Effects of al content and mechanical alloying duration on the properties of spark plasma sintered wmonbvalx (0.25, 0.5, 0.75, 1) refractory high entropy alloys
Spark plazma sinterleme ile üretilen wmonbvalx (0.25, 0.5, 0.75, 1) refrakter yüksek entropili alaşımın özelliklerine, al konsantrasyonunun ve mekanik alaşımlama süresinin etkisi
- Tez No: 867327
- Danışmanlar: PROF. DR. MUSTAFA LUTFİ ÖVEÇOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 146
Özet
Daha iyi malzemelerin peşinde koşmak her zaman insan uygarlığının ebedi amacı olmuştur. Çok temel elementli alaşımlar veya yüksek entropili alaşımlar, malzeme bilimi alanındaki son gelişmelerdir. Literatürde nispeten yeni olmakla birlikte, yüksek entropili alaşımlar son 15 yılda ilgi görmüş ve bu konudaki araştırmalar giderek artmaktadır. Yüksek entropi alaşım konsepti ilgi çekicidir çünkü bu alaşımlar çeşitli sıcaklıklar için umut verici yapısal özellikler sunar. Geleneksel alaşımlar, genellikle alaşımın % 50 veya daha fazla molar oranından oluşan 1 ana elemente sahiptir ve alaşım genellikle ana elementin özelliklerini taşır. Yüksek entropi alaşımları farklı konsepte sahiptir. % 5-35 arasında değişen oranlarda, her bir elementin kendi element özelliklerini koruduğu ve matrise kompozit bir etki ile katkıda bulunduğu çoklu ana elementlerden oluşurlar. Yüksek entropili alaşımların, gerekli konfigürasyon entropisini elde etmek ve intermetalikler yerine tek fazlı rastgele katı çözeltiler oluşturmak için en az 5 temel elemente sahip olması gerekir. Rastgele katı çözeltilerin oluşumu, sistemin artan entropisi tarafından sağlanır. Bunun nedeni, entropi teriminin, sistemin makroskopik durumu ile korelasyon içinde sistemin olası mikroskobik düzenlemelerinin ölçüsü olmasıdır, bu nedenle entropi üzerindeki artış, sistemde rastgele katı çözelti oluşumunu teşvik eder. Entropi terimi kritiktir, çünkü Gibbs alaşım oluşumları için faz kuralları, sistemdeki element sayısı arttıkça sistemdeki faz sayısının da artması gerektiğini belirtir, ancak yüksek entropiden kaynaklı rastgele katı çözeltilerin oluşumu sistem içerisinde daha fazla faz oluşmasını engellemektedir. Yüksek entropili alaşımların benzersiz özellikleri, gelişmiş yapısal özellikler sunar. HMK kristal yapılı alaşımlar yüksek mukavemet ve düşük sünekliğe sahiptir ve YMK yapılı alaşımlar düşük mukavemet ve yüksek sünekliğe sahiptir. Alaşımların kendilerine has faz oluşturma eğilimlerinin ve geleneksel alaşımlara göre intermetalik oluşturma ihtimallerinin daha düşük olmasından dolayı yapısal özellikleri beklentinin üzerine çıkmaktadır, özellikle de HMK yapılı yüksek entropli alaşımların sertlik değerleri 16 GPa değerine kadar çıkmıştır. Yüksek entropili alaşımlarda refrakter element kullanımı, süper alaşımların bile sağlayamadığı yüksek sıcaklıklarda mekanik özelliklerin korunması konusunda çözüm sundukları için ilgiyle takip edilmektedir. Yüksek entropili refrakter alaşımların üretilmesi için pek çok yöntem vardır. Bu yöntemler kabaca sınıflandırılacak olursa, ergitme ve döküm, toz metalurjisi ve eklemeli üretim yöntemleridir. Her üretim yönteminin kendi içinde avantajları vardır. Örneğin ark ergitme ile çok yüksek sıcaklıklara (3000 K) çok kısa sırada çıkılabilmektedir. Ancak mekanik alaşımlama sonrası spark plazma sinterleme yöntemi ile döküm yöntemiyle üretmenin mümkün olmadığı numuneler üretilebilir ve daha elementlerin alaşım içerisinde homojen dağılması sağlanılabilir. Mekanik alaşımlama malzemenin aşırı deformasyondan doğan difüzyon mekanizması ile yüksek enerji durumuna çıkarılmasını sağlayan bir üretim yöntemidir. Tercihen tozlar ile aynı alaşımdan oluşan kapların içine tozlar doldurulur ve bilyalar ile yüksek dönme hareketlerine maruz kalarak aşındırılır. Bu dönme hareketi sonrası tozlara çarpan bilyalar devam soğuk kaynaklama, kırılma işlemleri ile numuneyi mekanik olarak alaşımlar. Kapların doluluk oranı