Geri Dön

CoCrFeNiAlx (x=0.2; 0.6; 1.0; 1.5) yüksek entropili alaşım sistemlerin mekanik alaşımlamasının optimizasyonu ve B4C takviyesinin spark plazma sinterleme prosesine etkisinin araştırılması

Optimization of mechanical alloying of CoCrFeNiAlx (x=0.2; 0.6; 1.0; 1.5) high entropy alloy systems and investigation the effect of B4C addition on spark plasma sintering process

PDF İndir

  1. Tez No: 917312
  2. Yazar: YUSUF BARAN ÇİÇEK
  3. Danışmanlar: PROF. DR. GÜLTEKİN GÖLLER
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 171

Özet

Yüksek entropili alaşımlar (YEA), en az beş farklı elementin yapıya dahil olmasıyla elde edilen malzeme grubudur. Alaşım sisteminde bulunan, veya eklenecek olan her bir elementin, malzemenin belirli özelliklerini geliştirmesi beklenir. Mevcut alaşıma, çeşitli takviye malzemeleri (bor karbür, silisyum karbür vb.) veya oranı %5'ten daha az olacak şekilde minör olarak adlandırılan alaşım elementleri de eklenerek, yüksek mukavemet, yüksek sertlik, yüksek aşınma direnci, iyi seviyede korozyon ve oksidasyon direncine sahip bir malzeme elde edilebilmektedir. Bu sayede, yüksek entropili alaşım sistemlerinin, üstün performans gerektiren çeşitli alanlara yönelik (havacılık, otomotiv vb.) geliştirilmesine devam edilmektedir. YEA sistemlerinin kendine has bazı özellikleri bulunmaktadır. Bu özellikler, dört temel etki olarak adlandırılmakta olup, yüksek entropi etkisi, yüksek latis distorsiyonu, yavaş difüzyon etkisi ve kokteyl etkileridir. İlgili parametreler sayesinde, malzemelerin temel özellikleri ve davranışları hakkında bilgi edinilebilmektedir. YEA sistemlerinde en çok kullanılan üretim yöntemleri, genellikle üç başlık altında değerlendirilmektedir. Bu yöntemler; katı hal, sıvı hal ve gaz hal olmak üzere sınıflandırılmaktadır. Sıvı hal yöntemlerinde en çok kullanılan vakum ark ergitme prosesidir. Bu yöntemin temel sınırlaması, homojenliğin elde edilmesinin uzun vakitler gerektirmesidir. Homojenliğin sağlanması için, yöntemin birden fazla kez tekrarlanması gerekebilmektedir. Gaz hal üretim yöntemleri, genellikle YEA film kaplamaları üretiminde tercih edilmektedir. Katı hal üretim yöntemlerinde ise mekanik alaşımlama (MA) prosesi yer almaktadır. Mekanik alaşımlama prosesinde, toz, bilye ve proses kontrol maddesinin içerisinde olduğu, genellikle paslanmaz çelikten oluşan bir kap sistemi kullanılır. Yüksek enerjili değirmenlerde gerçekleştirilen proseste, çarpışmanın kuvvetiyle, toz parçacıkları plastik olarak deforme olur ve deformasyon sertleşmesine uğrayıp ile parçacıkların kırılması sağlanır. MA sayesinde, vakum ark ergitme yönteminin sınırlamalarından olan homojen mikroyapı iyi bir şekilde elde edilebilmektedir. Malzemede istenen yoğunluğun elde edilebilmesi için, MA işlemini takiben spark plazma sinterleme ile malzemeler şekillendirilerek, yüksek yoğunluk değerleri elde edilebilmektedir. SPS işlemi, düşük voltajlı, doğru akımlı, darbeli akımla aktive edilen bir basınçlı sinterleme tekniği olarak da bilinir ve yüksek sıcaklıklarda bile malzemelerin çok kısa sürelerde sinterlenip, yoğunlaştırılması sağlanır. YEA sistemlerine takviye malzemesi olarak eklenebilen, bor karbür (B4C), elmas ve kübik bor nitrürün ardından bilinen en sert üçüncü malzemedir. Bor karbür, düşük yoğunluğu (2,52 g/cm3), yüksek