Katodik ark destekli yayındırma yöntemi ile çeliklerin alüminyumlanmasına manganın etkisi

İntermetalikler, iki metalin bir araya gelip kendi yapılarından farklı bir yapıda oluşturdukları üstün özelliklere sahip bileşiklerdir. Yüksek ergime sıcaklıkları, mekanik özellikleri gibi birçok özellikleri intermetalikleri çekici bir malzeme sınıfı haline getirmektedir. Bu malzeme sınıfına ait malzemelerden biri de alüminyum intermetalikleridir. Alüminyum intermetalikleri grubunun en öne çıkan ve araştırılan türleri nikel, titanyum ve demir alüminyum intermetalikleridir. Bu metallerin alüminyumla farklı oranlarda oluşturduğu intermetalikleri mevcuttur ve bu malzemeler günümüzde birçok kullanılan malzemeye alternatif olarak kullanılmakta ve görülmektedir. Bu malzemeler ısıtma elemanlarında, otomotiv endüstrisinde, kömür enerji sistemlerinde, gaz, su ve buhar türbinlerinde, turbolarda, uçak endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Daha düşük yoğunlukları, korozyona karşı dayanımları, toz metalurjisi, döküm, ark ergitme gibi yöntemlerle kolaylıkla üretilebilmeleri ve muadillerine oranla daha düşük maliyetlerinin olmaları bu malzemeleri avantajlı kılmaktadır. Ancak düşük tokluk değerleri, düşük işlenebilirlikleri gibi özellikleri kullanım alanlarını kısıtlamaktadır. Bunları iyileştirmek için çeşitli alaşım elementi ilaveleri ve tane inceltme gibi işlemler yapılmaktadır. Son yıllarda bu alüminyum intermetalikleri kitlesel malzeme olarak üretilmek yerine kaplama olarak üretilmeye başlanmıştır. Bu şekilde, altlık malzeme istenildiği gibi seçilebileceği için herhangi bir üretim yöntemi kısıtlaması olmadan üretilip kaplanabilir hale gelmiştir. Demir alüminyum intermetalikleri, birçok yöntemle kaplama olarak üretilmektedir. Yöntem ve parametrelere bağlı olarak, oluşan intermetalik değişmektedir. Fe-Al sisteminde FeAl3, Fe2Al5, FeAl, Fe3Al gibi birçok intermetalik bulunmaktadır. Bu intermetaliklerin oluşumunda kimyasal bileşimin yanında etkin difüzyon mekanizmaları söz konusudur. Bu nedenle difüzyon termodinamiğinin ve kinetiğinin öne çıktığı çalışmalar mevcuttur. Alüminyum intermetaliklerini kaplamak için kullanılan yöntemler arasında kutu sementasyonu, sıcak daldırma, termal sprey, kimyasal buhar biriktirme, çamur füzyonu, fiziksel buhar biriktirme gibi yöntemler mevcuttur. Fe-Al ikili sisteminde oluşan intermetalikler hem çizgi bileşik hem de katı eriyik bölgesine sahip bileşiklerdir ve bu intermetaliklerin kristal yapıları sıcaklıkla değişebilmektedir. Uzun mesafe düzene (ordered) sahip yapıları ve düzensiz (disordered) yapıları mevcuttur, bu değişimler mekanik özellikler ile ilişki göstermektedir. Sahip oldukları yeni kristal yapı, içerisine difüze olan atomların davranışlarını etkilemektedir. Bu tez çalışmasında da alaşımsız ve mangan alaşımlı çelikler üzerine alüminyum yayındırılarak, alüminyumun difüzyonuna manganın etkisinin kinetik ve termodinamik olarak incelenmesi amaçlanmıştır. Mekanizmayı yüksek sıcaklıklarda xviii inceleyebilmek için klasik bir difüzyon çifti oluşturulmamıştır. Demir ve alüminyumdan oluşturulan difüzyon çiftleri