Development and characterization of high entropy (HfTiZrMn/Cr)B2 based ceramics
Yüksek entropi (HfTiZrMn/Cr)B2 bazlı seramiklerin geliştirilmesi ve karakterizasyonu
- Tez No: 831675
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DUYGU AĞAOĞULLARI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 180
Özet
Malzemeler metaller/alaşımlar, seramikler, polimerler ve kompozitler olmak üzere dört gruba ayrılmaktadır. Malzeme bilimi malzemelere ait fiziksel, mekanik, termal, kimyasal ve diğer pekçok özelliğin incelenmesini ve yeni malzemelerin geliştirilmesini kapsamaktadır. Geçiş metal borür, karbür ve nitrürlerini de içeren ileri teknoloji seramik malzemeler, özellikle son yıllarda geleneksel seramiklere göre oldukça yoğun ilgi görmektedir. Geçiş metal borürleri, yüksek ergime noktası, yüksek dayanım, yüksek sertlik, yüksek aşınma ve korozyon direnci, iyi termal şok dayanımı, yüksek kimyasal ve termal kararlılık, yüksek iletim kararlılığı ile karakterize edilirler. Tüm bu üstün özellikleri sayesinde geçiş metal borürleri katalizörler olarak, refrakter parçalar olarak, yüksek çözümlemeli dedektörlerde sensörler olarak, dekoratif kaplama olarak, aşındırıcı malzeme olarak, katodlarda kaplama olarak, nötron absorplama malzemesi olarak, zımpara ve parlatma proseslerinde, havacılık endüstrisinde, savunma sanayasinde ve nükleer teknoloji alanında kullanılmaktadır. Bugüne kadar geçiş metal borürlerinin sentezlenmesinde çeşitli yöntemler kullanılmıştır. Termal plazma yöntemi, kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık yanma sentezi, karbotermik/borotermik/metalotermik redüksiyon, otoklavda sentezleme, ergimiş tuz elektrolizi ve katı-hal sentezleme yöntemleri bunlardan başlıcalarıdır. Belirtilen yöntemlerden farklı olarak metal borür sentezlenmesinde kullanılan bir başka yöntem ise, son 20 yıldır başka malzeme grupları için kullanılmakta ve halen geliştirilmekte olan mekanokimyasal sentezleme prosesidir. Mekanokimyasal sentezleme, yüksek reaksiyon sıcaklığı gerektiren üretim yöntemlerinden farklı olarak, kolay ulaşılabilir hammaddelerden yola çıkarak, küçük kristal tanelere ve kontrollü mikroyapılara sahip kompozit metal tozlarını, tekrarlı kırma-öğütme-kaynaklama mekanizmasına dayanarak oda sıcaklığında sentezlemeye imkan tanıyan toz metalurjisi üretim yöntemidir. Son yıllarda tıp, biyomedikal, enerji, havacılık uzay teknolojileri, otomotiv, elektronik gibi pek çok sektörün ihtiyaçlarını karşılamak için yeni malzemeler geliştirilmesi gerekmektedir. Yüksek entropili alaşımlar (YEA) da bu ihtiyaçları karşılamaya yönelik geliştirilmiş malzemelerden biridir. Geleneksel alaşımlama, iki veya daha fazla elementin bir araya getirilmesidir. Yüksek entropi alaşımlarında ise eşmolar oranlarda dört veya daha fazla element bir araya getirilmektedir. Beklenenin aksine intermetalik bileşiklerin yerine katı çözeltiler oluşmaktadır. Bu sayede, birden çok element içermesine rağmen YEAlar tek fazlı yapıya sahiptir. Yapıda birçok element bulunmasına