Investigation of mechanical and thermal properties of TiB2 coating grown on Ti-6Al-4V VIA CRTD-Bor
KRTD-Bor Tekniği ile Ti-6Al-4V üzeri̇nde oluşturulan TiB2 kaplamanin mekani̇k ve termal özelli̇klere etki̇si̇
- Tez No: 916474
- Danışmanlar: PROF. DR. GÜLDEM KARTAL ŞİRELİ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 139
Özet
Yüzey modifikasyon yöntemleri, yüzey özelliklerini geliştirmek için modern mühendislikte yaygın olarak kullanılır. Yüzey kaplama sürecileri için çeşitli yüzey modifikasyon yöntemleri ve malzemeleri kullanılır. Malzemeler ve yöntemler, çeşitli avantajları ve dezavantajları sebebiyle birbirlerine göre farklılık gösterir. Bu bağlamda, yüzey modifikasyon yöntemleri ve malzemeleri arasında titanyum diborür ve KRTD-Bor tekniği büyük avantajlara sahiptir. TiB2, üstün elektrik, termal ve mekanik özellikleri ile çoğu mühendislik uygulaması için istenen bir geçiş metali borürü olarak kabul edilir. TiB2 kaplamaların temel avantajı, üstün sertlik ve aşınma dirençleri olarak bilinir. Ayrıca, titanyum diborür kaplamaların yüksek sıcaklıkta stabil olması, yüksek sıcaklık uygulamaları için kullanım gerekliliği yaratmaktadır. Borlama işlemi, paket ve pasta gibi yaygın işlem teknikleri ile kolayca gerçekleştirilir. Ancak, modern günlerde bu tekniklerin, çoğunlukla proses süresi ve tehlikeli yan ürünlerle bağıntılı olarak birkaç dezavantajı vardır. Uygun tekniklerle karşılaştırıldığında, KRTD-Bor yöntemi özetle aşağıdaki maddeleri sunar; Kısaltılmış işlem süreleri Daha kalın kaplama tabakası Tehlikeli yan ürünlerin ortadan kaldırılması İstenilen kaplama bileşiğiyle stokiyometrik uyumluluk. Bu nedenle, TiB2'nin proses avantajları ve üstün özellikleri göz önünde bulundurulduğunda, KRTD-Bor tekniği ile titanyum diborür kaplamaların üretlmesi, yüksek sıcaklık kararlılığı ve mükemmel mekanik özelliklerin birleştirilmesinin istendiği havacılık uygulamaları için yararlı olabilir.xvi Bu çalışmada, titanyum diborür ince bir film tabakası, Grade-5 titanyum (Ti-6Al-4V) alt tabaka malzemesi üzerine kaplanmıştır. Birkaç koşul ve kaplama denemesinden sonra, 1000° C'de 15 dakika elektroliz (akım) ve 30 dakika ergimiş tuzz içince akımsız bekletme uygulanmıştır. Daha sonra, yüksek sıcaklık elektroliz uygulamasının dezavantajlarını ortadan kaldırmak için örneklere ısıl işlem uygulanmıştır. Alt tabaka malzemesi üzerinde elde edilen kaplama yaklaşık 3 mikron kalınlığında TiB2 olarak karakterize edilmiştir. Titanyum diborür kaplamanın Grade-5 titanyum alaşımı üzerindeki etkilerini elde etmek için bir dizi test kampanyası düzenlenmiştir. Özellikle, pürüzlülük ölçümleri, çekme testleri, yüksek çevrimli yorulma testleri, yüksek sıcaklık oksidasyon testleri, termal radyasyon yayılımı/yansıması testleri ve ıslanabilirlik testleri borlanmış ve borlanmamış (çıplak, yalın) numunelerle gerçekleştirilmiştir. Borlanmış numunelerin pürüzlülük ölçümleri, Ra için 0,461 µm (ortalama pürüzlülük) olarak bulunmuş; çıplak numunenin pürüzlülüğü ise Ra için 0,479 µm olarak bulunmuştur. Ortalama pürüzlülük değerlerine ek olarak, her iki numune tipinin RZ değerleri borlanmış numuneler için 2,5076 µm ve çıplak numuneler için 2,883 