Nikel ve kobalt katkılı seydişehir alümina tozlarından sinter seramik esaslı malzemelerin geliştirilmesi ve karakterizasyon çalışmaları

Seramikler, üstün mekanik, termal ve elektrik özellikleri sayesinde ileri teknoloji ürünleri arasında giderek artan öneme sahiptirler. Her ne kadar geleneksel seramiklerin günümüzdeki önemi azalmış olsa da, gelişen teknoloji çeşitli üstün özelliklere sahip yeni seramik malzemelerin ortaya çıkışını zorunlu kılmıştır. Başlangıçta yüksek performanslı uygulamalar için kullanılan bu seramikler, sonrasında farklı özelliklerin birleştirilmesi amacı altında geliştirilmiştir. Seramik malzemeler için üretim yöntemi mikroyapı ve özellikleri doğrudan etkilemekte ve belirli bir üretim yöntemi için süreç şartlarındaki herhangi bir değişikliğin bu özellikler üzerindeki etkisi ciddi derecede olmaktadır. Özellikle toz pekiştirilmesi ile oluşturulan seramik malzemelerde yetersiz adhezyon nedeniyle toz granüllerinin merkezlerde ve tane sınırlarında meydana getirdiği, sinter sırasında kapanmayan veya daha da büyüyen gözenekler kırılma tokluğunun düşmesine neden olmaktadır. Toz granüllerinin yapı ve karakteristiğinin yanı sıra pekişme davranışının da kontrolü seramik malzemelerin dayanımını artırabilmek adına içerisindeki gözenek miktarı ve boyutlarını azaltmak konusunda önemli bir husustur. İleri seramikler ailesinin başlıca üyelerinden biri olan alümina, gerek uygun maliyeti gerekse yüksek aşınma direnci, üstün dielektrik özellikleri, yüksek sıcaklıklardaki asit ve alkali dayanımı, iyi ısıl iletkenliği, yüksek mukavemet ve direngenliği, farklı yüksek sıcaklık performansı talebine göre %94 'ten %99.8'e kadar değişebilen saflığı ile önemli bir yer teşkil etmektedir. Alümina günümüzde, en başta yüksek sıcaklık fırınlarında, kesici takımlarda, aşınma dayanımlı tüplerde, termometre sensörlerinde, elektronik endüstrisinde, laboratuvar gereçlerinde, yüksek voltaj izolatörlerinde, implant ve protezlerde, zırh yapımında ve öğütücü ortam olarak kullanılmaktadır. Sahip olduğu üstün özelliklerine karşın yapısında bulunan iyonik ve kovalent bağlardan dolayı oldukça sınırlı dislokasyon hareketlerine ve dolayısıyla da düşük kırılma tokluğuna sahip olan alüminanın mekanik özelliklerini geliştirmek adına yumuşak metalik ya da metaller arası bileşikler eklenerek alümina matrisli kompozitlerin oluşturulması üzerine yoğunlaşılmaktadır. Mekanik özellikleri daha da geliştirmek için özellikle nanometre boyutunda bileşenler kullanılması vurgulanmaktadır. Bu tez çalışması, 2013 yılında Ahmet Burçin Batıbay tarafından hazırlanan 'Alümina - Geçiş Metali İkili Sistemlerinin Zırh Malzemesi Olarak İncelenmesi' isimli çalışmayı takiben yapılan ön deneylerden esinlenerek kurgulanmıştır. Ülkemize ait yerli hammadde kaynaklarından olan Eti Alüminyum A.Ş. Seydişehir Tesisi'den temin edilen Bayer alümina tozları kullanılarak geçiş metali ve nadir toprak oksiti katkılı toz metalurjisi yöntemi ile hazırlanan sinter seramik malzemeler üretilmiştir. Ön deneyler, bu seramiklerin katılan sünek yapılı geçiş metallerinin varlığında sıvı faz sinterlemesi ile üretilmesi için gerekli olan sinter şartlarının literatür çalışmaları ışığında geliştirilmesi ve katkılı numunelerdeki bu fazların bağlayıcı etkisinden yararlanılarak mekanik öğütme süreçlerinde bağlayıcı kullanılmamasının sinterlenmiş numunelerdeki nihai gözenekliliğe, mikroyapıya ve dolayısıyla da mekanik özelliklere etkisi üzerinde yoğunlaşmıştır. Literatürdeki çalışmalarda alüminaya geçiş metali ilavesinin ilgili sıcaklıkların altında yapılan sıvı faz sinterlemesi sırasında