Çok katmanlı fonksiyonel Nİ-W esaslı kompozit kaplamaların mikroyapısal ve tribolojik özelliklerinin geliştirilmesi

Bu tez çalışmasında, St37 çelik altlık üzerine akımlı kaplama (electrodeposition) yöntemiyle katmansız (tek tabakalı) ve çok katmanlı (multilayer) Ni-W esaslı kompozit kaplamalar geliştirilmiş ve bu kaplamaların yapısal, mekanik, tribolojik ve elektrokimyasal özellikleri kapsamlı biçimde incelenmiştir. Çalışmanın temel amacı, Ni-W alaşım kaplamalarının sınırlı aşınma ve korozyon dayanımını, uygun seramik ve karbon temelli takviyeler ile katmanlı mimari yaklaşımlar kullanarak iyileştirmektir. Böylece hem yüksek sertlik hem de düşük sürtünme katsayısı sergileyen, endüstriyel tribolojik uygulamalara uygun yüzeylerin elde edilmesi hedeflenmiştir. İlk aşamada, Ni-W kaplama banyosunun optimizasyonu için Taguchi deney tasarımı yaklaşımı uygulanmıştır. Akım yoğunluğu, sıcaklık, pH ve banyo bileşimi gibi parametrelerin farklı kombinasyonları değerlendirilmiş; optimum koşullarda yüksek sertliğe, düzgün morfolojiye ve çatlak içermeyen kompakt yapıya sahip kaplamalar üretilmiştir. Elde edilen bu optimizasyon, sonraki kompozit ve çok katmanlı kaplama üretimlerinde referans koşul olarak kullanılmıştır. Takiben, grafen ve Al2O3 takviyeleri farklı derişimlerde banyoya ilave edilerek tek tabakalı kompozit kaplamalar hazırlanmış; son aşamada ise bu üç sistem (Ni-W, Ni-W/Grafen ve Ni-W/ Al2O3 farklı sıralamalarda ardışık olarak biriktirilerek çok katmanlı mimariler oluşturulmuştur. Katman dizilimlerinde G, A ve N harfleri sırasıyla grafen takviyeli, Al2O3 takviyeli ve yalnızca Ni-W tabakalarını temsil etmektedir. Deneysel planlama süresince banyo koşulları sabit tutularak katkı fazlarının etkileri yalın biçimde ortaya konmuştur. Kaplamaların karakterizasyonu çok yönlü analizlerle desteklenmiştir. SEM, FESEM ve EDS analizleriyle yüzey morfolojisi, partikül dağılımı ve kompozisyon belirlenmiş; XRD analizleriyle faz oluşumları, kristal yönelimleri ve mikrogerinim değişimleri değerlendirilmiştir. XRD sonuçları, amorf-nanokristalin yapı geçişinin takviye türüne bağlı olarak farklılık gösterdiğini ve Al2O3 katkısının tane boyutunu küçülttüğünü ortaya koymuştur. Mikromekanik davranışlar nano ve mikrosertlik testleri ile incelenmiş, elastik modül hesaplamalarıyla birlikte malzeme rijitliği değerlendirilmiştir. Tribolojik testler, kuru kayma koşullarında (5 N yük, 0,1 m/s hız, 500 m mesafe) gerçekleştirilmiş; elektrokimyasal karakterizasyon ise 3,5 % NaCl çözeltisinde potansiyodinamik polarizasyon (Tafel), açık devre potansiyeli (OCP) ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) yöntemleriyle yürütülmüştür. Tek tabakalı kaplamalarda, Ni-W kaplamasının sertliği 864 HV ve elastik modülü 214 GPa iken, optimum grafen derişimi 150 mg/L olarak belirlenmiş; bu numunede nanosertlik yaklaşık 914 HV, elastik modül ise yaklaşık 234 GPa olarak ölçülmüştür. Grafen miktarının 200 mg/L'ye çıkarılmasıyla partikül aglomerasyonu oluşmuş ve buna bağlı olarak sertlik ile elastik modül değerlerinde düşüş özlenmiştir. Al2O3 katkılı sistemlerde optimum derişim 15 g/L olarak saptanmış; bu koşulda