sertliği (29.1 GPa), yüksek ergime sıcaklığı (2450°C), yüksek elastik modülü (448 GPa), yüksek nötron emilim kesiti (600 barns) ve mükemmel termoelektrik gibi birçok çekici kombinasyonu sebebiyle yüksek performans uygulamaları için uygun bir malzemedir. Bu kapsamda, bor karbür, nükleer endüstride, personel ve araç güvenliği için zırh, roket yakıtı vb. uygulamalarda kullanılmaktadır. Çalışma kapsamında CoCrFeNiAlx (x=0,2 0,6 1,0 1,5) yüksek entropili alaşım sistemleri, mekanik alaşımlama yöntemi ile farklı sürelerde (2, 4, 6 ve 8 saat), sabit rpm dönüş hızında (800) üretilmiştir. Üretilen toz alaşımının partikül boyut dağılımları belirlenmiş ve X-ışını difraktormetre analizi (XRD) ile faz analizleri gerçekleştirilmiştir. Sinterleme işleminden önce, ThermoCalc yazılım programında yapıda hangi fazların oluşabileceğine ilişkin faz tahmin analizi gerçekleştirilmiştir. MA yöntemiyle üretilen toz alaşımlarının şekillendirilmesi için spark plazma sinterleme (SPS) prosesi gerçekleştirilmiştir. Sinterleme işleminde başlangıç tozu olarak 20 saat 300 rpm hızında öğütülmüş CoCrFeNiAl0,2 ve CoCrFeNiAl1 alaşım sistemleri kullanılmıştır. Bor karbür takviyeli alaşım sistemlerinde, sinterleme işleminden önce, öğütülmüş YEA tozları ve bor karbürün daha iyi homojen dağılımı için turbulada 6 saat süreyle karıştırma işlemi gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda, hem takviyesiz hem de değişen oranlarda (hacimce %2 ve %4) bor karbür takviyeli CoCrFeNiAl0,2 ve CoCrFeNiAl1 alaşım sistemleri değişen sıcaklıklarda (845, 900, 1000°C), sabit basınçta (40 MPa) ve sabit sinterleme sıcaklığında (3 dakika) SPS yöntemiyle şekillendirilmiştir. SPS işlemlerinden sonra, malzemelerin yoğunluk ölçümleri, XRD yöntemiyle faz analizleri, taramalı elektron mikroskobu ve enerji dağılım spektrometresi ile mikroyapı karakterizasyonları gerçekleştirilmiştir. Mekanik testler kapsamında, malzemelerin Vickers mikrosertlik ölçümleri, aşınma ve basma testleri yapılmıştır. Malzemelerin termal davranışları hakkında bilgi sahibi olabilmek için termogravimetrik analiz (TGA) ve diferansiyel termal analiz (DTA) işlemleri gerçekleştirilmiştir. Partikül boyut analizlerinde, genellikle 2-4 saat aralığında partikül boyutlarında bir azalma görülmüştür. Burada mekanik alaşımlama mekanizmalarından kırılma, soğuk kaynağa göre daha baskındır. 4-6 saat aralığında ise partikül boyutlarında bir artış görülmüştür. Burada ise soğuk kaynağın kırılmaya göre baskın olduğu gözlemlenmiştir. En yüksek yoğunluk değeri (7,87 ± 0,012), 1000°C sıcaklık, 40 MPA basınç ve 3 dakika sinterleme süresinde sinterlenen CoCrFeNiAl0,2 sisteminde elde edilmiştir. Yoğunluk artışının temel sebebinin, sinterleme sıcaklığındaki artışa bağlı olarak por miktarının azalması ve alüminyum oranının düşük olmasından kaynaklandığı görülmüştür. Mekanik alaşımlanmış CoCrFeNiAlx sistemlerinin faz analizlerine bakıldığında tüm alüminyum içeriğinde, YMK ve HMK katı çözeltilerinin bir arada bulunduğu görülmüştür. Elde edilen bu sonuçların termodinamik hesaplamalarla da uyumlu olduğu görülmüştür. Sinterlenmiş numunelerin faz analizlerine bakıldığında ise, eşmolar alaşım sistemlerinin hepsinde YMK ve HMK fazları bir arada bulunurken, ek olarak alüminyum esaslı intermetalik bileşiğin ve işlemler sırasında karbon difüzyonuna