Geri Dön

Fabrication of high entropy boride ceramics using high-purity Hf, Ti, Zr, Mo, W, Mn, Cr boride powders produced from cost-effective oxides via mechanochemical synthesis method

Mekanokimyasal sentez yöntemiyle uygun maliyetli oksitlerden üretilen yüksek saflıkta Hf, Ti, Zr, Mo, W, Mn, Cr borür tozları kullanılarak yüksek entropili borür seramiklerinin üretimi

  1. Tez No: 960739
  2. Yazar: AMIR AKBARI
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. DUYGU AĞAOĞULLARI
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  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: 240

Özet

Geçiş metali borürleri, yüksek ergime sıcaklık, mükemmel mekanik dayanım, inanılmaz sertlik ve aşınma, korozyon direnci ile termal şoklara karşı dikkat çekici direnç gibi olağanüstü özelliklere sahiptir. Ayrıca, zorlu ortamlarda kimyasal ve termal kararlılıklarını korurlar. Bu üstün özellikleri sayesinde kataliz, refrakter bileşenler, yüksek çözünürlüklü sensörler, koruyucu ve dekoratif kaplamalar, aşındırıcı ürünler, katot kaplamaları, parlatma ve taşlama araçları gibi çok çeşitli alanlarda ve havacılık gibi kritik sanayilerde kullanılırlar. Zamanla, geçiş metali borürlerinin sentezi için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Bunlar arasında ergimiş tuz elektrolizi, otoklav destekli sentez, metallerle ve karbonla/borla indirgeme teknikleri, termal plazma işlemi, kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık sentezi ve geleneksel katı hal yöntemleri bulunmaktadır. Ayrıca son birkaç on yılda, mekanokimyasal sentez uygulanabilir bir seçenek haline gelmiştir. Geleneksel yüksek sıcaklık yöntemlerinin aksine, mekanokimyasal sentez, kontrollü mikro yapıya sahip ince taneli kompozit metal borür tozlarının oda sıcaklığında üretilmesini sağlayan bir toz metalurjisi teknolojisidir. Son yıllarda, elektronik, biyomedikal mühendislik, enerji, havacılık, otomotiv ve tıp gibi birçok sektörde ileri malzemelere olan ihtiyaç büyük ölçüde artmıştır. Bu değişen ihtiyaçları karşılamak üzere yüksek entropili alaşımlar (YEA'lar), potansiyel bir malzeme sınıfı olarak öne çıkmıştır. Geleneksel alaşımlarda bir ana elemente az miktarda başka elementler eklenirken, YEA'lar yaklaşık eşmolar oranlarında dört veya daha fazla ana elementin birleşiminden oluşur. Şaşırtıcı bir şekilde, karmaşık intermetalik fazlar yerine basit katı çözeltisi fazları oluştururlar. Bu alaşımlar genellikle tek fazlı yapılar halinde kristalleşir ve çoğunlukla hacim merkezli kübik (HMK) veya yüzey merkezli kübik (YMK) konfigürasyonlar sergiler. Yakın zamanda yapılan çalışmalarda, bazı bileşimlerde hekzagonal sıkı paketlenmiş yapıların da mevcut olduğu gösterilmiştir. HEA'ların benzersiz davranışını dört temel etki yönetir: mekanik ve kristal yapı davranışını etkileyen ciddi örgü bozulması etkisi, atomik hareketliliği azaltan yavaş difüzyon etkisi, termodinamik kararlılığı etkileyen yüksek entropi etkisi ve farklı elementler arasındaki sinerjik etkileşimleri açıklayan kokteyl etkisi. Bu etkiler sayesinde YEA'lar olağanüstü dayanım ve kırılma tokluğu, yüksek sertlik, üstün aşınma, korozyon ve oksidasyon direnci ile mükemmel termal ve kimyasal kararlılık gibi dikkate değer özellikler sergiler. Bu özellikleri sayesinde yüksek entropili alaşımlar, ileri kesici takımlar, refrakter malzemeler, deniz mühendisliği ve havacılık bileşenleri gibi zorlu alanlarda kullanılmaktadır. Yüksek entropili alaşımlar temel alınarak geliştirilen yüksek entropili seramiklerin üretimi, son yıllarda araştırılan yeni bir konu olmuştur. Bu yeni nesil ileri malzeme sınıfı; oksitler, karbürler, nitrürler, silisitler ve borürler gibi birçok bileşiği içermektedir. Bunlar arasında, 2016 yılında ilk kez önerilen yüksek entropili metal borürler, ultra yüksek sıcaklık seramikleri sınıfında yer