ii
T.C.
SAKARYA ÜNĠVERSĠTESĠ
MÜHENDĠSLĠK FAKÜLTESĠ
METALURJĠ VE MALZEME MÜHENDĠSLĠĞĠ BÖLÜMÜ
BĠTĠRME ÖDEVĠ
FeNiCuMo Esaslı Ġntermetalik Malzemeler
DanıĢman : Prof. Dr. Sakin ZEYTĠN
Hazırlayan : Fazlı Fatih MELEMEZ
040108017
Haziran 2009
iii
ÖNSÖZ
Bu çalışmanın yapılmasında biyomimetik kavramından yola çıkılarak, doğanın sahip
olduğu kusursuz tasarımdan esinlenilmiş, bu doğrultuda Ti-Al MİL kompozit sistemi
referans alınarak çeşitli deneyler yapılmış, bu sistemin kullanım alanları, avantaj ve
nitelikleri üzerine teorik ve deneysel bilgiler verilmiş, ardından FeNiCuMo-Al
sisteminde intermetalik oluşumu deneysel olarak incelenmiştir.
Bu çalışmanın yürütülmesi ve sonuçlandırılmasında çok büyük bir emek ve katkısı
bulunan Prof. Dr. Sakin Zeytin‟e, deneysel çalışmalarımda yardımlarını esirgemeyen
Tek. Ersan Demir‟e teşekkür ederken eğitim hayatım boyunca sağladıkları maddi ve
manevi destek ile hayatta kalmamı sağlayan aileme şükranlarımı sunarım.
PREWORD
At beginning of the thesis, biomimetic concept enlightened the way i follow and
inspired from matchless design of the nature. Some experiments are done by taking
Ti-Al MIL composite system as reference material, penned using advantages of this
system, theoretical and experimental datas given then experimentally investigated
that FeNiCuMo-Al system as unprecedented material before. The materials i‟ve
studied can be used for ballistic or aviation purposes.
At the processing and completion stage of the thesis, i would like to appreciate to
Prof. Sakin Zeytin who never hesitated to help in anyway all the time,to technician
Mr. Ersan Demir and to my family whose provided that i survive all along the
undergraduation life.
iv
„Sen, suya kanamış susuz gibi, Allah için olsun, elde ettiğinle yetinme durma, bu
kapıda nihayetsiz makamlar var. Başköşeyi bırak , Senin başköşen yoldur!‟
(Mevlana)
v
ĠÇĠNDEKĠLER
ÖNSÖZ ........................................................................................................................ ii
İÇİNDEKİLER............................................................................................................iv
ÖZET...........................................................................................................................vi
BÖLÜM 1 BİYOMİMETİK ....................................................................................... 1
1.1. Biyomimetik Malzemeler .............................................................................. 2
1.2. Yumuşakça Kabukları ve Biyomimetik Uygulamaları ................................. 5
1.2.1. Yumuşakça Kabuklarında Laminat Tabaka Oluşumu ........................... 8
BÖLÜM 2 .................................................................................................................. 10
LAMİNAT KOMPOZİT MALZEMELER ............................................................... 10
2.1. Metal Matris Kompozit Malzemeler ........................................................... 10
2.1.1. Kompozit Malzemelerin Avantajları ve Dezavantajları [18] ............... 10
2.1.2. Tabakalı Kompozit Malzemeler ........................................................... 13
2.1.3. Doğadan Laminat Kompozit Örnekleri ................................................ 13
2.2. Metalik-İntermetalik Laminat Kompozitler [22] ........................................ 15
2.2.1 İntermetalik Malzemeler ...................................................................... 15
2.2.2. İntermetaliklerin Avantaj ve Dezavantajları ........................................ 15
2.2.3. İntermetalik Malzemelerde Anomali ................................................... 16
2.2.4. Titanyum Aluminitler........................................................................... 16
2.2.5. Alaşım İlavesi....................................................................................... 18
2.3. Laminat Kompozit Malzemelerin Mekaniği ............................................... 20
2.3.1. Tabakalı Kompozit Malzemelerin Darbe Davranışı [26] ..................... 21
2.3.1.1.Düşük Hızlı Darbenin Belirlenmesi [26] ............................................ 22
2.3.1.2.Enine Darbe ......................................................................................... 23
2.3.1.3.Tokluk Artış Mekanizmaları [27] ....................................................... 25
2.4. Ti-Al3Ti MİL İntermetalik Malzemeler .................................................... 28
2.4.1. Ti-Al3Ti İkili Denge Diyagramı ......................................................... 28
2.4.2. Mekanik Özellikler [22] ....................................................................... 29
2.4.2.1.Düşük Sıcaklık Sünekliği .................................................................... 29
vi
2.4.2.2.Kırılma Tokluğu .................................................................................. 29
2.4.2.4.Tane Boyutu-Çekme Mukavemeti İlişkisi .......................................... 30
2.4.3. Ti-Al İntermetaliklerin Üretim Yöntemleri ........................................ 31
2.4.4. Ti-Al İntermetalik Malzemelerin Uygulama Alanları ......................... 31
BÖLÜM 3 .................................................................................................................. 34
DENEYSEL ÇALIŞMALAR .................................................................................... 34
3.1.Gerekçe ve Amaç ............................................................................................. 34
3.2.Deney Malzemeleri .......................................................................................... 34
3.3.Deneylerin Yapılışı ........................................................................................... 34
3.4. Deney Sonuçları ve Tartışma ...................................................................... 37
3.4.1. SEM ve SEM-EDS İncelemeleri .......................................................... 37
3.4.1.1 Ti-Al Sistemi ....................................................................................... 37
3.4.1.2.NiFeCuMo-Al Sistemi ........................................................................ 40
3.4.2. Sertlik ve Tabaka Kalınlığı Ölçümleri ................................................. 47
BÖLÜM 4. ................................................................................................................. 49
GENEL SONUÇLAR ................................................................................................ 49
KAYNAKLAR .......................................................................................................... 51
vii
ÖZET
Bu çalışmaya konu olan intermetalik malzemelerin kullanım alanları sahip oldukları
sürünme mukavemetleri, yüksek tokluk ve spesifik mukavemet gibi özellikleri ile
gün geçtikçe artmaktadır.