bağlı olarak karbürlü yapılarının da bulunduğu görülmüştür. Eşmolar olmayan CoCrFeNiAl0,2 alaşım sistemlerinde ise ağırlıklı olarak YMK katı çözelti fazı ve karbürlü yapılar mevcuttur. Alüminyum oranının arttıkça, tek fazlı bir HMK yapısının oluşacağı bilinmektedir. Dolayısıyla eşmolar olmayan CoCrFeNiAl0,2 sisteminde alüminyum oranının düşük olmasına bağlı olarak ağırlıklı olarak YMK fazının bulunması beklenen bir durumdur. Taramalı elektron mikroskobu ve enerji dağılım spektrometresi ile yapılan mikroyapı karakterizasyonlarıyla, X-ışını difraktormetre analizi sonuçlarının birbiriyle uyumlu olduğu görülmüştür. En yüksek sertlik değeri (4,76 ± 0,17 GPa), 900°C sıcaklıkta – 40 MPa basınçta – 3 dakika sinterleme süresinde sinterlenen takviyesiz CoCrFeNiAl alaşımında elde edilmiştir. Genel olarak, yoğunlaşmanın daha iyi olduğu sıcaklıklarda bor karbür takviyesiyle birlikte sertlik değerleri, takviyesiz sisteme göre eşdeğerdir. En yüksek sinterleme sıcaklığında (1000°C) ise, B4C takviyesiyle birlikte, sertlik değerinde belirgin bir artış görülmüştür. Bunun sebebinin, yüksek yoğunlaşmaya ek olarak, takviyesiz sisteme göre farklı pik açılarında oluşan Fe,Cr esaslı karbür yapılarından kaynakladığı düşünülmektedir. Aşınma testi sonuçlarına göre, 845 ve 900°C'de B4C ilavesiyle, daha düşük aşınma derinliği ve genişliğiyle birlikte ortalama sürtünme katsayısı, hacimsel aşınma kaybı ve spesifik aşınma hızı değerleri azalarak aşınma direncinde iyileşme elde edilmiştir. 1000°C sıcaklıkta ise, B4C ilavesiyle birlikte daha yüksek sürtünme katsayısı, hacimsel aşınma kaybı ve aşınma hızı elde edilmiştir. Bunun sebebinin malzeme yüzeyinde oksit tabakasının meydana geldiği düşünülmektedir. Elde edilen verilerin, profilometre sonuçlarıyla ve optik mikroskop görüntüleriyle uyumlu olduğu görülmüştür. Basma testleri, en yüksek sertlik değerine sahip 900°C sıcaklıkta sinterlenen takviyesiz CoCrFeNiAl alaşımı ve en yüksek yoğunluk değerine sahip 1000°C sıcaklıkta sinterlenen eşmolar olmayan takviyesiz CoCrFeNiAl0,2 alaşım sisteminde gerçekleştirilmiştir. Eşmolar olmayan alaşım sisteminin basma mukavemeti 1388,19 MPa bulunurken, eşmolar alaşım sisteminin ise 395,62 MPa bulunmuştur. Sinterleme sıcaklığının artışıyla beraber basma mukavemeti değerinde de artış görülmüştür. Basma mukavemetindeki artışın, azalan gözenek miktarı ve gözenek boyutuna bağlı olarak gerçekleştiği düşünülmektedir. Termal testler kapsamında, en yüksek sertlik değerine sahip 900°C sıcaklıkta sinterlenen takviyesiz CoCrFeNiAl alaşımı ve %2 bor karbür takviyeli sistemleri için termogravimetri (TG) ve diferansiyel termal analizleri (DTA) gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda her iki alaşım için parabolik hız sabitleri hesaplanmıştır. Takviyesiz alaşımın parabolik hız sabiti, kp=1.21×10−8 (mg²/cm⁴/s), bor karbür takviyeli alaşımın parabolik hız sabiti değeri ise kp≈1.71×10−9 (mg²/cm⁴/s) olarak bulunmuştur. Her iki sistemde de ağırlık artışının az olduğu (takviyesiz sistemde %0,7 takviyeli sistemde ise %0,3) ve parabolik hız sabiti değerlerinin düşük olması sebebiyle oksidasyona karşı iyi bir dirence sahip oldukları söylenebilir. B4C ilavesinin, daha az ağırlık artışına ve hız sabiti değerinin daha düşük olmasına sebep olarak, oksidasyon direncini iyileştirmiştir.

