Geri Dön

Titanyum köpük malzemelerin üretilmesi ve termal özellikleri ile korozyon davranışının incelenmesi

Production of titanium foam materials and investigation of their thermal properties and corrosion behavior

PDF İndir

  1. Tez No: 959432
  2. Yazar: BETÜL DEMİR
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ AYSUN AYDAY
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: Sakarya Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 91

Özet

Metalik köpüklerin metallerle kıyasladığımızda çok daha hafif olması, oldukça düşük yoğunluğa, yüksek sıvı ve gaz geçirgenliğine sahip olması gözenekli yapılarından kaynaklıdır. Düşük özgül ağırlık, yüksek enerji ve titreşim sönümleyebilme, yalıtkanlık gibi ilgi çekici özellikleri barındırması metalik köpükleri günümüzde ve gelecekte yüksek teknolojide kullanımda önemli etkenlerindendir. Titanyum köpüğü en çok kullanılan bir diğer metalik köpük olan Alüminyumla ve diğer metalik köpük malzemelerle kıyaslandığında Titanyum köpüğün düşük yoğunluğa ve bu sebepten kaynaklı oldukça hafif yapıların olması, yüksek korozyon direnci, yüksek ergime sıcaklığı, oldukça iyi mekanik özellikler ve muhteşem biyo uyumluluk gibi avantajlı özelliklere sahiptir. Titanyumun köpüğün bu muhteşem özellikleri medikal alanlarda düşük yoğunluk ve yüksek mukavemet özellikleri sayesinde onun havacılık, otomotiv sektörü gibi yüksek teknolojik çalışmalar gerektiren alanlarda kullanılma sebeplerindendir. Titanyum açık hücreli köpük yapmak için en uygun yöntemlerden biri olan boşluk tutucu kullanılması, tozların homojen dağılması ve aynı zamanda homojen yapıda açık hücreli oluşturmak için toz metalurji üretim yönteminden yararlanarak katı katı hal sinterleme işlemi yapılması hedeflenmiştir. Boşluk tutucu kullanılarak üretim yapmak, Titanyum metalinin yüksek ergime sıcaklığına sahip olması ve atmosfer gazlarına afinitesinin yüksek olması nedeniyle katı katı hal toz sinterleme yöntemiyle açık hücreli köpük oluşturmak için en uygun yöntemlerden bir tanesidir. Sinterleme yöntemi olarak Elektrik destekli sinterleme (ECAS) kullanılması hedeflenmiştir. ECAS yöntemi, koruyucu atmosfer ortamına gerek duymadan, geleneksel sinterleme yöntemleri kıyasla oldukça kısa sürelerde, az ekipmanla ve daha az işçilikle üretim yapılabilmesi gibi özellikleri nedeniyle üretim yöntemi olarak tercih edilmiştir. Bu çalışmada ise açık hücreli Titanyum köpüğü elde etmek için, Titanyum tozu ve yer tutucu diğer bir deyişle gözenek yapıcı (boşluk oluşturucu) olarak bir atık olan seramik parlatma atığı (SPA) %10, 20, 40, 60 ve 80 oranlarında kullanılmıştır. Kullanılan seramik parlatma atığının (SPA)'nın artışıyla oluşan gözenek yapısını, boyutu, dağılımı, açık hücreli gözenek, kapalı hücreli gözenek gibi durumlarının ve gözenek yapısının değişimiyle termal iletkenlik, özgül ısı, korozyon gibi karakteristik ve mekanik özelliklerinin değişimin nasıl olduğu gözlenmek istenmiştir. Köpük elde etmek içim kullanılan Seramik parlatama atığı (SPA) aynı zamanda bir atık olması sebebiyle atık olan malzemenin çevreye olumsuz etki etmeden, atıkların geri dönüşümleri sağlama, malzemelerin sürdürebilirliğini yeşil teknoloji gibi alanları katkı sağlama amaçları da hedeflenmiştir. Açık hücreli köpük üretmeye en uygun yöntemlerden biri olan toz metalurji yöntemiyle üretim yapmak ve sinterleme yöntemi olarak yeni nesil üretim tekniklerinden