SiC esaslı seramiklerin spark plazma sinterleme (SPS) yöntemi ile üretimi ve karakterizasyonu

Silisyum karbür (SiC), yüksek ergime sıcaklığına, yüksek sertliğe ve yüksek elastisite modülüne sahip olan, iyi korozyon direnci gösteren ve düşük yoğunluklu seramik bir malzemedir. Sahip olduğu bu özellikler SiC malzemelere ileri mühendislik uygulamaları, uçak-uzay sanayi, nükleer enerji prosesleri ve balistik uygulamalar gibi çok geniş bir kullanım alanı kazandırmaktadır. SiC gibi kovalent bağlı seramik malzemelerin tek başlarına sinterlenmeleri ve teorik yoğunluğa ulaşılarak şekillendirilmeleri oldukça zordur. Bu tip malzemelerin sahip oldukları güçlü kovalent bağlar ve yüksek ergime sıcaklıkları sebebiyle, monolitik olarak konvansiyonel metodlarla sinterlenmeleri güçtür. Bu nedenle sinterlenme sonucunda yoğun bir yapı elde edilebilmesi için sisteme sıvı veya katı faz sinterlenme mekanizmasını hızlandıracak katkı maddeleri eklenmeli ve/veya yüksek sıcaklık ve basınç şartlarında çalışılmalıdır. Monolitik SiC seramiklerini sinterlemek amacıyla genellikle basınçsız sinterleme, sıcak presleme ve sıcak izostatik presleme gibi geleneksel sinterleme teknikleri uygulanmaktadır. Ancak bu yöntemlerin uygulanması sırasındaki yüksek sinterleme sıcaklıkları, uzun sinterleme ve soğuma süreleri monolitik SiC seramiklerinde tane büyümesine sebep olmaktadır. Sonuç olarak bu yöntemlerle üretilen monolitik SiC seramiklerinde mukavemet ve tokluk değerleri çok düşük olmaktadır ve bu durum bahsedilen yöntemlerle üretilen SiC seramiklerinin uygulama alanlarını kısıtlamaktadır. Spark plazma sinterleme tekniği yeni geliştirilmiş bir üretim yöntemi olup diğer yöntemlere kıyasla daha düşük sıcaklıklar ve daha kısa sürelerde tozun tam yoğunluğa ulaştırılmasını sağlamaktadır. Bu yöntemde hızlı ısıtma ile yüksek yoğunluklara hızla çıkılmakta ve tane büyümesinin önüne geçilmektedir. Sonuç olarak SPS tekniği ile konvansiyonel üretim yöntemlerine nazaran çok daha düşük sinterleme sıcaklıkları ile tam yoğunlukta ve daha yüksek performanslı malzemeleri üretmek mümkün olmaktadır.Bu çalışmada temel amaç SPS tekniğini kullanarak yüksek yoğunlukta monolitik SiC seramiklerini üretmek ve SPS sıcaklık ve basınç değerlerinin mikroyapı, çekilme davranışı ve mekanik özellikler üzerindeki etkilerini incelemektir. Bu amaçla SPS tekniği kullanılarak 1800-1950 °C arasındaki dört farklı sıcaklıkta ve 40, 60 ve 80 MPa olmak üzere üç farklı basınç değerinde deneyler yapılmış ve hiçbir sinterleme katkısı kullanılmamıştır. Farklı sıcaklık ve basınç değerlerinin yoğunluk, Vickers sertliği, kırılma tokluğu, çekilme davranışı ve mikroyapı üzerindeki etkileri incelenmiş ve çalışmanın sonunda %99 rölatif yoğunluğa sahip monolitik SiC seramikleri elde edilmiştir.Monolitik SiC seramiklerinde en yüksek rölatif yoğunluk (%99,7), Vickers sertlik ve kırılma tokluğu değeri 1950 ºC 80 MPa basınç altında spark plazma ile sinterlenen numunede elde edilmiş olup, bu değerler sırasıyla 31,9 GPa ve 3,6±0,3 MPa.m1/2'dır. Uygulanan yüksek ısıtma hızı monolitik SiC seramiklerinin rölatif yoğunluğunu düşürmüştür. Yüksek ısıtma hızlarında gerçekleştirilen sinterlemelerde yoğunlaşma için gerekli zaman olmadığından elde edilen yoğunluk değerleri 100 ºC /dak ısıtma hızlarında elde edilen numunelerin yoğunluklarından daha düşük değerlerde kalmıştır. Bu durumda