally, Fe-Al diffusion couples are formed by Fe and Fe-Al alloy or two Fe-Al alloys with a different compositions because of aluminum's low melting temperature. These couples are attached each other and held at high temperatures for hours. After these processes, newly formed phases and their diffusion mechanism are analyzed. Apart from these, diffusion researches could be performed by several techniques which are mentioned before as intermetallic coating techniques. Unlike other techniques that used layered growing or annealing processes, it is aimed to produce intermetallic rich surfaces for investigate the diffusion mechanism, thanks to cathodic arc physical vapor deposition method without any secondary processes. To investigate diffusion behavior of aluminum at different temperatures, AC is applied to bias voltage instead of DC. In negative values of bias, substrate is coated, while in positive values of bias, substrate surface is heated by electrons. Thanks to this new method, diffusion coatings were perfomed at 800, 900, 1000, 1100 and 1200°C without any extra diffusion processes. XRD, SEM, EDS and micro hardness measuring methods were performed to examine the phase structure and diffusion mechanism. There were two main parameters in experimental sets, temperature and alloying element. Consequently, in unalloyed sample group, samples which are formed below phase transformation temperature 912°C, have Fe2Al5 Al rich phase on their surfaces. At 912°C, iron has a phase transformation from body centered cubic structure to face centered cubic structure and with this transformation, solubility of aluminum in iron is increasing and it reaches to maxima at 1100°C. Above 912°C, instead of Al rich phases, Fe rich phases are observed on the surface of samples. Correspondingly, below 912°C diffusion rate of Al is slower than diffusion rate of Fe and above this temperature diffusion rate of Fe is slower than diffusion rate of Al. At 1000°C two phase structure is observed, on the surface, first a thin layer of FeAl forms and after this a layer of long range ordered Fe3Al appears. When the temperature is increasing another 100°C, with increase in the diffusion rate of Al, structure turns into fully Fe3Al. As it is mentioned before, at 1100°C, solubility of Al in the face centered cubic Fe is reaching maximum value. As a result of this, Kirkendall voids are observed on surface of the sample. At 1200°C, diffusion rate of Al is getting higher, and Fe-Al solid solution is formed by the diffusion of Al atoms into Fe lattice instead of an Fe-Al intermetallic. In Mn alloyed sample group, samples which are produced at 1000°C and below 1000°C have Fe2Al5 phase on their surfaces. In a comparison with the unalloyed samples formed at the same temperature, the diffusion rate of Al in Fe is getting slower and diffusion depth of Al is getting shorter with the effect of manganese. At 1100 and 1200°C, Fe rich phases are observed on the surface of samples. At 1100°C, in Mn alloyed sample group Kirkendall voids are observed too. However, solid solution phase is not ran across at 1200°C. Hardness measurement is performed on the intermetallic zones, interdiffusion zones and substrate of both two sample groups. Samples which have the same composition in the intermetallic zone, have similar hardness values in this zone. However, hardness values of manganese alloyed substrates is almost two times greater than unalloyed substrates' hardness values. In the light of these observations and analysis, by the effect of manganese, thickness of intermetallic layer is increased, manganese is not a part of intermetallic components which are formed between Fe and Al, and manganese had a strong hindering effect on diffusion rate of aluminum.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    660756

    Corrosion and corrosion protection properties of binary Fe-Al alloys-intermetallics

    İkili Fe-Al alaşımlarının-intermetaliklerinin korozyon ve korozyondan koruma özellikleri

    BURCU EROĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN

  2. Tez No

    223525

    Katodik ark fiziksel buhar biriktirme yöntemi ile krom kaplanmış düşük karbonlu çeliğe uygulanan krom iyonu bombardımanının etkileri

    Effects of chromium ion bombardment on low carbon steel which was chromium coated through cathodic arc physical vapour deposition technique

    MEHMET ERDEM ŞİRELİ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2005

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. MUSTAFA ÜRGEN

  3. Tez No

    98504

    316L paslanmaz çelik üzerinde katodik ark FBB ve oxidasyon yöntemleriyle üretilen zirkonyum oksit kaplamaları özellikleri

    Properties of zirconium oxide coatings on 316-L stainless steels produced by cathodic arc PUD and oxidation techniques

    ERDEM ŞİRELİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1999

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA ÜRGEN

  4. Tez No

    539001

    The role of different modes of bias voltage on the morphology, structure and durability of tin and tialn coatings produced with cathodic arc physical vapor deposition

    Farklı hızlandırma voltaj türlerinin katodik ark fiziksel biriktirme yöntemi ile üretilen tin ve tialn kaplamaların morfoloji, yapı ve dayanaklılığı üzerindeki rolü

    GOLNAZ TAGHAVI POURIAN AZAR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN

  5. Tez No

    152320

    Ark fiziksel buhar biriktirme/magnetron sıçratma hibrid tekniği ile nanokompozit Cr-N-Cu kaplamaların üretimi ve karakterizasyonu

    Deposition and characterization of nanocomposite Cr-N-Cu films by cathodic arc PVD/magnetron sputtering hybrid system

    ERHAN ÖZER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2004

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. MUSTAFA ÜRGEN

Geri Dön