olan Elektrik Akım Destekli Sinterleme olan (ECAS) kullanılarak hızlı bir üretim gerçekleştirmek de bir diğer hedef olmuştur. Elektrik Akım Destekli Sinterlemeyle (ECAS)'la üretim yapmakla ilgili olarak literatüre baktığımızda ağırlık olarak kompakt, bulk malzeme üretimi gerçekleştirilmiş. Metalik köpük üretmek konusunda sınırlı sayıda çalışmalar yapılmıştır. Biz ise bu alanda üretim yapmak bir diğer hedefimiz olmuştur. Titanyum toz boyutu olarak 50 mikron altı kullanılmış olup, Kütahya Seramikten temin edilen seramik parlatma atığı (SPA) tozu ile bilyeli değirmende yardımıyla karıştırma işlemi gerçekleştirilmiş olup karışım oranları seramik parlatma atığı (SPA) artışı baz alınarak %10,20,40,60 ve 80 olarak belirlenmiştir. Hidrolik Pres'te 90 MPa basınç uygulanarak soğuk presleme yardımıyla pelet formuna getirilen Titanyum Tozu ve seramik parlatama atığı (SPA) katkılı karışımı daha sonra yeni nesil hızlı ve az ekipmansız sinterleme yöntemlerinden olan Elektrik Akım Destekli Sinterlemeyle (ECAS) 1300°C'de süre olarak ise 4dk da üretim işlemi gerçekleştirilmiştir. %10, 20, 40, 60 ve 80 oranlarında Seramik parlatama atığı (SPA) katkılı, üretilmiş olan Titanyum köpükleri Taramalı elektron mikroskobunda (SEM) kullanılarak mikro yapıları, yüzey morfolojisi incelenmiş, Enerji Dağılım Spektroskopisi (EDS) bakılarak Ti köpüğünün kimyasal bileşimine bakılmıştır. X-Işını Kırınım cihazıyla (XRD) ile faz yapıları ve bileşenleri incelenmiş olmuştur. SEM'de mikro yapılarına bakıldığında Seramik Parlatama atığının artmasıyla birlikte kapalı hücreli gözenekten açık hücreli gözenek yapısına dönüştüğü gözlenmiştir. Özellikle %60 SPA katkılı Ti köpüğünün gözenek yapısı ve dağılımın istenilen optimum parametrelerde olduğu gözlenmiştir. XRD'ye bakıldığında ise Seramik parlatma atığında, gözenek yapımını sağladığı düşünülen SiC fazının görülmüştür. Titanyum tozunda ise sadece Ti olduğu EDS sonucunda görülmüştür. Farklı SPA katkı oranları ile üretilen Ti köpükler, oda sıcaklığında 5 molar HCl çözeltisine 60 gün süreyle daldırma testine tabi tutulmuştur. Numunelerin korozyon deneyleri öncesi ağırlıkları kaydedilmiştir. Numuneler de meydana gelen ağırlık kayıpları her gün ölçülmüş, ancak deneyin başında ağırlık artışı gözlemlenmiştir. Bu durum, ilk aşamada yüzeyde kararlı bir TiO₂ tabakasının oluştuğunu göstermektedir. Bu oksit tabakasının bozulması ve korozyona bağlı ağırlık değişiminin doğru bir şekilde yorumlanabilmesi için HCl çözeltisinin pH değeri her gün ölçülerek çözeltiye ilave yapılmıştır. Daldırma testlerinin ardından numuneler taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri alınmıştır. Düşük ağırlık kaybına rağmen SEM görüntülerinde yüzey korozyonuna dair bulgular görülmüştür. %20 ve %40 SPA içeriğine sahip numunelerde mikro boşluklar (micro-pitting) gözlemlenirken, %60 SPA içeren numunede bölgesel olarak tabaka ayrılması (lokal delaminasyon) tespit edilmiştir. %80 SPA içeren numunede ise daha belirgin çukurlar gözlemlenmiştir. 