Al12Si matrisli SiCp takviyeli kompozit kaplamaların soğuk gaz dinamik püskürtme yöntemi ile üretilmesi ve sulu ortamdaki tribolojik davranışının incelenmesi

Soğuk gaz dinamik püskürtme (SGDP) yöntemi 1980'li yılların ortalarında Novosibirsk'te bulunan Rus Bilimler Akademisi'nde, Prof. Dr. Anatolii Papyrin ve meslektaşları tarafından geliştirilmiştir. Prosesin keşfedilmesinden sonra, son yıllarda prosesle ilgili büyük gelişmeler kaydedilmiştir. Soğuk sprey prosesinde, termal sprey proseslerinden farklı olarak; ergime olmadan parçacıkların katı halde yüksek hız ve düşük sıcaklıkta püskürtülerek yoğun kaplamalar elde edilmesi mümkün olmaktadır. SGDP'nin, diğer termal sprey kaplamalarına göre çok daha fazla avantajı bulunmaktadır. İstenmeyen faz ve oksidasyon oluşmaması, kaplamada veya kaplanan altlık malzemenin yapısında kaplama sonrası herhangi bir değişim görülmemesi, yüksek sertlikte, yoğun ve kompakt kaplamaların elde edilebilmesi, altlık ve kaplama malzemesinin farklı malzeme grubunda olacak şekilde seçilebilmesi, yüksek hızda kaplama yapılabilmesi ve bunun sonucunda birikme veriminin artması, kaplama sırasında çok yüksek sıcaklıklarda çalışılmaması ve altlık malzemede çok düşük sıcaklık artışı görülmesi, yüksek sıcaklıklardaki kaplamalarda kullanılan gazlardan dolayı meydana gelen radyasyon, patlayıcı gaz vb. tehlikeli koşulların bulunmaması gibi çok çeşitli avantajları söz konusudur. Kaplamalarda oksit, porozite ve süreksizlikler yok denecek kadar az seviyelerde oluşmaktadır. SGDP ile verimli kaplamalar elde edilebilmesi, metal matrisli kompozit kaplama oluşturulmasında da bu yöntemin kullanımını teşvik etmiştir. Günümüzde, SGDP yöntemi, oldukça güvenilir ve çevre dostu bir teknoloji olmuştur ve bu özelliği, kaplamanın endüstriyel alanda kulanımlarına dair birçok fırsat sunmaktadır. SGDP prosesi ile, metal matrisli kaplamalarda oldukça yüksek birikme hızına ve yapışma mukavemetine ulaşılabilmektedir. SGDP yönteminin sunduğu fırsatlar sayesinde, uygun parametreler varlığında malzemelerin tribolojik ortamlara uygun hale getirilebilmesi ve aşınma direncinin arttırılması mümkündür. Yüksek sürtünme ve aşınma altındaki tribolojik ortamlarda, hareket yüzeylerinin birbirinden ayrılabilmesi için yağlayıcı kullanılmaktadır. Yağlayıcı tabaka sayesinde, yüzeylerin birbirine doğrudan teması önlenir ve böylece aşınmanın önüne geçilir. Aşınma ortamlarında yağlayıcı olarak genellikle sentetik yağlar tercih edilmektedir. Bu tür ortamlarda sentetik yağların kullanılması, yağların işlenmesi sonucu açığa çıkan atıkların çevreye zarar verecek şekilde sahada boşaltılması veya yenisi ile değiştirilmesi, depolanması, doğrudan veya dolaylı bir biçimde yüzeysel sular ile yeraltı suyuna, denizlere tasinmasi hem su, hem toprak, hem de hava kirliliğine neden olur. Yağın yukarıda belirtilen çevreye zararlarından ve yanıcı özelliğinden dolayı, aşınma ortamlarında yağlayıcı olarak su kullanılması oldukça kullanışlıdır. Metallerin su ile olası herhangi bir pas vb. gibi istenmeyen tepkimelerin oluşmaması için tribolojik ortamlarda su