rağmen, yüksek entropi alaşımları çoğunlukla hacim merkezli kübik veya yüzey merkezli kübik kristal yapılarına sahiptir. Son yıllarda yapılan çalışmalar bu tür alaşımların ayrıca hegzagonal sıkı paket yapısına da sahip olabileceğini göstermektedir. Katı çözeltilerle beraber, yüksek entropi alaşımlarında dört farklı çekirdek etkisi de oluşmaktadır. Yüksek entropi etkisi, termodinamik özelliklerle ilişkisini ifade etmektedir. Yavaş difüzyon etkisi, kinetik durumu açıklamaktadır. Kafes bozunması etkisi, hem kristal yapıyı hem de mekanik özelliklerin oluşumunu temsil etmektedir. Alaşıma katılan tüm elementlerin etkisi ise kokteyl etkisi altında incelenmektedir. Alaşıma katılan elementlerin, oluşan katı çözeltilerin ve dört çekirdek etkisinin sayesinde, yüksek entropi alaşımları; yüksek termal ve kimyasal dayanıklılık, yüksek sertlik, kırılma tokluğu, dayanım gibi mekaniksel özellikler, iyi aşınma, oksidasyon ve korozyon direnci gibi özelliklerle karakterize edilir. Üstün özellikleri sayesinde, nükleer sanayide, gemicilikte, refrakter malzemelerin üretiminde, havacılık ve uzay endüstrisinde, kesici takım uçlarında kullanılmaktadır. Yüksek entropi alaşımlarının üretiminde birçok yöntem tercih edilmektedir, fakat ark ergitme, mekanik alaşımlama, basınçsız sinterleme ve basınçlı sinterleme yöntemleri en çok kullanılan methodlardır. Yüksek entropili alaşımlarını temel alan yeni bir sınıf olan yüksek entropili seramiklerin üretimi ise son yıllarda çalışılmakta olan bir konudur. Yüksek entropili seramikler, oksitleri, borürleri, karbürleri, nitrürleri ve silisidleri içermektedir. Yüksek entropi malzemelerinin yeni tipi olarak ve ultra-yüksek sıcaklık seramiklerinin yeni bir sınıfı olarak kabul edilen yüksek entropi metal borürlerin üretilmesi fikri de 2016 yılında ortaya çıkmıştır. Yüksek entropi borür seramikleri, P6/mmm uzay grubuna ve hegzagonal sıkı paket yapısına sahiptir. Bu yapının içerisinde metal-bor, bor-bor ve metal-metal bağları bulunmaktadır. Metalik, iyonik ve kovalent bağları bir arada içerdiği için üstün özellikler ile karakterize edilmektedir. Yüksek entropi metal borürler, seramiklerin düşük yoğunluk, mükemmel yüksek sıcaklık mukavemeti, yüksek sertlik ve dayanım, yüksek aşınma ve korozyon direnci, spesifik fiziksel (optik, elektriksel ve manyetik) özellikler gibi üstün özelliklerinin kombinasyonuna sahiptir. Bu üstün özelliklerinden dolayı havacılıkta, güneş enerjisi ve nükleer enerji sektörlerinde, kesici uçlarda ve mikroelektronik sistemlerde kullanılabilmektedir. Yüksek termal kararlılık, gelişmiş mekanik özellikler, yüksek oksidasyon direnci, radyasyon hasarı toleransı nedeniyle son zamanlarda dikkat çeken bir malzeme grubu olan yüksek entropi metal borür seramiklerinin sentezlenmesinde birçok yöntem kullanılmaktadır. Mekanik alaşımlama, boro/karbotermal indirgeme ile sentezleme, kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık yanma sentezi, basınçsız sinterleme, spark plasma sinterleme veya sıcak presleme gibi basınçlı