Katodik ark elektron metal iyon işlemi ile Ni–Ti sisteminde difüzyona bağlı faz oluşumlarının incelenmesi

Ni-Ti ikili sistemi, özellikle sahip olduğu NiTi intermetaliğinin ilgi çeken şekil hafıza özelliği ve süperelastik davranışı nedeniyle, 1970'li yıllardan bu yana bir çok araştırmacı tarafından çalışılmaktadır. Şekil hafıza özelliği; bu alaşımın özellikle biyomedikal uygulamalar (diş implantları, stentler vb.) ve mikroelektromekanik sistemler gibi alanlarda kullanımlarını sağlamaktadır. Bunların yanı sıra süperelastiklik özelliği ve yük taşıma kapasiteleri nedeniyle aşınma, kavitasyon erozyonu gibi alanlarda da uygulamaları vardır. NiTi intermetaliği kitlesel, folyo veya ince film/kaplama olarak üretilebilmektedir. Kaplama olarak üretimleri genellikle manyetik alanda sıçratma ile yapılmaktadır. Manyetik alanda sıçratma yöntemiyle üretimde en büyük dezavantajlar kaplama hızının düşük olması ve kaplama sonrasında istenilen fazın elde edilebilmesi için proses sonrası ısıl işleme ihtiyaç duyulmasıdır. NiTi alaşımının üretimi ile ilgili çalışmalarda, Ni-Ti sisteminde difüzyon incelenmektedir. Ni-Ti sisteminde difüzyon araştırmaları; kitlesel Ni-Ti çiftinde difüzyon çalışmaları, Ni-Ti lehim ve birleştirme prosesinde difüzyon, Ni-Ti toz, folyo veya kaplamalarda difüzyon şeklinde çalışılmaktadır. Yapılan çalışmalar, Ni-Ti sisteminde difüzyon hızları, fazların büyüme hızları, oluşum sıralamaları ve oluşum reaksiyonları gibi konuları araştırmaktadır. Kaplama proseslerinde Ni-Ti difüzyonu, proses sonrası uygulanan ısıl işlemler sırasında sağlanmaktadır. Bu nedenle konvansiyonel difüzyon çalışmaları ile kaplama ardından yapılan ısıl işleme dayalı difüzyon çalışmaları arasında temel prensip açısından farklılık bulunmamaktadır. Fakat literatürde bazı plazma sprey çalışmalarında, kaplama ve difüzyon eş zamanlı gerçekleşmektedir. Difüzyon çiftlerinden birinin akısı değişken olduğundan, konvansiyonel difüzyon proseslerine göre bu çalışmalar oluşan fazlar ve bu fazlarıın sıralamaları açısından farklılık gösterebilmektedir. Katodik ark fiziksel buhar biriktirme yöntemi gibi plazma işlemlerinde iyonları yüzeye doğru hızlandırma amacıyla altlık malzeme üzerine bias potansiyeli uygulanır. Altlığa uygulanan bias potansiyeli doğru akım (DC), darbeli akım (pulse) veya alternatif akım (AC) formlarında olabilir. Düşük voltajda uygulanan bias genellikle kaplama özelliklerinin iyileştirilmesi, yüksek bias voltajı ise altlık yüzeyini temizleme amaçlıdır. Bunların dışında biasın yüksek voltajda uygulanması ile altlık yüzeyine iyon implantasyonu mümkün olmaktadır. Grubumuzda bir çok araştırmacı tarafından, düşük ve yüksek bias çevrimleri uygulaması ile kaplama/yayındırma çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Düşük bias uygulaması esnasında, kaplama olurken; yüksek bias çevriminde ise altlık iyonlarla bombardıman edilerek yayındırma olmaktadır. Fakat bu yöntemin en büyük dezavantajı düşük bias çevrimlerinde altlıkta biriken malzemenin yüksek biasta geri sıçratılmasıdır. Geri sıçratma problemine bir çözüm bulunması amacıyla, bias potansiyelinin AC olarak uygulanması düşünülmüş ve ilk olarak Öncel'in çalışmasında kullanılmıştır. Bu yöntem katodik ark elekton metal iyonu prosesi (KA-EMİP) olarak adlandırılmıştır. AC bias