Titanyum karbür ve grafen nano plaka (GNP) takviyeli zirkonyum karbür seramiklerinin spark plazma sinterleme yöntemi ile üretimi ve karakterizasyonu

Zirkonyum karbür (ZrC) gibi geçiş metallerinin karbürleri, 3000oC üzerinde ergime noktaları olan, düşük yoğunluğa sahip, yüksert mukavemet ve sertlikte (24GPa üzeri), mükemmel termal kararlılığı, yüksek kimsayal dayanımı olan ve iyi korozyon direncine sahip refrakter seramikleridir. Sahip oldukları bu üstün mekanik ve termal özellikleri onları kesme takımları, jet motoru parçaları, burun uçları, hücum kanatları ve atmosfere giriş araçları gibi ultra yüksek sıcaklık uygulamaları için ilgi çekici birer malzeme haline getirmektedir. Fakat yapısında bulunan güçlü kovalent bağların sebep olduğu düşük sinterlenme kabiliyetleri ve gevrek yapısının neden olduğu düşük kırılma toklukları zirkonyum karbür seramiklerinin tek başına kullanımları kısıtlamaktadır. Sahip oldukları güçlü kovalent bağların sağladığı yüksek ergime sıcaklıkları ve düşük difüzyon katsayıları nedeniyle, monolitik ZrC seramiklerinin geleneksel sinterleme yöntemleri kullanılarak tek başlarına yoğun bir yapı elde edilmesi mümkün değildir. Bu durum pek çok uygulamada bu karbürlerin kompozit yapılar halinde kullanılmalarını gerektirmekdir. Zirkonyum karbür gibi bir diğer geçiş metal karbürü olan titanyum karbür (TiC) zirkonyum karbüre göre daha üstün mekanik özelliklere sahiptir. Zirkonyum karbüre göre daha yüksek kırılma tokluğu ve daha iyi sinterlenme kabiliyeti vardır. Grafen nano partikül (GNP), sahip olduğu mekanik, termal ve yüksek elektron mobilitesi özellikleri sayesinde, son yıllarda oldukça önem kazanan ve bu çalışmada ilave toklaştırma mekanizması olarak tercih edilen nanoboyutluı bir karbon formudur. Üretim aşamasında kullanılan spark plazma sinterleme (SPS) yöntemi, bir basınçlı sinterleme yöntemi olup, zirkonyum karbür gibi yüksek ergime noktasına ve güçlü kovalent bağlara sahip, aynı zamanda sinterlenme kabiliyetleri düşük olan malzemer için oldukça etkili bir sinterleme tekniğidir. Yüksek ergime noktalarına sahip ve düşük sinterleme kabiliyeti olan malzemeler sinterlenip yoğun bir yapıya ulaşabilmek için yüksek sinterleme sıcaklıklarına ve uzun sinterleme sürelerine ihtiyaç duymaktadırlar. SPS gibi gelişmiş sinterleme teknikleri, sıcak izostatik pres, sıcak pres ve basınçsız sinterleme yöntemlerine göre düşük sinterleme sıcaklıklarına ve kısa sinerleme sürelerine sahip oldukları için, bu malzemelerin neredeyse %100 yoğunluka sinterlenmesinde oldukça etkilidir. Ayrıca SPS sistemi ile oldukça kısa sürelerde gerçekleşen sinterleme işlemleri sayesinde, tane büyümesinin de önüne geçilerek daha iyi mekanik özelliklerde yapılar elde edileblilir. Deneysel çalışmalar 20.000 A kapasiteli SPS sistemi ile gerçekleştirilmiştir. Üretilen 50mm çapında 4mm kalınlığında kompozitlerin densifikasyon davranışları belirlenmiş, Vickers mikrosertlik ve kırılma toklıığu değerleri ölçülmüş, faz ve mikroyapı analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada, ZrC'nin mekanik özelliklerini ve sinterleme davranışlarını geliştirmek amacıyla ZrC matris içerisine TiC ve grafen nano plaka (GNP) ilave edilerek, ZrC-TiC ikili ve ZrC-TiC-GNP üçlü kompozitleri üretilmiştir. Üretim spark plazma sinterleme yöntemi kullanılarak 1700oC sıcaklıkta 40 MPa basınç altında 5 dakika sinterleme süresi ile gerçekleştirilmiştir. Üretim aşamasında ağırlıkça %0,25-3,00 arası GNP katkısı ve hacimce %80ZrC-%20TiC toz karışımları bilyalı değirmenlerde 24 saat öğütülmüş ve sonrasında etüvde kurutulmuştur. Sonraki aşamada GNP aglomerasyonunun önüne geçmek ve toz karışımının homojen dağılmasını sağlamak amacı ile ultrasonik karıştırıcılarda karıştırılan tozlar, 50mm çapında ve 4mm kalınlığa grafit kalıba doldurularak sinterlemeye hazır hale getirilmiştir. Deneysel çalışmalar kapsamında sinterlenen numunelerin densifikasyon davranışları incelenmiş ve yoğunluk değerlerinin %96,33-99,43 arasın değişti belirlenmiştir. İlave edilen GNP miktarının artışının yoğunluk değerine olumlu etki yaptığı görülürken, ağırlıkça %1 GNP ilavesinin ardından relatif yoğunluk değeri düşmeye başlamıştır. Vickers mikrosertlik ölçümlerinin ardından en yüksek yoğunluğa GNP içermeyen ZrC-TiC ikili kompozitin sahip olduğu belirlenirken, en yüksek kırılma tokluğu değeri ağırlıkça %1 GNP içeren ZrC-TiC-GNP üçlü kompozitinde saptandı. Antsis eşitliği kullanılarak hesaplanan kırılma tokluğu deperlerinde GNP ilavesi ile artan kırılma tokluğu değerlerinin sebebini incelemek ve yapı içerisinde GNP ve TiC dağılımını görmek amacı ile alan taramalı elektron mikroskobu aracılığıyla üretilen kompozitlerin kırık yüzey görüntülerine ve mikroyapı dağılımlarına bakıldı. Kırılma tokluğunu arttırmasının sebebinin GNP'lerin yapı içerisinde homojen olarak dağılıp, çatlak ilerlemesine engel olması ve çatlakların yönünü değiştirirerek çatlağın enerjisini azaltması olarak düşünülmektedir.