sisterleme yöntemleri bunlardan başlıcalarıdır. Tek fazlı yüksek entropi borür yapısının elde edilemediği durumlarda birbirini takip eden iki yöntem kullanılabilir. Mekanik alaşımlama, toz metalurjisi ile üretim yöntemidir ve oda sıcaklığında gerçekleşme, ucuz başlangıç malzemeleri ve ucuz ekipmanlar kullanma gibi avantajlara sahiptir. Spark plazma sinterleme yönteminde ise yüksek sıcaklık ve yüksek basınç ile tek fazlı yapı elde edilebilmektedir. Bu çalışma kapsamında ilk olarak belirlenen optimum koşullar üzerinden laboratuvar ortamında HfB2, TiB2, ZrB2, TaB, Mn borür, Cr borür, Mo borür, W borür tozları mekanokimyasal yöntem ile sentezlenmiş ve liç işlemi ile saflaştırılmıştır. Herhangi bir yan ürün içermeden sentezlenen borür tozları optimum koşullar üzerinden çoğaltılmıştır. Çoğaltılan tozlar üç bileşenden sekiz bileşene kadar eşmolar oranda harmanlanmıştır. Üç bileşenli (Hf0.33Ti0.33Zr0.33)B2 orta-entropi alaşımı ana alaşım olarak seçilmiştir. Seçilen kompozisyon, öncelikle gezegen tipi bilyalı öğütücüde 30 saat, 60 sa veya 100 sa boyunca, 10:1, 20:1 ve 30:1 bilya-toz ağırlık oranlarında sentezlenmiştir. Daha sonra aynı kompozisyon yüksek enerjili bilyalı değirmende 10:1 bilya-toz ağırlık oranında 6 sa, 10 sa, 15 sa ve 20 sa boyunca öğütülmüştür. Yüksek enerjili bilyalı değirmende bilya-toz oranı 10:1 ve 6 saatlik öğütme süresi optimum koşul olarak seçilmiştir. Hazırlanan tüm yüksek entropi borür kompozisyonlar optimum koşul üzerinden sentezlenmiştir. Toz numunelerin karakterizasyonu için X-ışınları difraktometresi, partikül boyut ölçümü ve piknometre ile yoğunluk ölçümü yapılmıştır. Mekanik alaşımlama sonrasında tek fazlı yüksek entropi borür yapısı elde edilememiştir. En yüksek toz yoğunluğu 7.1379 ± 0.0057 g/cm3 ile (Hf0.142Ti0.142Zr0.142Mn0.142Cr0.142W0.142 Ta0.142)B2 bileşiminde gözlenirken en düşük toz yoğunluğu ise 4.9708 ± 0.005 g/cm3 ile (Ti0.25Zr0.25Mn0.25Cr0.25)B2 bileşiminde gözlenmektedir. Spark plazma sinterleme ile tek fazlı yüksek entropi yapısı sentezlenmiştir. Ayrıca, düşük şiddette (Hf, Zr) oksit fazları görülmüştür. Yine beş farklı kompozisyonda düşük şiddete sahip ikincil fazlar oluşmuştur. X-ışınları difraktometresi, taramalı elektron mikroskobu/enerji dağılım spektroskopisi, Vickers yöntemi ile sertlik ölçümü, aşınma testleri ve Arşimed yöntemi ile yoğunluk ölçümü sinterlenen numunelerin karakterizasyonu için uygulanmıştır. En yüksek yoğunluk değeri 7.4794 ± 0.0065 g/cm3 ile (Hf0.125Ti0.125Zr0.125Mn0.125Cr0.125Mo0.125W0.125 Ta0.125)B2 bileşiminde, en düşük yoğunluk değeri ise 4.7517 ± 0.0015 g/cm3 ile (Ti0.25Zr0.25Mn0.25Cr0.25)B2 bileşiminde görülmüştür. Tüm numuneler incelendiğinde, sertlik değerleri 26.74 ± 1.85 GPa ile 17.08 ± 2.32 GPa arasında değişmektedir. Tüm numunelerin ortalama sertlik değeri yaklaşık 24 GPa olarak hesaplanmıştır. Aşınma direnci en düşük bileşim Hf0.125Ti0.125Zr0.125Mn0.125Cr0.125Mo0.125W0.125 Ta0.125)B2'dir; en yüksek bileşim ise (Hf0.166Ti0.166Zr0.166Mn0.166Cr0.166Mo0.166)B2'dir.