voltajı negatif bölgedeyken, altlık yüzeyine iyonlar yönlendirilir ve kaplama gerçekleşir. Pozitif bölgede ise, numune yüzeyine katottan çıkan elektronlar yönlendirilerek numune yüzeyi ısıtılmaktadır.. Yöntem, istenilen fazların, arzu edilen kalınlıklarda ve kısa sürelerde elde edilmesini sağlaması açısından etkilidir. Bu çalışmada, öncelikli amaç KA-EMİP yönteminde Ni-Ti çiftlerinin difüzyonu ile oluşan fazların ve yapıların incelenmesidir.Aynı zamanda altlık yüzeyinde NiTi katmanının tek bir prosesle, ekstra ısıl işleme gerek duyulmadan üretim koşullarının belirlenmesi hedeflenmiştir. Süre, sıcaklık gibi difüzyonu etkileyen başlıca parametrelerin incelenmesinin yanısıra, difüzyon çifti ve katot akımının etkisi de araştırılmıştır. İki farklı difüzyon çifti ile çalışılmıştır. Öncelikle Ti altlık üzerine Ni katot ile kaplama/yayındırma işlemi; ardından Ni altlık üzerine Ti katot ile kaplama/yayındırma işlemleri gerçekleştirilerek numuneler üretilmiştir. Elde edilen numuneler SEM, EDS, XRD, FIB ve mikrosertlik testleri ile analiz edilmiştir. Ti altlık-Ni katot çiftinde öncelikle sıcaklığın difüzyon üzerindeki etkisi incelenmiştir. 800 ve 1000 °C sıcaklıklarda Ti altlık üzerinde katmanlı yapılar oluşmuş ve tüm intermetalik fazlar tespit edilmiştir. NiTi fazı katman halinde elde edilememiştir. Sıcaklık 1000 °C üzerine çıkarıldığında ise nikelin titanyum içerisinde hızlı difüzyonu ile α-Ti+ötektoid (α-Ti+NiTi2) yapısından oluşan bir difüzyon bölgesi elde edilmiştir. Sürekli difüzyonun elde edildiği sıcaklıkta, katot akımı ve süre parametrelerinin etkisi incelenmiştir. Yapıdaki difüzyon bölgesinin üzerinde tekrar katmanlar oluşmuş fakat NiTi katmanına rastlanmamıştır. Çalışmada ikinci olarak Ni altlık-Ti katot çifti ile çalışılmıştır. Öncelikle sıcaklığın etkisi araştırılmıştır. 900 ve 1000 °C sıcaklıklarda katmanlı yapılar elde edilmiştir. Tüm intermetalik fazlara ait katmanlar numunelerde mevcuttur. Bu intermetalik katmanların üzerinde Ti (Ni) bölgesel olarak birikmeye başlamıştır. Sıcaklık 900 °C'den 1000 °C'ye çıktığında NiTi ve NiTi2 katmanlarının kalınlığı artmış, Ti (Ni) bölgeleri de azalmıştır. Sıcaklık 1100 °C olduğunda, yapıda sadece Ni3Ti ve NiTi katmanları oluşmuştur. Yüzeyde 11 μm kalınlığında homojen ve östenit ana fazında NiTi katmanı oluşturulabilmiştir. NiTi katmanında Ni4Ti3 çökeltileri tespit edilmiştir. Aynı zamanda tüm numunelerde Kirkendall boşlukları görülmüştür. Proses sıcaklığı arttıkça Kirkendall boşlukları büyümüş ve oluştukları bölge Ni3Ti/NiTi arayüzeyinden Ni3Ti/Ni arayüzeyine doğru kaymıştır. Ni altlık-Ti katot çiftinde 900 °C ve 1100 °C sıcaklıkalrda katot akımının oluşan yapılara etkisi incelenmiştir. 900 °C'de katot akımı 60 A'ya düşürüldüğünde sadece Ni3Ti fazının yüzeyde oluşabildiği gözlenmiştir. 900 °C'de Katot akımı 70 A olması durumunda ise yüzeyde NiTi fazı yaklaşık 3 μm kalınlığında bir katman olarak elde edilmiştir. 1100 °C sıcaklıkta ise NiTi katmanının katot akımı ile nasıl değiştiği araştırılmıştır. 80 A katot akımında NiTi katman kalınlığı 6 μm'ye düşmüş ve östenit NiTi fazının içerisinde Ni4Ti3 çökeltilerinin miktarı artmıştır. NiTi fazının altındaki Ni3Ti katman kalınlığının da 90 A'ya göre daha fazla olduğu görülmüştür. Katot akımının 100 A'ya çıkarılması ile NiTi bölgesinin kalınlığı artmış, Ni4Ti3 çökeltileri Ni3Ti sınırına yakın bölgede oluşmuş ve yüzeye yakın bölgede martenzit NiTi yapısına rastlanmıştır. NiTi bölgesinde nikel konsantrasyon gradyanı vardır ve katot akımının artmasıyla bu gradyan artmaktadır. 