Özet (Çeviri)

High entropy alloys (HEA) are a group of materials obtained by incorporating at least five different elements into the structure. Each element present in the alloy system, or to be added, is expected to improve certain properties of the material. By adding various reinforcing materials (boron carbide, silicon carbide, etc.) or so-called minor alloying elements with a ratio of less than 5% to the existing alloy, a material with high strength, high hardness, high wear resistance, good corrosion and oxidation resistance can be obtained. In this way, the development of high entropy alloy systems for various fields (aerospace, automotive, etc.) that require superior performance continues. HEA systems have some unique features. These properties are named as four basic effects: high entropy effect, high lattice distortion, slow diffusion effect and cocktail effect. Thanks to the relevant parameters, information about the basic properties and behavior of materials can be obtained. The most commonly used production methods in HEA systems are generally evaluated under three headings. These methods are classified as solid state, liquid state and gas state. The vacuum arc melting process is the most widely used in liquid state methods. The main limitation of this method is that it takes a long time to achieve homogeneity. The process may need to be repeated more than once to achieve homogeneity. Gas state production methods are generally preferred in the production of HEA film coatings. Solid state production methods include the mechanical alloying (MA) process. In the mechanical alloying process, a container system consisting of powder, ball and process control agent, usually stainless steel, is used. In the process, which is carried out in high-energy mills, the powder particles are plastically deformed by the force of the collision and undergo deformation hardening to break the particles. Thanks to MA, the homogeneous microstructure, which is one of the limitations of the vacuum arc melting method, can be obtained in a good way. In order to obtain the desired density in the material, high density values can be obtained by shaping the materials with spark plasma sintering following the MA process. The SPS process is also known as a low-voltage, direct current, pulsed current-activated pressure sintering technique, which allows materials to be sintered and densified in a very short time even at high temperatures. Boron carbide (B4C) is the third hardest known material after diamond and cubic boron nitride, which can be added as a reinforcing material in HEA systems. Boron carbide is suitable for high performance applications due to its attractive combination of low density (2.52 g/cm3), high hardness (29.1 GPa), high melting temperature (2450°C), high elastic modulus (448 GPa), high neutron absorption cross section (600 barns) and excellent thermoelectricity. In this context, boron carbide is used in the nuclear industry, armor for personnel and vehicle safety, rocket fuel, etc. Within the scope of the study, CoCrFeNiAlx (x=0.2 0.6 1.0 1.5) high entropy alloy systems were produced by mechanical alloying method for different times (2, 4, 6 and 8 hours) at constant rpm rotation speed (800). Particle size distributions of the produced powder alloys were determined and phase analysis was carried out by X-ray diffractormeter analysis (XRD). Before the sintering process, phase prediction analysis was performed in ThermoCalc software program to determine which phases may form in the structure. Spark plasma sintering (SPS) process was carried out to shape the powder alloys produced by MA method. CoCrFeNiAl0.2 and CoCrFeNiAl1 alloy systems milled at 300 rpm for 20 hours were used as starting powder in the sintering process. In the boron carbide reinforced alloy systems, before sintering, mixing was carried out for 6 hours in turbulence for better homogeneous distribution of ground YEA powders and boron carbide. In this context, both unreinforced and boron carbide reinforced CoCrFeNiAl0.2 and CoCrFeNiAl1 alloy systems with varying proportions (2% and 4% by volume) were formed by SPS method at varying temperatures (845, 900, 1000°C), constant pressure (40 MPa) and constant sintering temperature (3 minutes). After SPS processes, density measurements, phase analysis by XRD method, microstructural characterization by scanning electron microscopy and energy dispersive spectrometry were performed. Within the scope of mechanical tests, Vickers microhardness measurements, abrasion and compression tests were performed. Thermogravimetric analysis (TGA) and differential thermal analysis (DTA) were performed to obtain information about the thermal behavior of the materials. In particle size analysis, a decrease in particle size was generally observed in the range of 2-4 hours. Here, fracture from mechanical alloying mechanisms is more dominant than cold welding. In the range of 4-6 hours, an increase in particle size was observed. Here, cold welding was observed to be dominant over fracture. The highest density value (7.87 ± 0.012) was obtained in the CoCrFeNiAl0.2 system sintered at 1000°C temperature, 40 MPA pressure and 3 minutes sintering time. It was observed that the main reason for the increase in density was due to the decrease in the amount of pores due to the increase in sintering temperature and the low aluminum content. Phase analysis of the mechanically alloyed CoCrFeNiAlx systems showed that FCC and BCC solid solutions coexist in all aluminum content. These results were found to be consistent with thermodynamic calculations. Phase analyses of the sintered specimens showed that FCC and BCC phases coexisted in all of the equimolar alloy systems, in addition to the aluminum-based intermetallic compound and carbide structures due to carbon diffusion during processing. In the non-equimolar CoCrFeNiAl0.2 alloy systems, FCC solid solution phase and carbide structures are predominantly present. It is known that as the aluminum content increases, a single-phase BCC structure will form. Therefore, the presence of predominantly FCC phase in the non-equimolar CoCrFeNiAl0,2 system is expected due to the low aluminum content. Microstructural characterizations by scanning electron microscopy and energy dispersive spectrometry and X-ray diffractormeter analysis results were found to be consistent with each other. The highest hardness value (4.76 ± 0.17 GPa) was obtained in the unreinforced CoCrFeNiAl alloy sintered at 900°C temperature - 40 MPa pressure - 3 minutes sintering time. In general, the hardness value with boron carbide reinforcement are equivalent to those of the unreinfored system at temperatures where densification is better. At the highest sintering temperature (1000°C), a significant increase in hardness value was observed with B4C reinforcement. This is thought to be due to the Fe,Cr based carbide structures formed at different peak angles compared to the unreinforced system, in addition to high densification. According to the wear test results, the addition of B4C at 845 and 900°C improved the wear resistance by decreasing the average coefficient of friction, volumetric wear loss and specific wear rate values with lower wear depth and width. At 1000°C, higher coefficient of friction, volumetric wear loss and wear rate were obtained with the addition of B4C. The reason for this is thought to be the formation of an oxide layer on the surface of the material. The data obtained were consistent with the profilometer results and optical microscope images. Compression tests were carried out on the unreinforced CoCrFeNiAl alloy sintered at 900°C with the highest hardness value and on the unreinforced CoCrFeNiAl0.2 alloy system sintered at 1000°C with the highest density value. The compressive strength of the non-equilolar alloy system was found to be 1388.19 MPa, while that of the equilolar alloy system was found to be 395.62 MPa. The compressive strength value increased with the increase in sintering temperature. It is thought that the increase in compressive strength is due to the decreasing pore amount and pore size. Within the scope of thermal tests, thermogravimetry (TG) and differential thermal analysis (DTA) were performed for the unreinforced CoCrFeNiAl alloy sintered at 900°C with the highest hardness value and 2% boron carbide reinforced systems. In this context, parabolic rate constants were calculated for both alloys. The parabolic rate constant value of the unreinforced alloy was found to be kp=1.21×10-8 (mg²/cm⁴/s), while the parabolic rate constant value of the boron carbide reinforced alloy was kp≈1.71×10-9 (mg²/cm⁴/s). It can be said that both systems have good resistance to oxidation due to low weight gain (0.7% in the unreinforced system and 0.3% in the reinforced system) and low parabolic rate constant values. The addition of B4C improved the oxidation resistance by causing less weight gain and lower rate constant values.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    850693