kadar toz ve bilye ağırlık oranı da önemlidir. Mekanik alaşımlama işleminin süresi, her bir bileşime ve istenen parçacık boyutlarına göre değişebilir. Elementel tozların sürekli soğuk kaynaklanması ve kırılması sonrasında 2 önemli sonuç doğmaktadır. Katır çözelti ve intermetalik fazların oluşması ve çok ince tane boyutlarına ulaşılması. Spark plazma sinterleme, esasen, tek eksenli basınç ve düşük voltaj uygulanan darbeli akım olduğu bir sinterleme tekniğidir. Bu teknik ile tozlar, uygulanan basınçlar altında daha kısa sürelerde sinterlenebilir ve soğuma hızı ergitme yöntemleri kadar hızlı olmadığı için nihai yapı daha homojendir ve tanelerin morfolojisi eş eksenlidir. Bu tezde, WNbMoV-Alx bileşimine sahip refrakter yüksek entropili alaşımlar MA ile sentezlenmiş ve ardından SPS işlemleri yapılmıştır. MA süresi ve Al konsantrasyonunun RYEA'nın yapısal özellikleri üzerindeki etkisini belirlemek için numunelerin üretiminde farklı MA süreleri ve Al konsantrasyonları kullanılmıştır. % 99'luk yüksek saflık seviyesi, 44 µm partikül boyutuna sahip element tozları kullanılmıştır. Tozların mekanik alaşımlama işlemi öncesi WC kaplar, 4 saat boyunca WNbMoV tozları ile mekanik alaşımlanmış bu sayede fazladan kirlenmenin önüne geçilmesi amaçlanmıştır. Öğütücü olarak 10:1 tozlara göre ağırlık oranı WC topları kullanılmıştır. WNbMoV-Alx eşmolar alaşımlar, MA'nın yapısal özellikler üzerindeki etkisini belirlemek için 0-2-4-6-8 saat mekanik alaşımlamaya tabi tutulmuştur. Al'un genel olarak RYEA'nın kristal yapısı ve mekanik özellikleri üzerindeki etkisini belirlemek için 6 saat mekanik alaşımlama süresine sahip 0.25, 0.5, 0.75 ve 1 M'lik farklı Al konsantrasyonlarına sahip WNbMoV-Alx alaşımı incelenmiştir. MA işleminden sonra alaşımlı tozlar çeşitli karakterizasyon tekniklerine tabi tutulmuştur. Tozların XRD analizinden faz pikleri gözlemlenmiş ve MA sürelerinden kaynaklanan farklılıklar not edilmiştir. Fazların piklerinin CALPHAD simülasyonları ile tahmin edilen piklerden farklı olduğu gözlemlenmiştir. Bu çalışmada hazırlanan alaşımlar, 2 saat ve daha uzun süreli mekanik alaşımlı numuneler için ikincil faz göstermemiştir. Elementsel pikler hala mevcut olduğundan, harmanlanmış (0 saat) numune hariç tüm MA süreleri için tek HMK fazı gözlenmiştir. Mekanik alaşımlı tozların karakterizasyon aşamasından sonra numuneler SPS'ye tabi tutulmuştur. Sinterleme parametreleri; 1500 0C, 30 MPa ve 10 dakikadır. SPS'li örnekler karakterize edilmiş ve sadece mekanik alaşımlamaya tabi tutulan numuneler ile karşılaştırılmıştır. XRD pikleri incelenmiş ve tek HMK yüksek entropi fazı tespit edilmiştir. Test edilen numunelerin fazlarının tam bir korelasyon içinde oldukları gözlemlenmiştir. SPS numunelerinin mikroyapısal analizleri SEM/EDS kullanılarak yapılmıştır. Alaşım içerisindeki elementlerin homojen dağılımı EDS görüntüleri ile ispatlanmış ve tanelerin eş eksenli morfolojisi tespit edilmiştir. RYEA'nın yapısal özelliklerini yüksek sıcaklıklarda koruyup koruyamayacağını belirlemek için 6 saatlik mekanik alaşımlı eşmolar WNbMoV-Alx RYEA numunesi farklı sıcaklıklarda basma testi için seçildi. Basma testleri hem oda sıcaklığında hem de 900 0C'de gerçekleştirilmiştir. Sıkıştırılmış numunelerin karakterizasyonu daha sonra gerçekleştirilmiştir. Son olarak WNbMoV-Alx RYEA için aşınma testleri, yoğunluk ölçümleri ve Vickers sertlik testleri yapıldı. Yoğunluk ölçümleri için Arşimet test cihazı kullanılmış ve numunelerin teorik ve deneysel yoğunluk değerleri hesaplanmıştır. Numunelerin mikrosertlik değerlerini belirlemek için Vickers sertlik test cihazı kullanılmış, en yüksek sertlik değeri, 9 N yük 15 saniye süre ile kullanılarak ve 25 farklı noktadan ölçülerek 16 GPa olarak hesaplanmıştır. RYEA'ların aşınma özellikleri, 4 N yük, 2 mm uzunluk, 6 mm/sn kayma hızı parametreleri altında 50 metrede 6 mm Al2O3 topları ön yüzey olarak kullanılarak test edilmiştir.