110 A katot akımında NiTi yüzeyinde NiTi2 fazı oluşmaya başlar ve martenzit NiTi fazının oranı artmaktadır. Çalışmada farklı difüzyon çiftlerinin kullanılması ile zamanla fazların nasıl oluştuğu ve sıralamasını belirlemek amacıyla süreli deneyler yapılmıştır. Ni altlık – Ti katot sisteminde ilk 5 dakikada Ni3Ti katmanı oluşmuştur. Ardından 2. Faz olarak NiTi ve son olarak ise NiTi2 katmanı oluşmuştur. Fazların oluşum sıralaması Ni3Ti – NiTi – NiTi2 olarak belirlenmiştir. 20. dakikadan sonra Ni3Ti fazının kalınlığı azalmaya başlamıştır. 45 dakika sonrasında ise artık Ni3Ti fazı neredeyse tükenmiştir. Bunun nedeni 20. dakikada belirli bir kalınlığa oluşan NiTi2 fazının titanyumun difüzyonunu sınırlamasıdır. NiTi 45 dakika boyunca büyümeye devam etmiştir. 20. dakikadan sonra Ni3Ti ve NiTi2 fazları harcanarak NiTi fazını oluşturmaktadırlar. Katot çifti Ti altlık – Ni katot olduğunda ise ilk 5 dakikada hem NiTi2 hem de Ni3Ti fazları oluşmuştur. Ardından 10. dakikadan sonra NiTi çökeltileri XRD analizi ile tespit edilmiştir. NiTi bir katman halinde 30 dakika sonrasında elde edilebilmiştir. Burada NiTi2 fazının ilk oluşarak titanyumun nikele doğru difüzyonunu sınırlaması ile NiTi fazı oluşamadan Ni3Ti oluştuğu düşünülmektedir. Ti altlık-Ni katot çifti için fazların oluşum sıralaması NiTi2-Ni3Ti-NiTi olarak belirlenmiştir. Bu sonuçlardan, istenilen fazın elde edilebilmesinde difüzyon çiftinin önemi ortaya çıkmaktadır. Mikrosertlik testleri sonucunda, Ti altlık-Ni katot çiftinde 1100 °C ve üzerindeki sıcaklıklarda elde edilen nikel ile alaşımlanmış Ti altlık sertliklerinin, yapıda oluşan NiTi2 fazına bağlı olarak 2 kattan fazla arttığı belirlenmiştir. Ni altlık ve Ti katot çiftlerinde bulunan tüm intermetaliklerin sertlikleri belirlenmiştir. 900 °C ve 1000°C sıcaklıkta işlem gören numunelerde; Ni3Ti fazının sertliği 5,2-8,9 GPa aralığında; NiTi2 fazının ise 5,2-7,7 GPa aralığında bulunmuştur. 1100 °C sıcaklıkta farklı katot akımlarında elde edilen NiTi katmanlarının sertliklerinin nikel konsantrasyonunun artmasıyla arttığı belirlenmiştir. Bunun nedeni ise östenit ana faza sahip NiTi katmanında nikel konsantrasyonuna bağlı Ni4Ti3 çökeltilerinin oluşması ve bu çökeltilerin sertliği artırmasıdır. Yüzeye yakın bölgelerde sertlikte düşüş en yüksektir ve buna martenzit NiTi fazının da etkisi olduğu belirlenmiştir. Sertlik değerleri 8,2-3,3 GPa aralığındadır. Aynı zamanda NiTi katmanlarındaki ana faz östenit olduğundan, elastik şekil değiştirme oranları %50 ve üzerindedir. Bu çalışmada, Ni-Ti sistemi için yeni bir yüzey modifikasyonu ve alaşımlama metodu geliştirilmiştir. Ni-Ti ikili sisteminde bulunan fazların ve yapıların oluşumu altlık/katot difüzyon çifti, katot akımı, difüzyon sıcaklığı ve süresine bağlı olarak belirlenmiştir. Östenit NiTi fazı Ni altlık yüzeyinde herhangi bir ekstra ısıl işleme gerek olmadan elde edilebilmiştir. Bu çalışmanın sonuçları doğrultusunda, ileriki çalışmalarda farklı altlık malzemeleri üzerinde NiTi fazının oluşturulabilmesi mümkün gözükmektedir.