Özet (Çeviri)
Materials are divided into four groups: metals/alloys, ceramics, polymers and composites. Materials science includes the study of the physical, mechanical, thermal, chemical and many other properties of materials and the development of new materials. Advanced ceramic materials, including transition metal borides, carbides and nitrides, have attracted attention in recent years compared to traditional ceramics. Transition metal borides are characterized by a high melting point, high strength, high hardness, high wear and corrosion resistance, good thermal shock resistance, high chemical and thermal stability and high transmission stability. Thanks to all these superior properties, transition metal borides can be used as catalysts, refractory parts, sensors in high resolution detectors, decorative coatings, abrasive materials, coatings on cathodes, neutron absorption materials, sanding and polishing processes and in the aerospace industry, defense industry and nuclear technology. Various methods have been used to synthesize transition metal borides until today. The thermal plasma method, self-propagating high-temperature synthesis, metallothermic or carbothermic/borothermic reduction, autoclave synthesis, molten salt electrolysis and solid-state synthesis methods are the main ones. Another method used in the synthesis of metal borides, different from the methods mentioned, is the mechanochemical synthesis process, which has been used for other material groups for the last 20 years and is still being developed. Mechanochemical synthesis is a powder metallurgy production method that allows for the production of composite metal powders with small crystal grains and controlled microstructures at room temperature, using a cold welding-fracturing-rewelding mechanism and starting from easily accessible raw materials, as opposed to high reaction temperature production methods. In recent years, it has been necessary to develop new materials to meet the needs of many sectors, such as medicine, biomedicine, energy, aerospace technologies, automotive and electronics. High-entropy alloys (HEA) are one of the materials developed to meet these needs. Traditional alloying includes combining two or more elements. In high-entropy alloys, four or more elements are combined in equimolar ratios. Contrary to expectations, solid-solutions are formed instead of intermetallic compounds. In this way, HEAs have a single-phase structure even though they contain more than one element. Although there are many elements in the structure, high-entropy alloys mostly have body-centered cubic or face-centered cubic crystal structures. Recent studies have shown that such alloys may also have a hexagonal close-packed structure. Along with solid-solutions, high-entropy alloys also show four different core effects. The high-entropy effect explains its relationship with thermodynamic properties. The sluggish diffusion effect explains the kinetic state. The severe-lattice distortion effect represents both the crystal structure and the formation of mechanical properties. The effect of all the elements added to the alloy is examined under the cocktail effect. High-entropy alloys have high thermal and chemical resistance, good wear, oxidation and corrosion resistance, and mechanical properties such as high hardness, fracture toughness, and strength due to the elements in the alloy, the solid-solutions formed, and the four core effects. Thanks to its superior properties, it is used in the nuclear industry, shipping, the production of refractory materials, the aerospace industry, and cutting tool tips. Many methods are preferred in the production of high-entropy alloys, but arc melting, mechanical alloying, pressureless sintering and pressure sintering are the most common ones. The production of high-entropy ceramics, which is a new class based on high-entropy alloys, is a subject that has been studied in recent years. High-entropy ceramics include oxides, borides, carbides, nitrides and silicides. The idea of producing high-entropy metal borides, which is considered a new type of high-entropy materials and a new class of ultra-high-temperature ceramics, also has been emerged in 2016. High-entropy diboride ceramics have a P6/mmm space group and a hexagonal close-packed structure. In this structure, there are metal-boron, boron-boron and metal-metal bonds. It is characterized by superior properties as it contains metallic, ionic and covalent bonds together. High-entropy metal borides have the combination of superior properties of ceramics, such as low density, excellent high temperature strength, high hardness and strength, high wear and corrosion resistances and specific physical (optical, electrical and magnetic) properties. Due to these superior properties, it can be used in