alan yeni bir grup olarak, zorlu uygulamalar için büyük potansiyel taşımaktadır. Yüksek entropili diborürler, genellikle P6/mmm uzay grubuna ait olup hekzagonal sıkı paketlenmiş yapıda kristalleşir. Bu yapıda bulunan metal–metal, metal–bor ve bor–bor bağları sayesinde metalik, iyonik ve kovalent bağlar bir arada bulunur ve bu da yapısal kararlılığı ve malzeme performansını artırır. Bu seramikler, ileri seramiklerle ilişkilendirilen yüksek sertlik, aşınma ve korozyona karşı mükemmel direnç, düşük yoğunluk ve yüksek sıcaklıkta mükemmel mekanik dayanım gibi cazip özellikler gösterir. Bu benzersiz özelliklerinden dolayı, yüksek entropili borürler kesici takımlar, havacılık ve güneş enerjisi sistemleri ile mikroelektronik aygıtlarda kullanım için araştırılmaktadır. Yüksek entropili metal borür seramiklerinin üretiminde çeşitli sentez yöntemleri kullanılmıştır. Bunlar arasında baskısız sinterleme, kendiliğinden yayılan yüksek sıcaklıkta sentez , mekanik alaşımlama, karbotermal ve borotermal indirgeme, sıcak presleme ve kıvılcım plazma sinterleme gibi basınç destekli teknikler yer almaktadır. Tek fazlı yüksek entropili diborür elde edilmesinin zor olduğu durumlarda, birkaç yöntemi entegre eden iki aşamalı bir süreç tercih edilebilir. Oda sıcaklığında ince mikro yapılarla toz üretimini, ucuz başlangıç malzemeleri ve basit ekipmanla gerçekleştirmesi bakımından mekanik alaşımlama öne çıkmaktadır. Ayrıca kıvılcım plazma sinterleme yöntemi, yüksek sıcaklık ve basınç altında bu tozların yoğun ve tek fazlı seramiklere dönüştürülmesini sağlar ve istenen mekanik bütünlük ile faz saflığının elde edilmesinde önemli bir yöntemdir. Bu çalışmada HfB2, ZrB2, TiB2, TaB, Cr-borür, Mn-borür, Mo-borür ve W-borür tozları, mekanokimyasal yöntemle sentezlenmiş, ardından saflaştırma amacıyla liçleme işlemi uygulanmıştır. Elde edilen metal borür tozları, beş ile altı bileşenli eşmol oranlarında karıştırılmıştır. Bileşimler, 10:1 bilya-toz ağırlık oranında, altı saat süreyle yüksek enerjili bilyalı değirmende öğütülmüştür. Metal borür tozları ve hibrit örnekler; X-ışını difraktometrisi, taramalı elektron mikroskobu, geçirgen elektron mikroskobu, partikül boyutu ölçümü ve piknometre ile yoğunluk ölçümü kullanılarak karakterize edilmiştir. Mekanik alaşımlamadan sonra, tek fazlı yüksek entropili diborür elde edilememiştir. (Hf0.2Ti0.2Zr0.2W0.2Ta0.2)B2 bileşimi 7,3942 ± 0,0033 g/cm³ ile en yüksek yoğunluğa, (Hf0.2Ti0.2Zr0.2Mo0.2Cr0.2)B2 bileşimi ise 6,185 ± 0,008 g/cm³ ile en düşük yoğunluğa sahip olmuştur. Mekanik alaşımlama sonra, kıvılcım plazma sinterleme yöntemiyle tek fazlı yüksek entropili yapı elde edilmiştir. Düşük yoğunluklu oksit fazlar (Hf, Zr) de tespit edilmiştir. Beş ve altı bileşenli bileşimlerde düşük yoğunluklu ikincil fazlar oluşmuştur. Sinterlenmiş numunelerin karakterizasyonu için X-ışını difraktometresi, taramalı elektron mikroskobu/enerji dağılımlı spektrometre, Vickers sertlik ölçümü, kuru kaymalı aşınma testi ve Arşimet yöntemiyle yoğunluk ölçümü uygulanmıştır. Göreli yoğunluklar, (Hf0.2Ti0.2Zr0.2Mo0.2Ta0.2)B2 için %90,52'den, (Hf0.2Ti0.2Zr0.2Mo0.2W0.2)B2 için %99,24'e kadar değişmektedir ve sıralama şu şekildedir: HEB 4 < HEB 10 < HEB 5 < HEB 11 < HEB 2 < HEB 8 < HEB 1 < HEB 6 < HEB 9 < HEB 7 < HEB 3. Sertlik değerleri 13,54 ± 2,33 GPa (HEB 2) ile 30,09 ± 4,79 GPa (HEB 5) arasında değişmektedir ve sıralama şu şekildedir: HEB 2 < HEB 1 < HEB 4 = HEB 6 < HEB 8 < HEB 10 < HEB 7 < HEB 11 < HEB 3 < HEB 5. Tüm örneklerin ortalama sertliği yaklaşık 21,94 GPa olarak hesaplanmıştır. Aşınma direnci sıralaması ise şu şekildedir: HEB 3 < HEB 11 < HEB 4 < HEB 8 < HEB 7 < HEB 1 < HEB 5 < HEB 10 < HEB 9 < HEB 2. En düşük ve en yüksek aşınma direncine sahip bileşimler sırasıyla (Hf0.2Ti0.2Zr0.2Mn0.2W0.2)B2 ve (Hf0.2Ti0.2Zr0.2Mo0.2W0.2)B2 olmuştur.