sertlik ~1068 HV, elastik modül ise ~252 GPa değerine ulaşmıştır. Ancak 20 g/L Al2O3 ilavesiyle partikül topaklanması ve süreksizlikler meydana gelmiş, mekanik özelliklerde düşüş kaydedilmiştir. Bu sonuçlar, her iki takviyenin de belirli bir derişime kadar mekanik özellikleri artırdığını; ancak aşırı katkı durumunda dispersiyonun bozulduğunu göstermektedir. Tribolojik testlerde, katkısız referans Ni-W kaplama μ = 0,49 sürtünme katsayısı ve 2,08×10-6 mm3/Nm aşınma hızı ile en zayıf performansı sergilemiştir. Grafen takviyeli Ni-W/G kaplamada sürtünme katsayısı μ ≈ 0,35, aşınma hızı 1,76×10-6 mm3/Nm; Al2O3 takviyeli Ni-W/A kaplamada ise sürtünme katsayısı μ≈ 0,41, aşınma hızı 1,71×10-6 mm3/Nm olarak ölçülmüştür. Bu değerler, grafen katkısıyla sürtünmede yaklaşık %28, Al2O3 katkısıyla ise %17 oranında iyileşme sağlandığını göstermektedir. Aynı şekilde aşınma hızlarında da yaklaşık %20'ye varan azalmalar elde edilmiştir. Çok katmanlı yapılarda mekanik, tribolojik ve elektrokimyasal özellikler birlikte değerlendirildiğinde belirgin bir sinerji gözlenmiştir. Tüm dizilimler arasında en düşük sürtünme katsayısı, üst katmanı grafenli olan GAN konfigürasyonunda elde edilmiştir (μ ≈ 0,27). Bu değer, tek tabakalı Ni-W kaplamaya kıyasla yaklaşık %45 oranında azalma anlamına gelmektedir. Aşınma dayanımı bakımından en iyi performans, üst katmanı Al2O3 içeren AGN diziliminde kaydedilmiştir; bu kaplamada aşınma hızı 1,39×10-6 mm3/Nm olarak ölçülmüş ve bu değer tek tabakalı Ni-W sistemine göre %33 oranında iyileşme sağlamıştır. Çok katmanlı sistemlerde elde edilen bu değerler, farklı takviye fazlarının katmanlar arasında ardışık olarak kullanılmasıyla ortaya çıkan sinerjik etkiyi sayısal olarak ortaya koymaktadır. Mekanik testler, orta katmanı Al2O3 ve üst katmanı grafen içeren çok katmanlı yapıların en yüksek sertlik değerlerine ulaştığını göstermiştir. Bu kombinasyonda ölçülen sertlik 1100 HV'nin üzerinde olup, katmanlar arası çekirdeklenme bölgelerinin tane incelmesine ve yüksek yoğunluklu mikroyapı oluşumuna katkı sağladığı belirlenmiştir. Alt katmanlarda meydana gelen heterojen çekirdeklenme bölgeleri, üst katmanlarda yönelimli büyümeyi teşvik etmiş; böylece kaplama boyunca sertlik dağılımının dengelendiği ve yüzey yoğunluğunun arttığı gözlenmiştir. Bu yapı sayesinde çok katmanlı mimarilerin yalnızca farklı fazların ardışık birleşimi değil, aynı zamanda katmanlar arası etkileşimlerle yeniden şekillenen dinamik bir sistem olduğu ortaya konmuştur. Sonuç olarak, bu çalışma Ni-W esaslı kompozit kaplamalarda çok katmanlı mimarinin hem mekanik hem tribolojik hem de korozyon performansını eşzamanlı olarak iyileştirebildiğini açıkça ortaya koymuştur. Çok katmanlı sistemlerde, tek tabakalı muadillere kıyasla daha yüksek sertlik, daha düşük sürtünme katsayısı ve daha kararlı pasif film oluşumu gözlenmiştir. Bu bulgular, grafen ve Al2O3 takviyelerinin sinerjik etkisiyle optimize edilen Ni-W tabanlı çok katmanlı kaplamaların, özellikle aşınma ve korozyonun birlikte etkili olduğu enerji, savunma, havacılık ve otomotiv endüstrilerinde yenilikçi bir yüzey mühendisliği çözümü sunabileceğini göstermektedir.