Solidification dynamics of three-phased eutectic patterns in 2D

Malzemeler katılaştırma esnasında fazların kristal yapıları yanında soğuma hızı, kompozisyon, ve numune boyutu gibi dış parametrelere de bağlı olarak belirli büyüme dizilimleri gösterirler. Fazların kristal yapılarıın değiştirilememesine karşın, katılaştırma yöntemi ile üretilen malzemelerin mikroyapılarını kontrol edebilmek için katılaştırma dinamikleri dış parametrelerle oynarak değiştirilebilir. Mikroyapıları control edebilmek önemli, çünkü malzemelerin mekanik, fiziksel ve elektriksel özellikleri mikroyapılarına bağlı olarak değişmektedir. Oluşan katılaştırma mikroyapıları arasında, mikro-kompozit yapılarından dolayı daha iyi malzeme özellikleri sunan ötektik dizilimleri gösteren alaşımlar mühendislik malzemeleri olarak döküm, kaynak ve lehim gibi geniş alanlarda kullanılmaktadır. Literature giren çalışmaların büyük çoğunluğu yalnızca bir tane olası büyüme dizilimi olan (ABABAB) ikili ötektik sistemler ile ilgilidir çünkü yüksek dizilim gösterebilen sistemlerle kıyaslandığında daha basittirler. Yeni malzemeler keşfetme yolunda, üçlü, dörtlü, ve daha yüksek dizilim gösterebilen sistemler kullanılarak elde edilen alaşımlar yaygın olarak endüstirde kullanılmaktadır. Üçüncü fazın eklenmesi ile olası büyüme dizilimlerinin ve dizilim mesafelerinin ayarlanmasında kullanılan mekanizmaların sayısı büyük oranda artmaktadır. Bu tezde, gerçek zamanlı tek yönlü katılaştırma yöntemi ve ötektik kompozisyona sahip 2B numuneler kullanarak In-Bi-Sn üç fazlı ötektik sisteminin katılaştırma dinamikleri incelenmiştir. Üçlü ötektik sistemlerde kararlı halde bulunan periyodik ve üç fazlı yapının ABAC diziliminde olduğu belirlenmiştir. Bu dizilimde A, B, ve C sırasıyla In2Bi, (In) and (Sn) fazlarını ifade etmektedir. ABAC dizilimin yalnızca temel durumda değil, eğimli ve asimetrik yapılarda da kararlı olduğu görülmüştür. Katılaştırma hızının, V, kontrol parametresi olarak kullanıldığı deneylerde, bu dizilimin belirli bir ötektik mesafesi aralığında değişmeden büyüyebildiği gözlemlenmiştir. Katılaştırma hızı yeterince değiştirilerek bu dizilim bozulmaya çalışıldığında, dizilim kararlılık limitleri dışına çıkmaya itilmiş ve sonuç olarak sistemin eliminasyon, osilasyon, ve dallanma gibi mesafe ayarlama mekanizmaları gerçekleştirdiği görülmüştür. Bu aralığın üst sınırına doğru gidilirken fazların osilasyona (1λO) uğradığı ve sınırın ötesinde dallanma mekanizması kullanarak kararsız olan ötektik mesafesini kararlılık limitleri içindeki değerlere düşürdüğü gözlemlenmiştir. Üç fazlı sistemde gözlemlediğimiz osilasyon mekanizması yakın zamanda gerçekleştirilen faz-alanı simülasyonları sonuçlarında da gösterilmiştir [1]. Ancak bu çalışmada osilasyonların kararlı bir büyüme göstermediği, giderek artan ya da sönümlenen geçiş mekanizmaları olduğu gözlenlenmiştir. İki fazlılarda alt limitin altındaki ötektik mesafelerinde gözlemlenen ve A ya da B fazlarından birinin yok olması ile sonuçlanan eliminasyon mekanizması, ABAC diziliminin alt kararlılık sınırının ötesinde bir ABAC diziliminin yok olması şeklinde gözlemlenmiştir. İki fazlılarda görülen eliminasyon mekanizması Eckhaus kararsızlığı olarak tanımlanırken, Eckhaus kararsızlığı için tanımlanan gerekliliklerin üç fazlılarda geçerli olmadığı saptanmıştır. İki fazlı ötektik sistemlerinde de görüldüğü gibi, alt sınırın minimum ötektik mesafesi değerinden düşük değerde olduğu belirlenmiştir. Ötektik mesafesi ölçek sabiti [2] λ_JH^2 V = 135 ± 35 μm3/s olarak bulunmuştur.ABAC dizilimi için üst ve alt kararlılık limitleri sırasıyla Λbr = 1.9 ± 0.5 ve 0.6 < Λc < 1.1 olarak belirlenmiştir. Λ değeri minimum ötektik mesafesine gore normalize edilmiş ötektik mesafesini tanımlamaktadır. Son olarak, bu tezde deneyler sırasında gözlemlenen kompleks dizilimler (örn. ABABACACAC), eğimli dizilimler, In2Bi fazlarının kalınlık asimetrisi ve yüksek ölçekli süperyapılar gibi mikroyapısal oluşumlar rapor edilmiştir.