Özet (Çeviri)
The pursuit of better materials has always been the everlasting purpose of human civilization. Multi-principal element alloys or high entropy alloys are the recent advancements in the material science field. While being relatively new in the literature, high entropy alloys have drawn interest over the past 15 years and research has been increasing on this subject. The high entropy alloy concept is intriguing because these alloys offer promising structural properties for various temperatures. Traditional alloys have 1 principal element that generally consists of % 50 or more molar ratio of the alloy, and the alloy generally carries the principal element's characteristics. High entropy alloys have different a concepts. They consist of multiple principal elements with ratios varying from % 5-35 , where each element preserves its elemental properties and contributes to the matrix with a composite effect. High entropy alloys are required to have at least 5 principle elements to achieve the required configurational entropy and form single-phase random solid solutions instead of intermetallics. The formation of random solid solutions is promoted by the increasing entropy of the system. This is because the entropy term is the measure of the possible microscopic arrangements of the system in a correlation with the macroscopic condition of the system, therefore increment in entropy promotes the formation of random solid solutions in the system. The entropy term is critical, since Gibbs' phase rules for alloy formations state that, as the number of the elements in the system increase, the number of phases in the system is also required to increase, however formation of random solid solutions prevents more phases to form. Unique characteristics of high entropy alloys offer improved structural properties. BCC crystal-structured alloys have high strength and low ductility and FCC-structured alloys have low strength and high ductility. Since the alloys have unique phase formation and the probability of intermetallic presence is lower than that of traditional alloys, their structural properties exceed expectations especially for the BCC high entropy alloys since they can reach hardness levels up to 16 GPa. Refractory element usage in high entropy alloys is the peak of interest since they offer solutions for mechanical property preservation at elevated temperatures where even superalloys fail to deliver. There are several production methods for high entropy alloys, broadly can be classified as melting and casting, powder metallurgy, and deposition methods. Each production method has their own advantages such as through arc melting, extreme temperatures (3000 K) in short time can be reached. However, through mechanical alloying and later followed by spark plasma sintering technique, more homogenous structures and production of some materials which are not suitable for casting, can be achieved. Mechanical alloying is a process where the material is excited to a high-energy state with the mechanism of diffusion led by continuous plastic deformation. Powders that are put inside the vials, which preferably consist of the same material as the powder, start to be crushed, cold welded and fractured continuously by the balls inside the vials via the rotating motion of the machine. The weight ratio between the powders and the balls is important as well as the occupancy rate of the vial. The duration of the mechanical alloying process can vary for each composition and desired particle size. There are 2 critical outcomes during continuous cold welding and fracturing of the elemental powders, solid solution and intermetallic phases formation and the other vital alteration is in the microstructure of the alloy where mechanical alloying causes ultra-fine grain sizes. Spark plasma sintering is essentially a sintering technique where applied pressure is uniaxial and pulsed current with low voltage being applied. With this technique, powders can be sintered under applied pressures in shortened durations and since the cooling rate is not as rapid as the melting methods, the final structure is more homogenous and the morphology of the grains is equiaxed. In this thesis, refractory high entropy alloys of WNbMoV-Alx composition were synthesized by MA and followed by SPS processes. Different MA durations and Al concentrations were used for the production of the samples, in order to determine the effect of MA duration and Al concentration on the structural properties of the RHEA. The