Akımsız nib ve NiB/Al2O3 nanokompozit kaplamaların yüksek sıcaklık tribolojik özelliklerinin geliştirilmesi

Bu tez çalışmasında, yumuşak çelik (St-37) yüzeyler üzerine uygulanan akımsız NiB ve NiB-Al2O3 kaplamaların mikroyapısal, mekanik ve tribolojik özellikleri ayrıntılı olarak incelenmiştir. Çalışmada üretim yöntemi olarak akımsız kaplama tekniği kullanılmıştır. Bu yöntem, dış akım kaynağına ihtiyaç duymadan metal iyonlarının indirgenmesini sağlayarak çelik altlık üzerinde homojen ve yoğun bir kaplama tabakası oluşturmuştur. Homojen mikroyapılar, kaplamaların mekanik dayanıklılığı ve tribolojik performansı üzerinde doğrudan etkili olduğundan, kaplama parametrelerinin mikroyapı üzerindeki etkileri kapsamlı biçimde değerlendirilmiştir. İlk aşamada akımsız NiB kaplamalar belirlenen banyo bileşimi ve işlem parametreleri esas alınarak hazırlanmıştır. Ardından, bu kaplamaların mekanik ve tribolojik performansını iyileştirmek amacıyla kaplama banyosuna Al2O3 nano-seramik partikülleri takviye edilmiştir. Al2O3 yüksek sertliği, kimyasal kararlılığı, düşük maliyeti ve NiB matrisiyle güçlü ara yüzey bağı oluşturma kabiliyeti sayesinde tercih edilmiştir. Bu seramik katkı, nikel matrisin aşınma direncini ve yüzey stabilitesini artırarak daha dayanıklı bir kaplama yapısının oluşmasına katkı sağlamıştır. Al2O3 ilavesinin mikroyapı üzerindeki etkileri detaylı biçimde analiz edilmiştir. NiB kaplamaya Al2O3 partiküllerinin eklenmesiyle hem mikrosertlik hem de aşınma direnci açısından belirgin iyileşmeler sağlanmıştır. Böylece yüksek sıcaklık koşullarında uzun ömürlü, mekanik açıdan güçlü ve tribolojik olarak kararlı kaplamalar üretilmiştir. Kaplamaların performansı, mekanik testler ve tribolojik analizler aracılığıyla değerlendirilmiş, Al2O3 katkısının NiB kaplamaların dayanım ve aşınma direncini önemli ölçüde artırdığı ortaya konmuştur. Kaplamaların tribolojik davranışları, özellikle sıcaklık değişiminin sürtünme ve aşınma özellikleri üzerindeki etkisini belirlemek amacıyla sistematik olarak incelenmiştir. Deneyler, 25 °C (oda sıcaklığı), 200 °C, 400 °C ve 600 °C sıcaklıklarında gerçekleştirilmiştir. Tüm testlerde bilye-disk (ball-on-disk) konfigürasyonu kullanılmış ve 3 N sabit yük altında sürtünme-aşınma davranışı gözlemlenmiştir. Bu testler sayesinde Al2O3 konsantrasyonu ve sıcaklık artışının kaplamaların baskın aşınma mekanizmaları üzerindeki etkileri net biçimde belirlenmiştir. Deneysel bulgular, akımsız NiB-Al2O3 nanokompozit kaplamaların test edilen tüm sıcaklıklarda Al2O3 içermeyen NiB kaplamalara kıyasla daha düşük aşınma oranına sahip olduğunu göstermiştir. Farklı tribolojik koşullar altında, Al2O3 partikülleri kaplamanın aşınmaya karşı direncini artırarak yüzey stabilitesini güçlendirmiştir. Kaplamaların mikroyapısal özellikleri, aşınma yüzeyleri ve aşınma mekanizmaları ileri karakterizasyon teknikleriyle ayrıntılı biçimde incelenmiştir. Kullanılan başlıca analiz yöntemleri şunlardır: Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM): Yüzey morfolojisi, kaplama kalınlığı, mikroyapısal homojenlik ve aşınma izleri incelenmiş; mikro çatlaklar, porozite yapıları ve Al2O3 partiküllerinin dağılım özellikleri değerlendirilmiştir. Aşınma sonrası yüzey analizleri, sıcaklıkla değişen aşınma mekanizmalarının belirlenmesinde kullanılmıştır. Enerji Dağılımlı X-Işını Spektroskopisi (EDS): Kaplamaların elementel bileşimini ve Al2O3 partiküllerinin dağılımını belirlemek amacıyla kullanılmıştır. EDS sonuçları, Ni, B ve Al elementlerinin homojen dağıldığını ve yüksek sıcaklıklarda yüzey oksidasyonunun belirgin biçimde arttığını göstermiştir. Tribokimyasal