60 gün sonunda saf Ti için %1,55'lik bir ağırlık kaybı ölçülmüştür. SPA ilaveli numunelerde ağırlık kayıpları sırasıyla %7,05; %11,13; %12,73; %10,42 ve %9,99 olarak kaydedilmiştir. Ortalama olarak ağırlık kaybı %7 ile %12 arasında değişmiştir. Arşimet yöntemiyle yoğunluğu ölçülmüş olup, Kompakt saf Ti'nin yoğunluk değerlerine bakıldığında 4.5g/ cm³ olduğu bilinmektedir, sırasıyla %10,20,40,60,80 katkılı malzemelerde yoğunluk değerleri ise sırasıyla 2.7931, 2.6631, 2.2288, 2.1880, 1.7550'dir. Saf Ti ve SPA katkılı malzemeleri karşılaştırdığımızda ise yoğunluğun SPA artmasıyla birlikte azaldığı gözle görülmektedir. Yoğunluk değerlerine baktığımızda köpükleşme mekanizması etkin bir şekilde gerçekleşmiş. SPA oranın artmasıyla köpükleşme değerlerinin artığı bu nedenle Yoğunluğun düştüğünü göstermektedir. Boşluk tutucu olarak kullanılan SPA'nın gaz oluşumu ya da eriyik faz viskozitesi üzerinde etkili olarak gözenek oluşumunu teşvik ettiğini göstermektedir. SPA'nın içeriğinde bulunan SiC'in oksidasyonu sonucu oluşan CO/CO₂ gazının sinterleme esnasında çıkış yaptığı bu çıkışla birlikte malzemede yoğun bir gözenek yaptığını göstermektedir. SPA'nın katkısıyla ve oransal olarak artışıyla birlikte malzemede gözenek miktarının ve boyutunun artığı, malzemenin yoğunluğunun düşerek hafiflediği görülmektedir. Ayrıca malzemenin fonksiyonel hafiflik özelliklerine işaret etmekte hem de katkı malzemesinin köpükleşme davranışı üzerindeki etkisini açıkça ortaya koymaktadır. Üretilen Ti köpüklerin oldukça yüksek gözenekliye sahip olduğu ise görülmektedir. Bu değerler teorik yoğunluğun yalnızca küçük bir kısmının korunduğu diğer kalan kısım ise açık gözenekli yapı oluştuğunu göstermektedir. Seramik parlatma atığının (SPA) artmasıyla birlikte köpükte yoğunluğun daha çok azaldığı gözlenmiş en düşük yoğunluk ise %80 SPA katkılı Ti köpüğünde görülmüş ve 1.7550 olarak ölçülmüştür. Sıcak Disk Termal Sabitleri Analizörü ile termal ısı değerleri ölçülmüş olup Maxwell Denklemi ise termal iletkenlik değerleri bulunmuştur. Metalik malzemelerin ısıl iletkenliği, köpüklerinkinden önemli ölçüde daha yüksektir. Örneğin, saf titanyumun ısıl iletkenliği, yaklaşık olarak k ≈ 21,9 W/mK'dir. Gözeneklilerin çoğunlukla hava veya boşluklarla dolu olması ve havanın ısıl iletkenliğinin önemli ölçüde düşük olduğu göz önüne alındığında, gözenekli yapıların ısıl iletkenliği genellikle düşüktür. Termal difüzite, termal iletkenlik, yoğunluk ve özgül ısının dahil olduğu denklemle ölçülmüştür. Ti köpüklerinin termal iletkenliği doğrudan yoğunluktan ve gözeneklilikten etkilenmiştir. Seramik parlatma atığı (SPA)'nın artmasıyla gözeneklikle doğru orantı olaraka Ti köpüklerinin elektrik iletkenliği SPA etkisiyle azaldığı gözlenmiştir. Gözenekli titanyum köpüklerin ısıl iletkenlikleri, çoğunlukla gözenekliliğin hacim oranına ve gözenek fazının (hava) ısıl iletkenliğine bağlıdır. Ayrıca, bu malzemeler için dikkate alınması gereken bir diğer özellik de termal difüzyondur. Termal difüzyon, malzeme üzerinden aktarılan ısının birim hacim başına depolanan sıcaklığa oranı olarak tanımlanır. SPA oranın artmasıyla birlikte yoğunluk termal iletkenlik, özgül ısı azaldığını görülmektedir. Numunelerin yoğunlukları, SPA oranın artmasıyla sırasıyla 2,90, 2,49, 2,11, 1,97 ve 1,51 g/cm3'tür. Bu numunelerin karşılık gelen termal iletkenlikleri 1,81 W/m⋅K, 1,57 W/m⋅K, 1,30 W/m⋅K, 1,29 W/m⋅K ve 0,98 W/m⋅K'dir.Termal difüzite ise artış çok aza yakın olmuştur fakat %80 Seramik parlatma atığı (SPA) katkılı da ise, ani bir artışolup, artış oranı %100 üzerindedir, yaklaşık olrak 2 katından fazla olmuştur. Özgül ısı kapasitesi de seramik parlatma atığı (SPA) oranı artıkça azaldığı gözlenlenmişit. Bu sebepten en düşük özgül ısı kapasitesi %80 SPA katkılı Ti köpüğünde görülmüştür.

