Toz metalurjisi ile üretilen paslanmaz çelik yüzeylerde termal sprey tekniği ile uygulanan seramik kaplamaların karakterizasyonu
Characterization of ceramic coatings applied by thermal spray technique on stainless steel surfaces produced via powder metallurgy
- Tez No: 940916
- Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET AKİF ERDEN, DOÇ. DR. BEKİR GÜNEY
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Metallurgical Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Karabük Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 142
Özet
Biyomedikal, havacılık ve otomotiv dahil birçok sektörde uzun yıllardır tercih edilen paslanmaz çelik malzemeler, ucuz olmalarına karşın sahip oldukları yetersiz aşınma direnci ve yüksek yoğunluk nedeniyle özellikle hafifliğin ve aşınma direncinin önemli olduğu endüstriyel uygulamalardaki kullanım alanları, yüksek maliyetli muadil malzemelere kıyasla sınırlıdır. Toz metalurjisi (TM) ile üretilen metalik parçalar, yüksek poroziteye sahip olmaları nedeniyle geleneksel yöntemlerle üretilenlere kıyasla %5 ile %20 arasında daha düşük yoğunluklar sergileyebilirler. Fakat bu durumda da mekanik ve korozyon performansları düşmektedir. Bu çalışmada TM yöntemiyle ürettiğimiz AISI 316L paslanmaz çeliğin aşınma ve korozyon dirençlerini geliştirmek için yüzeylerine farklı bileşim ve partikül boyuta sahip seramik tozlar (%8 yitriya katkılı zirkonya esaslı toz, saf alümina toz, farklı partikül boyutlu alümina esaslı ağırlıkça %13 ve %40 titanya katkılı tozlar) termal sprey tekniğiyle uygulanmıştır. Yüzeyi hem kumlanmış hem de parlatılmış altlık numunelerin ve seramik kaplanmış numunelerin, sahip oldukları yüzey morfolojisi, mekanik ve korozyon performansları detaylı bir şekilde araştırılmıştır. Bu kapsamda hem farklı bileşimdeki seramik tozların, hem alumina esaslı tozlardaki titanya oranlarının, hem de kaplama tozu partikül boyutunun etkisini araştırmak maksadıyla numunelerin faz bileşimi, mikro sertliği, kaplama morfolojisi, yüzey pürüzlülüğü, porozite, aşınma ve korozyon direnci değerlerinin kapsamlı bir şekilde incelenmesi neticesinde elde edilen verileri genel olarak özetleyecek olursak; X-ışınları analizi neticesinde numunelerden elde edilen piklerin, TM AISI 316L altlıkta östenit fazına, zirkonya esaslı tozla kaplanan numunede t-ZrO2 fazına, saf alümina toz ile kaplanan numunede α-Al₂O₃ ve γ-Al₂O₃ fazlarına, titanya ilaveli alümina esaslı tozlarla kaplanan numunelerdeki piklerin α-Al₂O₃ , γ-Al₂O₃ , TiO₂ ve Al₂TiO₅ fazlarına ait oldukları tespit edilmiştir. Yüzey ve yan kesitlerde gerçekleştirilen SEM ve EDS analizleri neticesinde; seramik kaplama tabakalarının başarılı bir şekilde oluşturulduğu ve termal sprey kaplamalar için tipik olduğu bilinen gözenekli - mikro çatlaklı yapılar içerdiği fark edilmiştir. Kaplama parametrelerinin aynı olmasına rağmen, kaplama malzemesi olarak kullanılan tozların boyutunun ve erime sıcaklıklarının artmasıyla seramik tabaka kalınlıklarının arttığı tespit edilmiştir. Porozite ve ortalama yüzey pürüzlülüğü (Ra) incelemeleri neticesinde; seramik kaplanmış tüm numunelerin TM 316L altlığın porozite değerinden 1.2 ile 3.6 kat arasında daha düşük oldukları, fakat altlığın ortalama porozite boyutu değerinden 1.4 ile 4.4 kat arasında daha büyük değerlere sahip oldukları belirlenmiştir. Seramik kaplanmış numunelerde tespit edilen Ra değerleri yüzeyi kumlanmış altlığa kıyasla 2.1 ile 5.6 kat arasında daha düşük elde edilmiştir. Seramik kaplı numunelere ait sertlik değerlerinin substrata kıyasla 6.5 ile 8 kat arasında arttığı ve aşınma deneyleri neticesinde substrata kıyasla 26 ile 70 kat arasında daha düşük aşınma oranı değerlerine sahip oldukları ölçülmüştür. Aşındırıcı bilye ve numunelerdeki aşınma izlerine ait SEM ve EDS analizleri neticesinde; seramik kaplı numuneler ile altlığın aşınma izi morfolojileri arasında belirgin bir fark olduğu ve seramik kaplı tüm numunelerde aşınmanın ana nedeninin gevrek kırılma ve delaminasyon iken, altlıkta ise baskın aşınma mekanizmasının adhezyondan etkilendiği belirlenmiştir. Korozyon deneyleri neticesinde; seramik kaplı numunelerde paslanmaz çelik altlık numuneye kıyasla yaklaşık 9 kat daha yüksek korozyon direnci tespit edilmesine rağmen, aynı bileşimdeki fakat daha kaba boyutlu tozla kaplanan numunede ise altlığa kıyasla yaklaşık 1.5 kat daha düşük korozyon direnci tespit edilmiştir.