Üretim yöntemlerinin basitliği, ucuzluğu ve pratikliği sayesinde MİL kompozitler
gelecekte birçok yapısal uygulama için ağırlıklı olarak tercih edilen malzemelerin
başında gelecektir. MİL kompozitlerin en büyük avantajı olarak uygun yük ve
sıcaklık koşulları sağlandığı takdirde açık atmosferde rahatlıkla üretilebilmeleri
gösterilebilir. Net olarak belirtilebilecek bir dezavantajı ise MİL kompoziti yapılacak
metalin yüksek saflıkta folyolarına ihtiyaç duyulmasıdır. Bu açıdan bakıldığında
şimdilik kullanımı özel amaçlı uygulamalar ile sınırlı kalmaktadır.
Havacılık ve uzay endüstrisinde ihtiyaç duyulan spesifik mukavemet ve sürünme
dayanımı gibi özelliklerinin gelişmiş olması nedeniyle ülkemizde yakın gelecekte
yapılması muhtemel milli kaynaklı havacılık çalışmalarında intermetaliklerin
çalışılması ve bunlara ait parametrelerin bilinmesi büyük bir önem arzetmektedir.
Bu çalışmada Ni ve Al folyolardan hareketle hazırlanan Ti-Al3Ti ve NiFeCuMo-Al
Metalik – İntermetalik Laminat (MİL) kompozitlerin üretimi incelenmiştir.
Çalışmada uygulanan sürelerde Ti-Aluminid oluşumu tamamlanırken, NiFeCuMo-
Aluminid yapısında tatmin edici sonuçlar için daha uzun sürelerde çalışılması
gerekmektedir.
1
BÖLÜM 1
BĠYOMĠMETĠK
“Gelişimin en kısa yolu taklittir.‟‟ Bu sözü lisans öğrenimimin ikinci senesinde
katıldığım bir toplantıda, bir halk ozanından duymuştum. Tarihi tecrübelere bize
yardımcı olma niteliğini katan en önemli özellik, yaşanan her bir olayın aslında „bir
deneyin tecrübe edilmiş, onaylanmış veya elenmiş bir seçeneği‟ olmasıdır. Bu
nedenle, her deneyim anlamlıdır.
İyi şeyler yapan insanları taklit etmemizde çok büyük faydalar var. Hayatın her
alanında bu ölümcül bir öneme sahip. Tabii ki bizim hayalgücümüz taklit
yeteneğimizle birleştiğinde bu işi sadece insanları temel alarak yapmıyor. Modern
bilimin zaten hızlı olan ilerleme şemasını, yakın gelecekte kat ve kat arttıracak bir
olgu varsa, o da bu taklit altyapısı üzerinde kurulu olacaktır.
Çok uzun zamanlardan beri varolan çalışmalar hakkında, en etkileyici çalışmalardan
birisi Benyus‟a ait. 1997 yılında Amerikalı doğa bilimci Janine Benyus,
“Biomimicry: Innovation Inspired by Nature” (Biyomimetik:Doğadan İlham Alan
Yenilik)[1] adlı kitabıyla konuyu dünya‟nın gündemine tekrar taşıdı. Benyus,
kitabının yayınlanmasının ardından 1998 yılında, mimarlık firmaları, tasarım
stüdyoları ve üreticilere danışmanlık hizmeti veren Biomimicry Institute‟u kurdu.
Dernek tarafından kurumlara verilen Biomimicry eğitimleri, onların doğadan
esinlenerek yeni tasarımlar, ürünler ve hizmetler yaratabilmelerini sağlıyor [2].