Özet (Çeviri)

The significantly lower weight of metallic foams compared to metals, their extremely low density, and high liquid and gas permeability stem from their porous structure. Their low specific weight, high energy and vibration damping capacity, and insulating properties are among the remarkable features that make metallic foams important materials for high-tech applications today and in the future. When titanium foam is compared to aluminum foam, which is another commonly used metallic foam, and other metallic foam materials, titanium foam has advantageous properties such as low density and consequently very lightweight structures, high corrosion resistance, high melting temperature, excellent mechanical properties, and outstanding biocompatibility. These superior properties of titanium foam are among the reasons it is used in medical fields, and due to its low density and high strength properties, in high-tech applications such as the aerospace and automotive industries. To produce open-cell titanium foam, the use of a space holder, which is one of the most suitable methods, and the application of solid-state sintering through powder metallurgy were targeted in order to achieve homogeneous powder distribution and to form a homogeneously open-cell structure. Producing with a space holder is one of the most appropriate methods for forming open-cell foam by the solid-state powder sintering technique, due to the high melting temperature of titanium metal and its high affinity for atmospheric gases. As the sintering method, Electric Current Assisted Sintering (ECAS) was selected. The ECAS method was preferred as the production method because it does not require a protective atmosphere, allows production in much shorter times compared to conventional sintering methods, requires less equipment, and reduces labor. In this study, to obtain open-cell titanium foam, titanium powder and a pore former Ceramic Polishing Waste (CPW), which is a type of waste were used in proportions of 10, 20, 40, 60, and 80%. With the increase in the amount of CPW used, changes in pore structure, size, distribution, open-cell pores, closed-cell pores, and the effects of these changes on properties such as thermal conductivity, specific heat, corrosion, and mechanical characteristics were investigated. Since the Ceramic Polishing Waste (CPW) used to obtain the foam is a waste material, it was also aimed to contribute to areas such as green technology by recycling waste materials without harming the environment and by ensuring the sustainability of materials. Another goal was to produce with the powder metallurgy method, which is one of the most suitable methods for producing open-cell foam, and to realize fast production using Electric Current Assisted Sintering (ECAS), which is among the new generation rapid sintering methods. According to the literature, ECAS has mostly been used for compact, bulk material production, and a limited number of studies have been conducted on metallic foam production. One of our goals was to contribute to production in this area. Titanium powder with a particle size below 50 microns was used, and the Ceramic Polishing Waste (CPW) powder obtained from Kütahya Seramik was mixed with it using a ball mill. The mixing ratios were determined as 10, 20, 40, 60, and 80% based on the increasing amount of Ceramic Polishing Waste (CPW). The titanium powder and CPW-containing mixture was cold-pressed using a hydraulic press at a pressure of 90 MPa to form pellets. These were then subjected to sintering at 1300°C for 4 minutes using the new-generation, rapid, and equipment-efficient sintering method—Electric Current Assisted Sintering (ECAS). The titanium foams produced with 10, 20, 40, 60 and 80% CPW were examined for their microstructures and surface morphologies using Scanning Electron Microscopy (SEM). Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) was used to analyze the chemical composition of the titanium foam, and phase structures and components were examined using X-Ray Diffraction (XRD). SEM microstructure observations revealed a transformation from closed-cell to open-cell structure with increasing CPW content. In particular, the titanium foam with 60% CPW exhibited optimum parameters in terms of pore structure and distribution. XRD analysis indicated the presence of a SiC phase in the Ceramic Polishing Waste, which is thought to be responsible for pore formation. In the titanium powder, only Ti was observed as a result of EDS. Titanium foams produced with different CPW ratios were subjected to immersion testing in 5 molar HCl solution at room temperature for 60 days. The initial weights of the samples were recorded prior to corrosion testing. The weight losses of the samples were measured daily; however, an initial weight gain was observed at the beginning of the experiment. This indicates the formation of a stable TiO₂ layer on the surface in the early stage. In order to accurately interpret the weight changes due to corrosion and the breakdown of this oxide layer, the pH value of the HCl solution was measured daily, and additions were made to the solution. After the immersion tests, SEM images of the samples were taken. Despite low weight loss, SEM images showed evidence of surface corrosion. Micro-pitting was observed in samples with 20% and 40% CPW content, while localized delamination was detected in the sample with 60% CPW content. In the sample with 80% CPW content, more prominent pits were observed. After 60 days, a weight loss of 1.55% was measured for pure Ti. For samples with added CPW, the weight losses were recorded as 7.05%, 11.13%, 12.73%, 10.42%, and 9.99%, respectively. On average, the weight loss ranged from 7% to 12%. Density was measured using the Archimedes method. The known density of compact pure Ti is 4.5 g/cm³, while the densities of the materials with 10, 20, 40, 60, and 80% CPW were measured as 2.7931, 2.6631, 2.2288, 2.1880, and 1.7550 g/cm³, respectively. When comparing pure Ti with CPW-added materials, it is clearly observed that density decreases with the increase in CPW content. Considering the density values, the foaming mechanism has been effectively achieved. The increase in CPW content shows that foaming increased, resulting in decreased density. This indicates that the CPW used as a space holder promotes pore formation by affecting gas evolution or melt phase viscosity. The oxidation of the SiC in CPW during sintering is thought to release CO/CO₂ gases, contributing to high porosity in the material. With the addition and proportional increase of CPW, it is seen that the amount and size of pores in the material increased, while the density decreased, resulting in a lighter material. This not only points to the functional lightweight characteristics of the material but also clearly reveals the effect of the additive on the foaming behavior. The titanium foams produced were found to have a very high level of porosity. These values show that only a small portion of the theoretical density was retained, with the rest forming an open-cell structure. As the amount of Ceramic Polishing Waste (CPW) increased, the density of the foam decreased further, and the lowest density was measured as 1.7550 in the titanium foam with 80% CPW. Thermal conductivity values were measured using the Hot Disk Thermal Constants Analyzer, and Maxwell's model was used to calculate thermal conductivity. The thermal conductivity of metallic materials is significantly higher than that of foams. For instance, the thermal conductivity of pure titanium is approximately k ≈ 21.9 W/mK. Considering that porous structures are mostly filled with air or voids and that air has very low thermal conductivity, the thermal conductivity of porous structures is generally low. Thermal diffusivity was calculated using the equation that includes thermal conductivity, density, and specific heat. The thermal conductivity of titanium foams was directly affected by density and porosity. With the increase in CPW, the electrical conductivity of the titanium foams decreased proportionally due to the increase in porosity. The thermal conductivity of porous titanium foams largely depends on the volumetric fraction of porosity and the thermal conductivity of the pore phase (air). Another important factor to consider for these materials is thermal diffusivity, which is defined as the ratio of heat transferred through the material to the heat stored per unit volume. With increasing CPW content, it was observed that density, thermal conductivity, and specific heat decreased. The densities of the samples, in line with increasing CPW content, were measured as 2.90, 2.49, 2.11, 1.97, and 1.51 g/cm³, respectively. Their corresponding thermal conductivity values were 1.81 W/m⋅K, 1.57 W/m⋅K, 1.30 W/m⋅K, 1.29 W/m⋅K, and 0.98 W/m⋅K. Thermal diffusivity showed only a slight increase, but for the titanium foam with 80% Ceramic Polishing Waste (CPW), there was a sudden increase of more than 100%, which is approximately more than twice the initial value. The specific heat capacity was also observed to decrease with increasing CPW content. Therefore, the lowest specific heat capacity was observed in the titanium foam with 80% CPW content.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    849116