yapıyı yeterince ıslatmaması, sinterlemeye yardımcı olarak katılan nadir toprak oksitlerinin yine benzer şekilde belirli sıcaklıklar altında sinterleme mekanizmasını olumsuz etkilemesi ve bu oksitlerin mekanik özellikler üzerindeki etkileri, seramik malzemelerdeki üretim ve pekiştirme yönteminin mikroyapı ve özellikler üzerinde doğrudan etkili oluşu, düşük soda içerikli Bayer prosesi sonrası kalsine edilen alümina tozlarının değerlendirilerek ileri seramik malzemelerin geliştirilmesi bu tez çalışmasının temel motivasyonları olmuştur. Çalışma kapsamında, şekillendirme yönteminin ve nadir toprak oksiti olarak La2O3 ile Ni ve Co geçiş metalleri katkısının nihai özelliklere etkisi karakterizasyon çalışmaları, mekanik testler ve mikroyapı incelemeleri ile irdelenmiştir. Sinter sıcaklığı katkı malzemelerinin alüminanın sinterlenmesi üzerindeki etkisi göz önünde bulundurulup literatür çalışmalarından yararlanılarak 1700°C olarak seçilmiştir. Eksenel presle şekillendirilen numunelerin yanı sıra, önşekillendirmesi eksenel pres, nihai şekillendirmesi soğuk izostatik pres (SİP) ile yapılan numuneler de üretilmiş olup pekiştirme yönteminin üretilen malzeme özellikleri üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Toz üretimi öncesinde başlangıç malzemesi Seydişehir alümina tozları yapısındaki uçucu maddelerin giderilmesi ve sinterleme işlemi için yapının tamamen kararlı korundum fazına dönüşmesi için 1200°C'de 1 sa süre ile kalsinasyon işlemine tabi tutulmuştur. Kalsine edilen başlangıç tozunun öğütme öncesinde XRF, XRD ve partikül boyut ölçümleri yapılmıştır. Bulk numunelerin hazırlandığı mekanik öğütme ile üretilen tozlarda Ni ve Co geçiş metali katkıları çeşitli kombinasyonlar halinde ağırlıkça yaklaşık %8 oranında, La2O3 katkısı ise ağırlıkça yaklaşık %1 oranında kullanılmış, katkılı numunelerin toz karışımlarında bağlayıcı kullanılmamıştır. Sünek faz içermeyen katkısız Seydişehir Al2O3 tozlarında ise bağlayıcı olarak polivinil alkol kullanılmıştır. Hazırlanan toz karışımları 30 sa süre ile 7:1 bilya oranında YSZ bilyalar ve izopropil alkol kullanılarak yüksek enerjili gezegen değirmende yaş olarak öğütülmüştür. Mekanik öğütme sonrası etüvde kurutulan tozlara XRF, XRD ve partikül boyut ölçümü analizleri yapılmıştır. Üretilen tozlardan eksenel pres vasıtasıyla 130 MPa basınç altında pelet biçiminde numuneler hazırlanmıştır. Pekiştirme yönteminin etkisini incelemek için aynı kimyasal kompozisyonlardan, 130 MPa basınç altında ön şekillendirilip 400 MPa basınç varlığında SİP ile pekiştirilen numuneler de oluşturulmuştur. Katkısız Seydişehir Al2O3 numunelerine sinterleme öncesi 650°C'de 2 sa süre ile bağlayıcı giderme işlemi uygulanmıştır. Hazırlanan tüm numuneler sinter öncesi boyut ve yoğunluk ölçümleri alındıktan sonra Ar ve H2 atmosferi altında 1700°C'de 4 sa süre ile sinterlenmiştir. Karakterizasyon çalışmaları kapsamında sinterlenen numunelere boyut ve yoğunluk ölçümleri, XRD analizleri, optik mikroskop incelemeleri, SEM/EDS analizleri yapılmıştır. Mekanik özelliklerin incelenmesi için yapılan mekanik testler ise mikrosertlik ölçümlerini, basma dayanımı ve kırılma tokluğu testlerini içermektedir. Geçiş metali ve lantan oksit katkısının sinterlenen numunelerin mekanik özelliklerini, özellikle kırılma tokluğunu olumlu yönde etkilemiştir. Sinterlenen numunelerin nihai özelliklerinin başlangıç tozuna ve şekillendirme süreçleri doğrudan bağlı olduğu görülmüştür. SİP uygulaması sırasında fazla gelen şekillendirme basıncı numunelerin mekanik özelliklerinde ve bulk yoğunluk değerlerinde varyasyona neden olmuştur.