bekleme süresi ya da uygulanan basınç arttırılarak yoğunlaşma arttırılabilmektedir. SiC malzemelerin sergiledikleri en önemli mekanik zayıflık, yüksek rölatif yoğunluklarda dahi düşük kırılma tokluğuna sahip olmalarıdır. Bu çalışmada bir takım sinterleme katkıları kullanılarak SiC'ün düşük sıcaklıklarda sinterlenebilmesine ve daha yüksek kırılma tokluğu değerlerine ulaşılmasına çalışılmıştır. Sinterleme katkılarının türüne bağlı olmak üzere SiC'ün katı ya da sıvı faz sinterleme mekanizmalarından biriyle yüksek yoğunluk değerlerine ulaşması mümkündür. SiC'ün B ve C katkılarıyla sinterlenmesinde aktif olan mekanizma ise katı faz difüzyon prosesi olmaktadır. Sinterleme katkısı olarak yitria ve alümina kullanılması durumunda SiC tozlarının yüzeylerinde var olan SiO2 ile bu katkılar bir sıvı faz oluşturmakta ve oluşan sıvı faz yoğunluk artışını sağlamaktadır.Sıvı faz sinterlemesi SiC'ün 1700 °C'ye yakın sıcaklıklarda yoğunlaşmasına olanak vermektedir. Sıvı faz sinterlemesiyle üretilmiş SiC seramikleri katı faz sinterlemesiyle üretilmiş olanlara nazaran daha yüksek kırılma tokluğu değerleri sergilemektedirler. Ancak bu yöntemde karşılaşılan en büyük problem SiC'ün sinterlenmesi sırasında var olan oksit katkıların SiC ile reaksiyona girmeleridir. Bu çalışmada ayrıca bazı oksit (Al2O3, Y2O3), borür (TiB2) ve karbür (B4C) katkıları ile SiC seramiklerinin SPS tekniği kullanılarak üretimi yapılmıştır. Sinterleme prosesi 1700-1800 °C arasındaki üç farklı sıcaklıkta, 40, 60 ve 80 MPa olmak üzere üç farklı basınç değerinde ve vakum atmosferinde gerçekleştirilmiştir.Farklı katkıların ve farklı sıcaklık ve basınç değerlerinin çekilme davranışı, yoğunluk, Vickers sertliği, kırılma tokluğu ve mikroyapı üzerindeki etkileri incelenmiştir. Numunelerin sertlik ve kırılma tokluğu değerleri vickers indentasyon yöntemi kullanılarak hesaplanmıştır. Spark plazma sinterlemesi yöntemiyle üretilen SiC numunelerinin mikroyapıları ise taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak incelenmiştir. Hacimce %5 oranında yapılan B4C ilavesinin sinterleme sıcaklığını düşürdüğü, daha düşük sıcaklık ve basınçlarda daha yüksek rölatif yoğunluk değerleri elde edildiği gözlemlenmiştir. Hacimce %5 B4C katkısı aynı SPS parametrelerinde (1800 ºC, 40 MPa) sinterlenen monolitik SiC seramiklerinden daha yüksek rölatif yoğunluğa (%99,2) ve sertliğe (34,1 GPa) ulaşılmasını sağladığı gözlenmiştir. Hacimce %5 Al2O3 katkısı aynı SPS parametrelerinde (1800 ºC, 40 MPa) sinterlenen monolitik SiC seramiklerinden daha yüksek rölatif yoğunluğa (%97,3) ve sertliğe (26,8 GPa) ulaşılmasını sağladığı gözlenmiştir.Hacimce %5 Y2O3 katkısı aynı SPS parametrelerinde (1800 ºC, 40 MPa) sinterlenen monolitik SiC seramiklerinden daha yüksek rölatif yoğunluğa (%96,9) ve sertliğe (22,5 GPa) ulaşılmasını sağladığı gözlenmiştir. SiC-%5 TiB2 seramiklerinde artan sıcaklık ve basınç ile difüzyon hızının artması ve bunun sonucu olarak rölatif yoğunluk değerlerinin yükselmesi ile sertlik değerlerinde artış gözlenmiştir. Düşük sinterleme sıcaklığı ve basıncı ile (1700 °C, 40 MPa) yapı içerisinde oluşan porozite (R.Y %86,5) sertlik değerlerinde düşüşe neden olurken, artan sinterleme sıcaklığı ve basıncı ile (1800 °C, 80 MPa) yapı içerisindeki porozite miktarının azalmasının (R.Y %96,2) sertlik değerlerinde artışa sebep olduğu gözlemlenmiştir.