    CoCrFeNi yüksek entropi alaşımlarında Al ve Ti 'un degredasyon, iyon salınımı ve biyoaktivite üzerine etkilerinin araştırılması

    Investigation of the effects of Al and Ti on degradation, ion release, and bioactivity in CoCrFeNi high-entropy alloys

    YUSUF GÜL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    BiyomühendislikMunzur Üniversitesi

    Stratejik Hammaddeler ve İleri Teknoloji Uygulamaları Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ YAKUP SAY

  2. Tez No

    798227

    CoCrFeNiTiAlx yüksek entropili alaşımların radyasyon zırhlama parametrelerinin belirlenmesi

    Determination of radiation shielding parameters of CoCrFeNiTiAlx high entropy alloys

    NURETTİN ARPAÇ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Fizik ve Fizik MühendisliğiBitlis Eren Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MURAT AYGÜN

  3. Tez No

    849625

    Yüksek entropili CoCrFeNiX (X= Ti, Nb, Hf, Zr) alaşımlarının üretilerek Nh3 gazı ortamında nitrürlenmesi ve karakterizasyonu

    Nitriding and characterization of high entropy CoCrFeNiX (X= Ti, Nb, Hf, Zr) alloys by production in Nh3 gas atmosphere

    DOĞANCAN CEYLAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Metalurji MühendisliğiGebze Teknik Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET TARAKÇI

  4. Tez No

    740618

    Yüksek entropili CoCrFeNiSi ve CoCrFeNiAg alaşımlarının üretilmesi ve araştırılması

    Production and investigation of high entropy CoCrFeNiSi and CoCrFeNiAg alloys

    AHMET HULUSİ KAYA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Mühendislik BilimleriKahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSA GÖĞEBAKAN

Geri Dön