µm olarak bulunmuştur. Bu nedenle, 15 dakikalık elektrolitik kaplama ve ergimiş tuz banyosu işleminde 30 dakikalık tutma, pürüzlülük değerleri üzerinde olumsuz bir etki yaratmamıştır. Çekme testleri, özel havacılık yönetmelikleri uyarınca 3 farklı sıcaklık aralığında gerçekleştirilmiştir. Kampanyanın sonunda, borlamanın çekme özellikleri üzerinde olumsuz bir etkisi olmadığı bulunmuş, çıplak ve borlanmış numuneler için sırasıyla -55°C için 1112 MPa-1155 Mpa, 23°C için 1014 MPa ve 1014 MPa ve 180°C için 849 MPa-873 MPa nihai çekme dayanımı sonuçları elde edilmiştir. Yüksek çevrim yorulma testi, R 0,1'lik bir gerilim oranıyla çeşitli gerilim genlikleri uygulanarak gerçekleştirilmiştir. Borlanmış numuneler, çıplak numunelerle karşılaştırıldığında çevrim sayısı olarak önemli miktarda azalma göstermiştir. Bu olay, kaplamanın sütun benzeri mikro yapısı ve dendritik morfolojisi ile bağlantılıdır. Yüksek sıcaklık oksidasyon testleri sırasıyla 700 C°, 800 C° ve 1000 C°'de 150, 28 ve 24 saat boyunca gerçekleştirilmiştir. 700 C° testinde, çıplak numune/kaplamalı numune için 5,07 ağırlık değişim oranı incelenmiştir. 800 C° ve 1000 C° testlerinde, çıplak numune/kaplamalı numune için sırasıyla 1,4 ve 1,6 ağırlık değişim oranı bulunmuştur. Buna ek olarak, uygulanan sıcaklık aralıkları arasındaki genel reaksiyonxvii enerjisi, çıplak numuneler için -255,12 kJ ve kaplanmış numuneler için -456,46 kJ olarak hesaplanmıştır. Dolayısıyla, titanyum diborür kaplamanın genel reaksiyon enerjisi için 1,8 kat üstün performansı tartışılmıştır. Borlanmış numunelerin radyasyon (termal radyasyon) dağılım formunu karakterize etmek için termal emisivite testi gerçekleştirilmiştir. Üç tip numune kullanılmıştır; çıplak, Tip 1 borlanmış (yıkanmamış) daha koyu yüzey rengine sahip ve Tip 1 borlanmış numuneye kıyasla daha açık yüzey rengine sahip Tip 2 borlanmış (yıkanmış). Sonuçlar, 20° ve 60° olay açısının ortalaması için, Tip 1 numunenin 0,91'lik emisivite değeri, Tip 2 numunenin 0,42'lik emisivite değeri ve çıplak numunenin 0.28'lik emisivite değeri 3-5 µm dalga boyu arasında MWIR (orta dalga kızılötesi dalga boyu) bulunmuştur. Bu dalga boyu, jet motoru iç ışıma dağılımı için önemli olarak bilinmekte ve havacılık uygulamalarının düşük gözlemlenebilirlik gereksinimleri için hayati öneme sahiptir. Emisiviteyi düşük gözlemlenebilirlikle birleştiren optimum değer, Tip-2 numune için bulunmuştur. Olası ikincil yüzey işlemleri (örneğin boyama veya ikincil kaplamalar) için kaplamanın tepkisini görmek amacıyla ıslanabilirlik testleri yürütülmüştür. Sonuçlar çıplak numune için yaklaşık 50 derecelik ve kaplanmış numune için yaklaşık 20 derecelik temas açısı olarak bulunmuştur. Sonuçları doğrulamak için numunelerin farklı yerlerinden çapraz kontroller yapılmıştır. TiB2'nin hidrofilisitesi çıplak numuneden çok daha yüksek olarak bulunmuş ve bu da ikincil işlemler için kolaylaştırıcı bir özellik olarak değerlendirilmiştir. Yukarıda bahsedilen test gruplarının ana amacı, TiB2 kaplamaları için literatür açığıdır. Tüm test çıktıları yeni bulgular üretmiştir ve havacılık uygulamalarında kaplama adayları için sonraki çalışmalarda faydalı olacaktır.