ile beraber seramikler kullanılabilir. Seramiklerin sulu aşınma ortamlarında sağladıkları yağlayıcı etki ile ilgili patentlere göre; seramikler su ile tepkimeye girip aşınma yüzeylerinde film tabakası oluşturmaktadır. Bu film tabakası sayesinde aşınma yüzeylerinin doğrudan teması önlenmiş olur. Bu yüksek lisans tezinde, SGDP yöntemi kullanılarak; homojen, süreksizlik ve boşluklu bir yapı göstermeyen kompozit kaplamaların elde edilmesi, takviye malzemesi olarak SiC partikül kullanılarak kaplamaların sertliğinin ve aşınma direncinin artması amaçlanmıştır. Hacimce farklı oranlarda SiCp kullanılarak, kaplamalardaki SiCp oranının kaplamaların sertliği, aşınma hızı, alanına ve sürtünme katsayısındaki etkisi gözlemlenmesi hedeflenmiştir. Aşınma testleri sulu ve kuru ortamda yapılarak, SiCp takviye malzemesinin su ortamındaki yağlayıcı etkisi analiz edilmesi de amaçlanmıştır. Bu çalışmada belirtilen hedef ve amaçlar doğrultusunda, Al 1050 altlık malzeme üzerine SGDP tekniği ile kompozit kaplamalar elde edilmiştir. Besleme tozları 6 bar basınçta ve taşıyıcı gaz hava kullanılarak püskürtülmüştür. Besleme tozu olarak Al12Si tozu matris malzemesi ve SiCp tozu takviye malzemesi olarak kullanılmıştır. Kaplama tozları hacimce %100 Al12Si, %5SiCp-%95 Al12Si, ,%10SiCp-%90 Al12Si, %15SiCp-%85 Al12Si, %20SiCp-%80 Al12Si, %25SiCp-%75 Al12Si, %30SiCp-%70 Al12Si oranlarında kullanılmıştır. Hacimce farklı oranlardaki matris ve takviye malzemesi ile kaplanan numuneler, optik ve taramalı elektron mikroskobu ile mikroskobik incelemeler, X ışınları difraksiyon analizi, sertlik ölçümleri, sulu ve kuru ortamda ileri-geri hareketli aşınma testi cihazında yapılan aşınma testleri ve FTIR ile karakterize edilmiştir. Tüm kaplamalar 1, 2, 3 ve 5 N yükler altında su içerisinde aşındırılmış, % 25 SiCp takviyeli kaplama aynı zamanda kuru ortamda aşındırılmıştır. Yapılan deneylerden elde edilen sonuçlar aşağıda özetlenmiştir; Matris olarak kullanılan Al12Si ve takviye malzemesi olarak kullanılan SiCp'lerin oluşturduğu kaplama, Al 1050 altlığa uyumlu bir şekilde bağlanabilmiştir. Mikroskopik analizler sonucunda, kaplamalarda ve kaplama-altlık arayüzeyinde herhangi bir süreksizlik, boşluk veya porozite gözükmediği ortaya çıkmıştır. Sertlik deneyleri sonucunda bulunan mikrosertlik değerleri, kaplamaların hacimce içerdikleri SiCp'ler üzerinden karşılaştırılmış ve kaplamaların içerdikleri %SiCp takviyesi arttıkça sertlik oranında artış saptanmıştır. Su içerisinde yapılan aşınma deneylerinde kaplamanın içerdiği SiCp takviye oranı ile doğru orantılı olarak, sürtünme katsayısı değerlerinin ve aşınma alanlarının azaldığı gözlemlenmiştir. Kuru ortamdaki aşınma deneylerinde sürtünme katsayı değerleri ve oluşan aşınma alanları daha yüksek değerde bulunmuştur. SiCp takviyeli numunelerin sulu ortamda yapılan aşınma deneylerinde, SiCp'ün su ile oluşturduğu tepkime sayesinde yağlayıcı etkisi gözlemlenmiştir. Suyun yağlayıcı etkisi nedeniyle, % 25 SiCp içeren kaplamada sulu ortamda kuru ortama nazaran daha düşük aşınma kaybı ve sürtünme katsayısı elde edilmiştir.