    Titanat bağlayıcı ajanının odun tozu katkılı sert poliüretan köpük kompozitlerin özelliklerine etkisinin araştırılması

    Investigation of the effect of titanate coupling agent on the properties of wood powder added rigid polyurethane foam composites

    YASEMİN UYGUN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Mühendislik BilimleriBursa Teknik Üniversitesi

    Biyokompozit Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MERAL AKKOYUN KURTLU

  2. Tez No

    601293

    İndüksiyon sinterleme tekniği kullanılarak açık hücreli 6061 alaşımlı köpüklerin üretimi ve karakterizasyonu

    Production and characterization of al 6061 basis open cell aluminum foams by using induction sintering technique

    BAYÇU ONGUNYURT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖZGÜL KELEŞ

  3. Tez No

    864631

    Isıl işlem uygulanmış genleştirilmiş kil–alümina takviyeli sintaktik köpük metalin üretimi, içyapı ve mekanik özelliklerin analizi

    Production of heat-treated expanded clay-alumina reinforced syntactic foam metal, analysis of internal structure and mechanical properties

    ALİ TUNÇER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALİ GÖKŞENLİ

  4. Tez No

    820019

    Farklı malzemelerden üretilmiş ınterferans vidaların geometrik boyutlarının tutunma dayanımına etkisinin incelenmesi

    Investigation of the effect of geometric dimensions of interference screws produced from different materials on grip strength

    HAKAN KULAKSIZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Makine MühendisliğiBursa Uludağ Üniversitesi

    Konstrüksiyon ve İmalat Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. CELALETTİN YÜCE

  5. Tez No

    287106

    Titanyum köpüklerde yapı-özellik ilişkisi

    Structure-property relationship in titanium foams

    NİHAN TUNCER

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    BiyoteknolojiAnadolu Üniversitesi

    Seramik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. GÜRSOY ARSLAN

Geri Dön