Özet (Çeviri)
Stainless steel materials, which have long been preferred across numerous sectors including biomedical, aerospace, and automotive, are relatively cost-effective; however, their inherently low wear resistance and high density limit their applicability in industrial environments where lightweight design and enhanced wear resistance are critical. Metallic components produced via powder metallurgy (PM) can exhibit 5% to 20% lower density compared to conventionally manufactured counterparts, primarily due to their high porosity. Nevertheless, this reduction in density often leads to compromised mechanical and corrosion performance. In this study, various ceramic powders with different compositions and particle sizes including 8 wt.% yttria-stabilized zirconia (YSZ), pure alumina, and alumina-based powders containing 13 wt.% and 40 wt.% titania with varying particle sizes were applied onto the surfaces of powder metallurgy (PM)-processed AISI 316L stainless steel using thermal spray techniques to enhance their wear and corrosion resistance. Both grit-blasted and polished substrate specimens, along with the ceramic-coated samples, were thoroughly investigated in terms of surface morphology, mechanical properties, and corrosion performance. In this context, to investigate the effects of ceramic powder composition, titania content in alumina-based powders, and coating powder particle size, a comprehensive evaluation was conducted on the phase composition, microhardness, coating morphology, surface roughness, porosity, wear resistance, and corrosion resistance of the samples. A general summary of the findings obtained from these analyses is as follows: X-ray diffraction (XRD) analysis revealed that the detected peaks correspond to the austenitic phase in the powder metallurgy (PM) AISI 316L substrate; to t-Zr02 phase in the sample coated with zirconia based powder; to α-Al₂O₃ and γ-Al₂O₃ phases in the sample coated with pure alumina powder; and to α-Al₂O₃, γ-Al₂O₃, TiO₂, and Al₂TiO₅ phases in the samples coated with titania-doped alumina-based powders. SEM and EDS analyses performed on surface and cross-sectional views confirmed the successful formation of the ceramic layers, which exhibited porous and microcracked structures typically associated with thermal spray coatings. Despite identical coating parameters, it was observed that an increase in the particle size and melting point of the feedstock powders led to an increase in the thickness of the ceramic layers. Based on porosity and average surface roughness (Ra) analyses, it was determined that all coated samples exhibited porosity values between 1.2 and 3.6 times lower than that of the PM 316L substrate. However, the average pore size in the coatings was found to be 1.4 to 4.4 times larger than that of the substrate. Additionally, the Ra values measured on the coated samples were 2.1 to 5.6 times lower compared to those of the grit-blasted substrate surface. The hardness values of the ceramic-coated samples were found to be 6.5 to 8 times higher compared to the substrate, while wear tests revealed that the coated samples exhibited wear rates 26 to 70 times lower than those of the substrate. SEM and EDS analyses of the wear tracks on both the abrasive ball and the samples revealed a distinct difference in wear morphology between the ceramic-coated samples and the substrate. In all ceramic-coated specimens, the dominant wear mechanisms were identified as brittle fracture and delamination, whereas in the uncoated substrate, adhesive wear was determined to be the prevailing mechanism. Based on the corrosion tests, the ceramic-coated specimens exhibited approximately 9 times higher corrosion resistance compared to the uncoated stainless steel substrate. However, the specimen coated with a coarser powder of the same composition demonstrated about 1.5 times lower corrosion resistance than the substrate.
Benzer Tezler
- Thermal oxidation of titanium-based cold spray coatings for biological and wear-related applications
Biyolojik ve aşınmaya yönelik uygulamalar için soğuk dinamik gaz püskürtme tekniği ile üretilmiş titanyum bazlı kaplamaların termal oksidasyonu
DOĞUKAN ÇETİNER
Doktora
İngilizce
2022
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU
PROF. DR. ERDEM ATAR
- Ni-Cr esaslı termal sprey kaplamaların farklı çelikler üzerinde üretilmesi ve karakterizasyonu
Production and characterization of Ni-Cr based thermal spray coatings on different steels
RASİM GÖKER IŞIK
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Metalurji MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALPTEKİN KISASÖZ
- Characteristics of cold sprayed titanium based coatings
Soğuk gaz dinamik püskürtme yöntemiyle üretilmiş titanyum esaslı kaplamaların karakteristiği
AHMET HİLMİ PAKSOY
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN
DOÇ. DR. ERDEM ATAR
- Toz metalurjisi ile üretilmiş Ti-xNB alaşımlarının yüzey özelliklerinin borlama yöntemi ile geliştirilmesi
Improvement of surface properties of Ti-xNB alloys produced by powder metallurgy with boriding
BATUHAN SORUŞBAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU
ÖĞR. GÖR. FAİZ MUHAFFEL
- Grafen katkılı CuCr1Zr kompozit malzeme üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of graphene added CuCr1Zr composite material
NİDA KURT
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Metalurji MühendisliğiSivas Cumhuriyet ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET KUL