Özet (Çeviri)

High melting temperature, amazing mechanical strength, incredible hardness, and remarkable resistance to wear, corrosion, and thermal shock are just a few of the exceptional features that transition metal borides display. They also provide excellent transmission stability and retain chemical and thermal stability in harsh environments. A wide range of industries, including catalysis, refractory components, high-resolution sensors, protective and decorative coatings, abrasive products, cathode coatings, polishing and grinding tools, and crucial industries like the aerospace use these materials because of their special set of properties. Over time, a range of synthetic methods have been used to create transition metal borides. These include molten salt electrolysis, autoclave-assisted synthesis, metallothermic reduction, carbothermic/borothermic reduction technique, thermal plasma processing, self-propagating high-temperature synthesis, and traditional solid-state processes. Furthermore, in the last several decades, mechanochemical synthesis (MCS) has become a viable option. In contrast to conventional high-temperature techniques, MCS is a powder metallurgy method that allows for the production of fine-grained, composite metal boride powders with regulated microstructures at room temperature. The need for advanced materials has increased dramatically in recent years in a variety of industries, including electronics, biomedical engineering, energy, aerospace, automotive, and medicine. High-entropy alloys (HEAs) have become a potential class of materials to meet these changing demands. HEAs are made up of four or more principal elements combined in about equimolar ratios, as opposed to traditional alloys, which usually consist of one primary element with minor additions. Surprisingly, they frequently solidify into straightforward solid-solution phases rather than the anticipated complex intermetallic phases. HEAs often crystallize into single-phase structures, most frequently displaying body-centered cubic (BCC) or face-centered cubic (FCC) configurations, despite their complicated constituents. The existence of hexagonal close-packed (HCP) structures in certain compositions has also been documented in more recent studies. Four fundamental core effects govern the unique behavior of HEAs: the severe lattice distortion effect, which affects the mechanical and crystal lattice behavior; the sluggish diffusion effect, which is linked to slower atomic mobility; the high-entropy effect, which influences thermodynamic stability; and the cocktail effect, which describes the synergistic interactions among the various elements involved. These processes enable HEAs to have a variety of remarkable features, such as extraordinary strength and fracture toughness, high hardness, superior wear, corrosion, and oxidation resistance, and great thermal and chemical stability. Because of these qualities, HEAs may be used in challenging fields such sophisticated cutting tools, refractory materials, maritime engineering, and aerospace components. Recent years have seen an increase in study into the creation of high-entropy ceramics, which are based on the idea of HEAs. A wide range of compounds, such as oxides, carbides, nitrides, silicides, and borides, are included in this new class of sophisticated materials. Of these, high-entropy metal borides, which were initially suggested in 2016, constitute a new class of ultra-high-temperature ceramics that hold great promise for demanding applications. High-entropy diborides (HEBs), which belong to the P6/mmm space group, usually crystallize in a hexagonal close-packed form. The unusual combination of metallic, ionic, and covalent bonding produced by the presence of metal–metal, metal–boron, and boron–boron connections inside this structure helps to balance structural stability and exceptional material performance. These ceramics have the appealing features that are frequently linked to advanced ceramics: high hardness, great resistance to wear and corrosion, low/moderate density, and excellent mechanical strength at high temperatures. High-entropy borides are being explored for use in cutting tools, aircraft and solar energy systems, and microelectronic devices because of this remarkable combination of properties. HEB ceramics have been made using a variety of synthesis methods. These include of pressureless sintering and pressure-assisted techniques including hot pressing and spark plasma sintering. A two-step method integrating several approaches may be used in situations when obtaining a single-phase high-entropy diboride is difficult. Because it uses inexpensive raw materials and very basic equipment to create powders with fine microstructures at room temperature, mechanical alloying stands out among these techniques. Moreover, under high temperature and pressure, spark plasma sintering makes it possible to consolidate these powders into dense, single-phase ceramics, which makes it a crucial method for attaining the required mechanical integrity and phase purity. The current study involved the synthesis of HfB2, ZrB2, TiB2, TaB, Cr-boride, Mn-boride, Mo-boride, and W-boride powders using a mechanochemical process, followed by leaching for purification. The powders of the synthesized metal borides were mixed in an equimolar ratio with five to six constituents. A high-energy ball mill (HEBM) was used to grind the compositions for six hours at a ball-to-powder weight ratio of 10:1. Using X-ray diffractometry, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, particle size measurement, and density measurement with a pycnometer, metal boride powders and hybridized samples were characterized. After mechanical alloying, single-phase high-entropy diboride was not achievable in the powders' microstructure. The composition of (Hf0.2Ti0.2Zr0.2W0.2Ta0.2)B2 had the maximum density at 7.3942±0.0033 g/cm3, whereas the composition of (Hf0.2Ti0.2Zr0.2Mo0.2Cr0.2)B2 had the lowest density at 6.185±0.008 g/cm3. After milling, a single phase high-entropy structure was produced using spark plasma sintering (SPS). Low intensity oxide phases (Hf, Zr) were also detected. Low-intensity secondary phases developed in compositions with five and six components. The following methods were employed to characterize the sintered samples: X-ray diffractometer, scanning electron microscope/energy dispersive spectrometer, Vickers hardness measurement, dry-sliding wear test, and Archimedes density measurement. The composition relative densities vary from 90.52% for (Hf0.2Ti0.2Zr0.2Mo0.2Ta0.2)B2 to 99.24% for (Hf0.2Ti0.2Zr0.2Mo0.2W0.2)B2, with HEB 4 < HEB 10 < HEB 5 < HEB 11 < HEB 2 < HEB 8 < HEB 1 < HEB 6 < HEB 9 < HEB 7 < HEB 3. The hardness values varied from 13.54 ± 2.33 GPa for (Hf0.2Ti0.2Zr0.2Mn0.2W0.2)B2 to 30.09 ± 4.79 GPa for (Hf0.2Ti0.2Zr0.2W0.2Ta0.2) B2, in the order of HEB 2 < HEB 1 < HEB 4 = HEB 6 < HEB 8 < HEB 10 < HEB 7 < HEB 11 < HEB 3 < HEB 5. All of the samples' average hardness values were determined to be around 21.94 GPa. The compositions' wear resistance rankings are as follows: HEB 3 < HEB 11 < HEB 4 < HEB 8 < HEB 7 < HEB 1 < HEB 5 < HEB 10 < HEB 9 < HEB 2. The compositions with the lowest and highest wear resistances, respectively, are (Hf0.2Ti0.2Zr0.2Mn0.2W0.2)B2 and (Hf0.2Ti0.2Zr0.2Mo0.2W0.2)B2.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    884218