Özet (Çeviri)
Surface modification methods are extensively used in modern engineering to promote surface properties. Various surface modification methods and agents are utilized to conduct the process of surface treatment. The agents and methods vary in each other via their different advantages and disadvantages. Hence, among all surface modification methods and agents titanium diboride and CRTD-Bor technique possess the uttermost advantages. TiB2 is considered a desired transition metal boride for most engineering enthusiasts since it performs advanced electrical, thermal, and mechanical properties. The main advantage of the TiB2 coatings are well known as their excellent hardness and wear resistance against sliding surfaces. Moreover, the high-temperature stability of titanium diboride coatings makes it required for high-temperature applications. The boriding process is conveniently conducted by governing the pack and past process techniques. However, in modern days these techniques have several drawbacks, mostly about time and hazardous by-products. When compared with the convenient techniques, the CRTD-Bor method offers; ▪ Shortened process times ▪ Thicker coating layer ▪ Elimination of hazardous by-products ▪ Aligned stoichiometric compliance with the desired coating compound. Hence, when the process advantages and outstanding properties of TiB2 are considered, the application of titanium diboride coatings via the CRTD-Bor technique may be useful for aerospace applications where high-temperature stability and excellent mechanical properties are desired to be combined. In this study, a thin film layer of TiB2 is coated onto Grade-5 titanium (Ti-6Al-4V) substrate material. After several condition and coating trials, 15 minutes of electrolysisxii and 30 minutes of electrolytic holding were implemented to the substrate specimens at 1000° C. Afterwards, solution treatment and aging and heat treatment were implemented to the specimens to eliminate the drawbacks of high-temperature electrolysis application. The attained coating on the substrate material was near 3 microns thick TiB2 and well aligned with the stoichiometric patterns. To obtain the effects of titanium diboride coating on Grade-5 titanium alloy a series of test campaigns was held. In particular, roughness measurements, tensile tests, high cycle fatigue tests, high-temperature oxidation tests, thermal radiation emittance/reflectance tests, and wettability tests were executed with the borided and non-borided (bare, lean) specimens. Roughness measurements of borided specimens showed 0.461µm for Ra (average roughness) compared with the bare specimen roughness of 0.479 µm for Ra. In addition to the average roughness values, RZ values of both types of specimens have been obtained as 2.5076 µm for borided and 2.883 µm for bare specimens. Thus, 15 minutes of electrolytic coating and 30 minutes of holding in the molted salt bath process generated no adverse effect on roughness values. Tensile tests have been carried out at 3 different temperature ranges by the specific aerospace regulations. No adverse effect of boriding on the tensile properties is obtained at the end of the campaign with ultimate tensile strength results of 1112 MPa- 1155 Mpa for -55°C, 1014 MPa, and 1014 MPa for 23° C, and 849 MPa-873 MPa for 180°C respectively for bare and borided specimens. High cycle fatigue test has been carried out by implementing various stress amplitudes with a stress ratio of R 0.1. Borided specimens showed a significant amount of decrease when compared with the bare specimens. This event was linked with columnar-like microstructure and dendritic morphology of the coating. High-temperature oxidation tests were executed at 700 C°, 800 C°, and 1000 C° respectively for 150, 28, and 24 hours. For the 700 C° test, a 5.07 rate of weight change for bare specimen/coated specimen has been examined. For 800 C° and 1000 C° tests, 1.4 and 1.6 rates of weight change for