IV B grubundan zirkonyum ve V B grubundan niyobyumun CVD yöntemiyle serbest partiküllü borürlere dönüştürülmesi ve sinter özelliklerinin incelenmesi

Bu tez çalışmasında, Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD) yöntemiyle sadece refrakter kaplama olarak ve mikron mertebesinde katman halinde elde edilebilen IV B Grubundan Zirkonyum ve V B Grubundan Niyobyumun Diborürleri dünyada ilk kez toz halde sentezlenmiş, bu tozlar masif sinter ürünlerinin hammaddesi olmak üzere üretilmiş ve sinterleme çalışmaları yapılmıştır. Metal borür sentezlemesinde BCl3, H2 ve Ar gazları, ZrCl4/NbCl5 tuzları hammadde olarak kullanılmıştır. Sentezleme işleminde tarafımızdan tasarlanıp, imal edilen ve reaksiyon tüpünün kuvars borudan oluştuğu CVD reaktörü (Patent No: EP2735544-A2 ve TR013720) borür üretimine uygun olacak şekilde modifiye edilmiştir. Ürün stokiyometrisini sağlayabilmek için bu gazların belirli debilerle ve sabit oranlarla reaksiyon ortamına beslenmesi işlemindeki en büyük güçlük, klorür tuzlarının sabit debiyle gazlaştırılması zorunluluğudur. Bunu yerine getirmek için ilk olarak sabit hızla kayabilen sıcak zonlu üniteler tasarlanmıştır. Beklenen fiziki verim alınamayınca tuz haznelerinin malzemesi ve konuşlandırılması değiştirilerek sabit debi için vibrasyonlu besleme ünitesi geliştirilmiştir. İlk olarak kuvars altlık kullanılarak borür sentezi deneyleri yapılmış; ancak oluşan katı fazın kuvars içine gömüldüğü saptanmış ve deneyler başarılı olmamıştır. Geniş çaplı literatür taramasında borürlerin kuvars yüzeyinde serbest toz partikülleri halinde çekirdeklenmesinin hem kinetik engelli ve çok zor olduğu hem de 1300°C üzerinde sıcaklıklar gerektirdiği belirtilmektedir. Kuvarsa alternatif olabilecek CVD altlık malzemesi arayışına girilmiştir. Söz konusu diborürleri serbest toz halinde sentezlemek mümkün olmamakla birlikte, yüzey aktiviteleri çok yüksek olan yarısoy ve soy metallerin yüzeyinde biriktirilen kaplamanın mesnetsiz (altlıksız) bırakılması yoluyla serbest toz haline getirilmesi düşünmeye-denemeye değer bulunmuş ve bu düşünce bakır altlık üzerinde başarıyla uygulanmıştır. Bakır altlık üzerine faklı sıcaklıklarda (850-950°C) , faklı sürelerde (1-3 saat) ve farklı reaktör boylarında (1.5 m- 3m) ZrB2 kaplanmış ve nitrik asit liçi sonrasında serbest borür tozları en yüksek %28 verimle elde edilmiştir. NbB2 toz üretimi ise yine bakır altlık üzerinde, 1.5 m reaktör boyunda 950°C sıcaklıkta, nitrik asit liçi sonrası %97.3 verimle gerçekleştirilmiştir. Elde edilen borür tozlarına; XRD ile faz analizi, SEM ile mikroyapı analizi, EDS ile kimyasal analiz, Helyumlu Gaz Piknometresi ile yoğunluk ölçümü ve Zeta-Sizer ile partikül boyut analizi uygulanmıştır. Liç sonrası elde edilen bakır çözeltisine AAS ile B ve Zr/Nb analizleri yapılmıştır. Liç işlemi sonrasında oluşan bakır nitratlı çözeltiden, bakır levha ve folyadan daha pahalı bir uç ürün olan elekrolitik bakır tozu üretilerek altlık malzemenin heba edilmesi önlenmiştir. Serbest partiküller halinde elde edilen borür tozları saf halde ve katklılı olarak soğuk preslenip (8 ton) 12 mm çaplı 4 mm kalınlıkta tabletler haline getirilmiş ve Lynn fırınında (1400-1750°C, 4-7 saat) basınçsız sinterlemeye tabi tutulmuştur. Sinter ürünlerin SEM ile iç yapısı görüntülenmiştir. Tabletler teorik yoğunluğa ulaşamadığından mekanik ve elektromanyetik ölçümler yapılmamıştır. Sinterleme çalışmalarına devam edilmesine karar verilmiştir.