genellikle demir ve demir-alüminyum alaşımı şeklinde ya da farklı bileşimlerdeki iki demir-alüminyum alaşımı şeklinde seçilmektedir. Yüksek sıcaklıklarda alüminyum ergiyeceğinden, çiftler bu şekilde üretilmektedir. Bu oluşturulan çiftler birbirlerine tutturularak uzun saatler boyunca yüksek sıcaklıkta tutulduktan sonra oluşan fazlara ve bu fazların oluşma mekanizmalarına dair incelemeler yapılmaktadır. Bu şekilde yapılmayan difüzyon incelemeleri mevcuttur, daha önceden bahsedilen alüminyum intermetalik kaplama oluşturma yöntemleri de kullanılmaktadır. Bu çalışmada, demir-alüminyum difüzyon mekanizmasını incelemek amacıyla katodik ark fiziksel buhar biriktirme yöntemi ile alüminyum intermetalik kaplamalar elde edilmiştir. Kullanılan bu yöntemde, klasik ark yönteminden farklı olarak yüzey elektronlarla ısıtılarak kaplanmıştır. Çalışmada katodik ark destekli yayındırma işlemini farklı sıcaklıklarda yapabilmek için bias'a alternatif akım uygulanmıştır. Bu sayede bias'ın negatif değerlerinde kaplama yapılırken, pozitif değerlerinde elektronlarla yüzeyin ısıtılması sağlanmıştır. Bu yöntem sayesinde, 800, 900, 1000, 1100 ve 1200°C sıcaklıklarında yayındırma işlemi gerçekleştirilmiş ve herhangi bir ek difüzyon adımına gerek duyulmadan kaplamalar elde edilmiştir. Elde edilen kaplamaları inceleme adımına gelindiğinde ise XRD, SEM, EDS ve sertlik ölçümü gibi analiz metotlarından yararlanılmıştır. Numunelere genel olarak bakıldığında sıcaklık ve alaşım elementi olmak üzere iki temel parametrenin etkileri incelenmiştir, süre sabit tutulmuştur. Sonuç olarak, alaşımsız numunelerde 912°C'deki faz dönüşüm sıcaklığının altında kalan numunelerde alüminyumca zengin Fe2Al5 fazı gözlenmiştir. İşlem sıcaklığı 912°C'nin üzerine çıktığında ise alüminyumca zengin fazlar yerine demirce zengin fazlar gözlemlenmeye başlamıştır. Buna bağlı olarak 912°C'nin altında alüminyumun difüzyon hızının demirin difüzyon hızından daha yavaş olduğu ve bu sıcaklığın üzerinde ise alüminyumun difüzyon hızının demirin difüzyon hızından daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. 1200°C'de alüminyumun difüzyon hızının daha da artması ile intermetalik oluşumu yerine alüminyumun demir kafesine girerek oluşturduğu katı eriyik fazı görülmüştür. Mangan alaşımlı numunelerde ise 1000°C ve altındaki sıcaklıklarda yüzeyde Fe2Al5 fazına rastlanmıştır. Aynı sıcaklıkta yapılan alaşımsız numunelere kıyasla alüminyumun difüzyon hızının yavaşladığını ve alüminyumun difüzyon derinliğinin azaldığını söylemek mümkündür. 1100 ve 1200°C sıcaklıklarında demirce zengin fazlar oluşmaya başlamıştır. Ancak katı eriyik fazına rastlanmamıştır. Her iki grup numunenin de intermetalik bölgelerinden ve altlıklarından alınan sertlik değerleri karşılaştırılmıştır. İntermetalik bölgelerde benzer sonuçlar alınırken, mangan alaşımlı numunelerin altlıklarından alınan sertlik ölçüm sonuçları alaşımsız numunelerinkinin yaklaşık iki katıdır. Bu bilgilerden hareketle manganın intermetalik yapısına girmediği ve oluşan intermetalik katmanın kalınlığını arttığı ve alüminyumun difüzyon hızını yavaşlattığı söylenebilmektedir.