bare specimen/coated specimen have been found respectively. In addition to that, the overall reaction energy between the implemented temperature ranges was evaluated as -255.12 kJ for bare and -456.46 kJ for coatedxiii specimens. Hence 1.8 times better performance of titanium diboride coating is discussed for the overall reaction energy. Thermal emissivity test has been executed to characterize the radiation dissipation form of the borided specimens. Three types of specimens have been used; bare, Type 1 borided (unwashed) with a darker surface color, and Type 2 borided (washed) with a lighter surface color in comparison with the Type 1 borided specimen. Resulted revealed that, for the average of 20° and 60° incidence angle, Type 1 specimen showed an emissivity value of 0.91, Type 2 specimen showed an emissivity value of 0.42 and bare specimen showed an emissivity value of 0.28 between the wavelength of 3-5 µm which is named as MWIR (mid-wave infrared wavelength). This wavelength was discussed as important for jet-engine interior radiance dissipation and remarked as vital for low observability requirements of aerospace applications. The optimum value which combines emissivity with low observability is found for the Type-2 specimen. Wettability tests have been conducted to see the reaction of the coating for possible secondary surface treatments such as dying or secondary coatings. Results showed a contact angel of nearly 50 degrees for bare specimen and nearly 20 degrees for the coated specimen. Cross-checks have been done from different locations of specimens to validate the results. The hydrophilicity of TiB2 was way higher than that of bare specimen which can be correlated to better capacity for secondary operations. The driving force for the above test group has been sourced from the huge literature gap for TiB2 coatings. The whole test group generated unique findings and hopefully will be beneficial for later studies for coating candidates on aerospace applications.
Benzer Tezler
- TiB2 coating on different substrates via dual process:CA-PDV and CRTD-Bor
Farklı malzemeler üzerinde çift işlem (KA-FBB, KRTD-Bor) ile TiB2 kaplamasının elde edilmesi
MEHRAN KARIMZADEHKHOEI
Doktora
İngilizce
2024
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLDEM KARTAL ŞİRELİ
PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN
- Katı-gaz karbotermal reaksiyonu ile metal borür ve metal karbür tozlarının üretilebilirliğinin araştırılması
Investigation of the feasibility of producing metal boridesand metal carbide powders via solid-gas carbothermal reactions
ALİ RIZA EBEOĞLU
Doktora
Türkçe
2025
Makine MühendisliğiKütahya Dumlupınar ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AĞAH AYĞAHOĞLU
PROF. DR. MUSTAFA AYDIN
- Alüminyum matrisli farklı seramik takviyeli kompozitlere grafen ilavesinin termal ve mekanik özelliklere etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of grafen addition on thermal and mechanical properties of different ceramic reinforced aluminum matrix composites
SAFA POLAT
Doktora
Türkçe
2020
Metalurji MühendisliğiKarabük ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YAVUZ SUN
- Toz metalürjisi yöntemi ile AA6061/TiB2/grafen hibrid kompozit malzemelerin üretimi, mikroyapı ve mekanik özelliklerinin araştırılması
Production of AA6061/TiB2/graphene hybrid composite materials by powder metallurgy method and investigation of microstructure and mechanical properties
EYÜP KUTAY ÇAKIROĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Metalurji MühendisliğiGazi ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RAMAZAN ÇITAK
- B4C esaslı kompozitlerin B4C/Me başlangıç tozlarından hareketle spark plazma sinterleme (SPS) yöntemi ile üretilmesi ve karakterizasyonu
Production and characterization of B4C based composites from B4C/Me starting powders by using spark plasma sintering (SPS) method
MERAL CENGİZ
Doktora
Türkçe
2016
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİLİZ ŞAHİN