Dynamics of eutectic growth in a three-phase system

Katılaşma, döküm, kaynak, lehim ve katmanlı imalat gibi çeşitli üretim metotlarında yer alır. Katılaşma mikroyapıları, ilerleyen katı/sıvı arayüzeyinin geride bıraktığı izlerdir. Bu yapılar, malzemenin içsel özellikleri ve proses parametrelerine bağlı olarak evrilir. Malzeme özellikleri önemli ölçüde mikroyapıya bağlıdır ve bu nedenle malzeme özelliklerinin kontrol ve optimize edilmesi için fazların dizilim oluşum prensiplerinin anlaşılması gerekir. Endüstride kullanılan malzemelerin çoğu çok fazlı olduğundan, son yıllarda, çok fazlı mikroyapının katılaşma esnasında nasıl oluştuğunu anlamaya yönelik birçok kapsamlı bilimsel araştırmalar yapılmıştır. Fakat fazların ve fazlar arası yüzeylerin çeşitliliğinden dolayı oldukça karmaşık mikroyapılar oluştuğundan, mikroyapının oluşum dinamikleri hayli karmaşık bir problemdir. Terner ötektik bir sistemde, ötektik kompozisyondaki homojen bir sıvıdan aynı anda üç kristal fazın büyüdüğü üç fazlı ötektik sistemler çok fazlı malzemelere bir örnektir. Ötektik sistemler, düzenli dizilime, düşük erime sıcaklığına, döküm sırasında mükemmel akışkanlığa sahip oldukları ve ayrıca katı ve sıvının beraber bulunduğu bir sıcaklık aralığı bulunmadığı için endüstride yaygın olarak kullanılırlar. Bu tezin amacı, In-Bi-Sn üçlü sistemi ile sistematik deneyler yaparak, üç fazlı ötektik büyümenin temel ve kritik ama henüz bilinmeyen özelliklerini anlamaktır. Katılaşma sırasında kısmı olarak 2B olan numunelerin katı/sıvı arayüzeyleri her iki taraftan gerçek zamanlı olarak incelenebilmesi için en gelişkin teknolojiler kullanılarak bu araştırmalar için üretilmiş tek yönlü katılaştırma ve dönen tek yönlü katılaştırma üniteleri kullanılmıştır. Tezin ilk bölümünde, ara yüzey enerjisinin izotropik olduğu durumlarda numune kalınlığının, 2B ve üç fazlı ötektik sistemlerde temel yapı olan ABAC diziliminin kararlılığı üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Numune kalınlığı arttıkça ABAC diziliminin kararlılık bölgesinin daraldığı ve bunun nedeninin kararsızlık mekanizmaları olan lamel eliminasyonu ve dallanması ile ilgili olduğu anlaşılmıştır. Bu kararsızlıkların dinamikleri ve özellikleri, mikroyapının alttan ve üstten aynı anda gözlemlenmesini sağlayan çift taraflı mikroskop sayesinde karakterize edilmiştir. Faz değişimi ve faz akını şeklinde adlandırdığımız ve dizilimde bir hata olduğunda ABAC yapısının tekrar elde edilmesini sağlayan iki kilit mekanizma olduğu belirlenmiştir. İkinci bölümde, üç fazlı ötektik tanecikler, fazlar arası yüzey enerjisinin anizotropi fonksiyonundaki farklılıklara göre sınıflandırılmıştır. Ötektik tanecikler, fazlar arasındaki sınırların Wulff grafiklerine göre izotropik, kısmen kilitli, tamamen kilitli ve ayrıymış tanecikler olarak dört gruba ayrılmışlardır. İzotropik ötektik taneciklerde, fazlar arası yüzey enerjisi yönden bağımsızken, bu enerjinin belirli açı aralıklarında tekil ve tekil olmayan minimumlar olması, sırasıyla tamamen kilitli ve kısmen kilitli ötektik taneciklerinin oluşmasına sebep olmuştur. Bu taneciklerde lamel yapı, fazlar arası yüzey enerjisinin az olduğu yöne doğru eğilmiştir. Son grup olan ayrışmış taneciklerde ise mikroyapı düzenli ABAC dizilimini oluşturmadığı gibi fazların morfolojisi de fazlar arası anizotropiden dolayı tamamen değişmiştir. İki farklı ayrışmış mikroyapı tanımlanmış ve her birinin muhtemel kaynağı belirlenmiştir. Son olarak, bu çalışma kapsamında gözlemlenen diğer mikroyapı tipleri numune kalınlığına bağlı ve anizotropi kaynaklı mikroyapılar olarak sınıflandırılmıştır.