değişimler ve oksit tabakalarının bileşimi de bu yöntemle analiz edilmiştir. X-Işını Difraksiyonu (XRD): Kaplamaların kristal yapısı, faz bileşimi ve amorf karakteri değerlendirilmiştir. NiB kaplamaların genellikle amorf yapıya sahip olduğu, Al2O3 katkısı ile belirli kristal fazların ortaya çıktığı ve ısıl işlem sonrası Ni3B, Ni2B ve NiO fazlarının oluştuğu gözlenmiştir. Bu dönüşümler, kaplamanın mekanik kararlılığıyla doğrudan ilişkilendirilmiştir. Raman Spektroskopisi: Kaplamaların kimyasal bileşimi ve aşınma sonrası yüzeyde oluşan oksit fazları belirlenmiştir. Raman analizleri, yüksek sıcaklıklarda NiO ve Al2O3'un karakteristik bantlarını doğrulamış ve kaplama yüzeyinde oluşan tribokimyasal oksit tabakasının varlığını desteklemiştir. Bu oksit tabakalarının, sürtünme sırasında yüzey koruması sağladığı ve aşınma oranını azalttığı belirlenmiştir. Bu ileri analiz teknikleri sayesinde, akımsız NiB ve NiB-Al2O3 nanokompozit kaplamaların mikroyapısal özellikleri, aşınma mekanizmaları ve tribolojik davranışları ayrıntılı biçimde ortaya konmuştur. Analiz sonuçları, Al2O3 katkısının kaplama performansını çok yönlü olarak iyileştirdiğini göstermektedir. Elde edilen veriler, Al2O3 nanopartiküllerinin kaplama matrisine homojen biçimde dağıldığını ve yapısal bütünlüğü güçlendirerek mekanik dayanımı artırdığını ortaya koymuştur. Bu homojen dağılım, aşınma direncini artırmanın yanı sıra yüzeyin daha düzgün morfolojiye sahip olmasını sağlamış, mikro çatlak oluşumunu da minimize etmiştir. Al2O3'un yüksek elastik modülü, yük aktarımını dengeli hâle getirerek matris deformasyonunu azaltmış, böylece hem düşük hem de yüksek sıcaklıklarda kaplamanın fonksiyonel kararlılığını sürdürmesine katkıda bulunmuştur. Yüksek sıcaklıklarda yapılan tribolojik testler, Al2O3 katkısının oksidatif aşınmayı geciktirdiğini ve sürtünme sırasında koruyucu bir bariyer etkisi oluşturduğunu göstermiştir. Kaplama yüzeyinde oluşan bu oksit film, tribo-kimyasal kararlılığı artırarak malzeme kaybını azaltmıştır. Ayrıca, Al2O3 parçacıkları sürtünme sırasında üçüncü-cisim tanecikleri gibi davranarak temas yüzeyinde yük dağılımını homojenleştirmiş, lokal sıcaklık artışlarını sınırlamıştır. Aşınma mekanizmaları incelendiğinde, düşük sıcaklıklarda hafif plastik deformasyon ve adezif aşınma türleri baskınken, sıcaklık yükseldikçe oksidatif aşınma ve abrazyon mekanizmalarının öne çıktığı belirlenmiştir. Bununla birlikte, Al2O3 nanopartikülleri kaplama matrisinde sert ve dayanıklı bir yapı oluşturarak 600 °C'ye kadar aşınma oranının düşük kalmasını sağlamıştır. Bu bulgu, Al2O3'un ısıl kararlılığı ve NiB matrisiyle güçlü ara yüzey bağı sayesinde yüksek sıcaklıkta bile etkinliğini koruduğunu göstermektedir. Sonuç olarak, NiB-Al2O3 nanokompozit kaplamalar 25-600 °C aralığında yüksek aşınma direnci, kararlı sürtünme davranışı ve yapısal bütünlük sergilemiştir. Bu özellikleri sayesinde, sert krom kaplamalara çevre dostu ve performans açısından üstün bir alternatif oluşturduğu ortaya konmuştur. Özellikle yüksek sıcaklıklarda yüzey stabilitesini koruyabilmesi, bu tür kaplamaları otomotiv, havacılık, kalıp ve kesici takım endüstrisi gibi yüksek ısıl yüke maruz kalan uygulamalar için son derece uygun hâle getirmektedir. Elde edilen sonuçlar, Al2O3 katkılı akımsız NiB kaplamaların hem mekanik hem de tribolojik performans açısından klasik sert krom kaplamalara kıyasla önemli avantajlar sunduğunu göstermiştir. Bu çalışma, NiB-bazlı nanokompozit sistemlerin yüksek sıcaklık tribolojisinde kullanım potansiyelini ortaya koyarak yüzey mühendisliği alanına önemli bir katkı sağlamaktadır.