high purity level of 99 %, elemental powders were used with particle sizes of 44 μm. These powders were put into the WC vials which are coated with WNbMoV by mechanical alloying for 4 h, each time before the alloying of the powders. WC balls with the ratio of 10:1 with powders were used as the grinders. WNbMoV-Alx equimolar alloys were subjected to mechanical alloying for 0-2-4-6-8 hours to determine the effect of MA on structural properties. WNbMoV-Alx alloys with different Al concentrations of 0.25, 0.5, 0.75 and 1 M with 6 h mechanical alloying durations were investigated to determine the effect of Al on crystal structure and mechanical properties of the RHEA in general. After the MA process the alloyed powders were exposed to several characterization techniques. From the XRD analysis of the powders, phase peaks were observed and the differences caused from the MA durations were noted. It is observed that the peaks of the phases were different from the peaks that were predicted by CALPHAD simulations. The alloys prepared in this study have shown no secondary phases for the mechanically alloyed samples with durations of 2 h and more. A single BCC phase was observed for all of the MA durations except for the as-blended (0 h) sample since the elemental peaks were still present. The particle size analysis for the mechanically alloyed samples was tested in de-ionized H2O media and compared. After characterization the step of the mechanically alloyed powders, the samples were exposed to SPS. The sintering parameters were, 1500 0C, 30 MPa and 10 minutes. SPS'd samples were characterized and compared with the only MA'd samples. XRD patterns were investigated and the single BCC high entropy phase was detected. The phases of the tested samples were in complete correlation. Microstructural analysis of SPS samples was carried out by using SEM/EDS. The homogenous distribution of the elements inside the alloy was proven by the EDS images and equiaxed morphology of the grains was detected. 6 hour mechanically alloyed sample of equimolar WNbMoV-Alx RHEA was selected for compression test at different temperatures, in order to determine whether the RHEA could preserve its structural properties at elevated temperatures. Compression tests were carried out at both room temperature and 900 0C. Characterization of the compressed samples was later carried out. Finally, wear tests, density measurements and Vickers hardness tests for the WNbMoV-Alx RHEA were carried out. Archimedes' principle tester was used for the density measurements and the theoretical and experimental density values of the samples were calculated. Vickers hardness tester was used to determine the microhardness values of the samples, the highest hardness value was calculated as 16 GPa by using a 9 N load for 15 seconds and measuring from 25 different sites. Wear properties of the RHEA' were tested under the parameters of 4 N load , 2 mm length, 6 mm/s sliding speed for 50 meters by using 6 mm Al2O3 balls as counterface.
Benzer Tezler
- Investigation and development of the boride particulate-reinforced Al-12.6 wt.% Si metal matrix composites synthesized via different milling and sintering techniques
Farklı öğütme ve sinterleme yöntemleri ile üretilmiş borür takviyeli Al-12.6 wt.% Si matrisli kompozitlerin geliştirilmesi ve karakterizasyonu
EMRE TEKOĞLU
Doktora
İngilizce
2019
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA LUTFİ ÖVEÇOĞLU
- Katodik ark plazma işlemi ile Al-Cu-Fe üçlü bileşiklerinin elde edilmesi
Production of ternary Al-Cu-Fe compounds with cathodic arc plasma treatment
SEDA ARPACI
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN
- Hunter sürekli döküm prosesi ile üretilen Al-Fe-Mn-Si alaşımının mikroyapısının karakterizasyonu ve mekanik özelliklerinin belirlenmesi
Başlık çevirisi yok
NECMİ DOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilim Dalı
PROF. DR. OKAN ADDEMİR
- Kaynak edilebilen kobalt ve demir esaslı alaşımların yüksek sıcaklıkdaki aşınma davranışları
High temperature wear behaviour of weldable cobalt and iron based alloys
HALİS ÇELİK
- Mekanik alaşımlama ve mikrodalga sinterleme yöntemleri ile B4C takviyeli Al-Fe esaslı kompozitlerin üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of B4C reinforced Al-Fe based composites by mechanical alloying and mikrowave sintering methods
KAHRAMAN BEKİR İNDİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine MühendisliğiOsmaniye Korkut Ata ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ DİDEM OVALI DÖNDAŞ