aviation, the solar and nuclear energy sectors, cutting edges and microelectronic systems. Many methods are used in the synthesis of high-entropy metal boride ceramics, a material group that has attracted attention recently due to its high thermal stability, improved mechanical properties, high oxidation resistance, and radiation damage tolerance. Mechanical alloying, boro/carbothermal reduction, self-propagating high-temperature synthesis, pressureless sintering, pressure sintering like spark plasma sintering or hot pressing are the main ones. In cases where a single-phase high-entropy diboride structure cannot be obtained, two consequent methods can be used. Mechanical alloying is a powder metallurgical production method and has the advantages of being carried out at room temperature, using cheap starting materials and inexpensive equipment. In the spark plasma sintering method, single-phase structure can be obtained with high temperature and high pressure. Within the scope of this study, HfB2, TiB2, ZrB2, TaB, Mn boride, Cr boride, Mo boride and W boride powders were synthesized by a mechanochemical route and purified by leaching in the lab-scale using the optimum conditions. Boride powders synthesized without any by-products were synthesized from optimum ones. The reproduced powders were blended in an equimolar ratio of consisting three to eight components. The three-component (Hf0.33Ti0.33Zr0.33)B2 medium-entropy alloy was chosen as the main alloy. The selected composition was first synthesized in a planetary ball mill for 30 h, 60 h or 100 h at ball-to-powder weight ratios of 10:1, 20:1 and 30:1. Then, the same composition was milled in a high-energy ball mill at a ball-to-powder weight ratio of 10:1 for 6 h, 10 h, 15 h and 20 h. In the high-energy ball mill, a ball-to-powder weight ratio of 10:1 and a milling time of 6 h were chosen as the optimum conditions. All prepared compositions were synthesized under optimum situation. For the characterization of powder samples, X-ray diffractometry, particle size measurement and density measurement with pycnometer were performed. Single-phase high-entropy diboride could not be obtained after mechanical alloying. The highest density was observed at 7.1379 ± 0.0057 g/cm3 (Hf0.142Ti0.142Zr0.142Mn0.142Cr0.142W0.142 Ta0.142)B2 composition, while the lowest density was observed in the (Ti0.25Zr0.25Mn0.25Cr0.25)B2 compositions at 4.9708 ± 0.005 g/cm3. A single phase high-entropy structure was synthesized by spark plasma sintering after milling. In addition, low intensity (Hf, Zr) oxide phases were observed. Again, secondary phases with low intensity were formed in five different compositions. X-ray diffractometer, scanning electron microscope/energy dispersive spectrometer, hardness measurement with the Vickers method, dry-sliding wear test and density measurement with the Archimedes method were used for characterization of sintered samples. The composition (Hf0.125Ti0.125Zr0.125Mn0.125Cr0.125Mo0.125W0.125 Ta0.125)B2 has the highest density value of 7.4794 ± 0.0065 g/cm3, while the composition (Ti0.25Zr0.25Mn0.25Cr0.25)B2 has the lowest density value of 4.7517 ± 0.0015 g/cm3. When all samples were examined, the hardness values ranged from 17.08 ± 2.32 GPa to 26.74 ± 1.85 GPa. The average hardness value of all samples was calculated at about 24 GPa. (Hf0.125Ti0.125Zr0.125Mn0.125Cr0.125Mo0.125W0.125Ta0.125)B2 has the lowest wear resistance and (Hf0.166Ti0.166Zr0.166Mn0.166Cr0.166Mo0.166)B2 has the highest wear resistance.
Benzer Tezler
- 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 entropili alaşım matrisli kompozitlerin üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of high entropy alloy matrix composites
BURAK YALMAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Mühendislik BilimleriEskişehir Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERHAN AYAS
- FeNiCoCu yüksek entropili alaşımlarının ultrasonik sprey piroliz tekniği ile üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of FeNiCoCu high entropy alloys via ultrasonic spray pyrolysis method
BURAK KÜÇÜKELYAS
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEBAHATTİN GÜRMEN
- Development of high strength lightweight high entropy alloys (LWHEAs)
Yüksek mukavemetli hafif yüksek entropi alaşımlarının (HYEA) geliştirilmesi
GÖKHAN POLAT
Doktora
İngilizce
2020
Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YUNUS EREN KALAY
- Effects of pressure and bias voltage on the morphology and properties of refractory WNbMoV high entropy thin films coated via magnetron sputtering
Basınç ve bıas voltajının, magnetron sıçratma yoluyla kaplanmış refrakter WNbMoV yüksek entropili ince filmlerin morfolojisi ve özellikleri üzerindeki etkileri
SEVDA JAFARI AGHDAM
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA LUTFİ ÖVEÇOĞLU