    Effects of pressure and bias voltage on the morphology and properties of refractory WNbMoV high entropy thin films coated via magnetron sputtering

    Basınç ve bıas voltajının, magnetron sıçratma yoluyla kaplanmış refrakter WNbMoV yüksek entropili ince filmlerin morfolojisi ve özellikleri üzerindeki etkileri

    SEVDA JAFARI AGHDAM

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA LUTFİ ÖVEÇOĞLU

  2. Tez No

    893426

    Toz metalurjisi ve seçici lazer ergitme yöntemleri ile üretilen cocrfemnnitix yüksek entropi alaşımların yapısal, mekanik, tribolojik ve korozyon özelliklerinin karakterizasyonu

    Characterization of structural, mechanical, tribological and corrosi̇on properties of cocrfemnnitix high entropy alloys manufactured by powder metallurgy and selecti̇ve laser melting methods

    CANER BULUT

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Makine MühendisliğiErzurum Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATİH YILDIZ

  3. Tez No

    479549

    Çok duvarlı karbon nanotüpler ile toryum adsorpsiyonunun incelenmesi

    Investigation of thorium adsorption with multi-walled carbon nanotubes

    CANSU ENDES

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Nükleer MühendislikEge Üniversitesi

    Nükleer Bilimler Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. CEREN KÜTAHYALI ASLANİ

  4. Tez No

    723405

    Design and processing of multi-phase high entropy alloys

    Başlık çevirisi yok

    AMIN RADI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Makine MühendisliğiÖzyeğin Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. GÜNEY GÜVEN YAPICI

  5. Tez No

    899329

    Mechanical behavior of medium and high entropy alloys

    Orta ve yüksek entropili alaşımların mekanik davranışı

    AHMAD MADKHANAH

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Makine MühendisliğiKarabük Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ SEZER PIÇAK

Geri Dön