Biyomimetik birçok açıdan bilim insanlarının çalışmalarında önemli yer tutuyor.
Yenilikçiliğin en büyük gerekçesi eksikleri kapatma arayışı ve
mükemmeliyetçilikdir. Mükemmelin peşinde koşan insanoğlunun kendini buna en
yakın hissettiği yer, mükemmeliyete sahip gözüken „doğa‟ ya en yakın olduğu yerdir.
Kutsal kitapların hemen hemen hepsinde, doğadaki kusursuz tasarımdan
bahsedilmekte, yaratıcı insanlara „sanatkâr‟ın tanımını adeta yaratılmışlar ile
yapmaktadır. Bilindiği üzere Kutsal kitaplar ayetlerden oluşur. „Ayet‟ kelimesi
2
arapçada “İşaret” anlamına gelmekte, Yaratıcı insanlara yeryüzündeki işaretleri
aramayı kutsal kitaplarda çokca öğütlemiştir.
Janine Benyus, „Biomimicry: Inspired from the Nature‟ adlı kitabında doğanın bazı
özelliklerini şu şekilde tanımlıyor;
Güneş ışığında canlanır,
Enerjiyi yalnızca ihtiyacı kadar kullanır,
Doğanın her zerresinde fonksiyon-şekil uyumu vardır,
Herşeyin geri dönüşümünü yapar,
İşbirliğini ödüllendirir,
Çeşitliliğe imkan verir,
Noktasal uzmanlık gerektirir,
Kendi aşırılıklarını engeller,
Gücü maximum verimle kullanır,
ve belki de herşeyden önemlisi göze hitap eder [1] . Konuya ister bilimsel ister
içtimai perspektifden bakılsın, şurası muhakkak ki yaratılışdaki kusursuzluk
insanlığa ve bilimin gelişimine akıl almaz hızlı bir gelişim sağlamaktadır.
1.1. Biyomimetik Malzemeler
Biyomimicry, „Bio‟ ve „Mimic‟ köklerinin birleşiminden oluşmakta. Yani canlı ve
taklit. Canlı yapıların taklit edilmesi. Biomimicry, bu bilim dalının adıyken,
Biomimetik ise, genel olarak bilimsel literatürde bir canlının özelliğinin taklit edilme
sürecidir, yani malzemenin geliştirilme sürecindeki biyolojik tüm basamakları içinde
bulunduran sürece verilen literatür ismidir. Biyomekanik, biyomalzeme, biyolojik
sistemler kavramları hep biyomimetik‟in içindedir [3].
Son 30 yıllık zaman dilimi içerisinde, biyomimetik malzeme geliştirilmesi alanında
örneklemeler saymakla bitirilemez. Örümcek ağından, yumuşakçalara, köpek
balıklarından, yapraklara kadar her alanda çok çeşitli çalışmalar yapıldı.
3
Waterloo Uluslararası Terminali, Pangolinlerin hava basıncı karşısında verdikleri
tepkiden esinlenilerek, Mercedes‟in şuana kadar bir arabada Cd:0.19 ile en düşük
drag katsayısını yakalayarak rekor kırdığı Bionic Car konsepti Kutu Balığı(Yellow
Boxfish, Ostracion cubicus)‟ndan, endüstride hergeçen gün kullanımı artan ve
yanmazlık özelliği ile karbon elyaf‟ın yerine kullanılan Kevlar, örümcek ağından
esinlenilerek üretilmiştir. Benzeri şekilde yüzlerce örnek göstermek mümkün [4].
Şekil 1.1. „Ostracion cubicus‟ olarak da bilinen sarı kutu balığı[5].
Şekil 1.2. Mercedes-Benz‟in kutu balığını taklid ederek ürettiği Bionic Car konsepti.
Cd:0.19 değeriyle bir binek otomobilde bugüne dek ulaşılan en düşük drag
katsayısına sahiptir[6].
4
Bu gelişmelerle birlikte biyomimetik çalışmaların her zaman istenilen başarıya
ulaştığını söyleyemeyiz. Örneğin, Stanford üniversitesinde suda yürüyen canlı olarak
bilinen İsa Kertenkelesi üzerine (Jesus Lizard) bazı araştırma ve deneyler yapıldı[7].
İsa kertenkelesinin hareketi milisaniye hassasiyete sahip bir yüksek çözünürlüklü
kamera tarafından algılandı ve kertenkele‟nin su üzerinde yürürken yaptığı hareketin
matematiksel modellemesi yapıldı.
Şekil 1.3. Suda yürüyen canlı olarak da bilinen İsa Kertenkelesi [8].
Şekil 1.4. Hassas kamera ile isa kertenkelesinin suda attığı bir adımın milisaniye
ölçekli sahneleri[7].
5
Bu modelleme dikkate alınarak bir yapay isa kertenkelesi ayağı yapıldı ve bir servo
motorla ayağa su üzerinde çizdiği hareket çizdirildi. Ancak motorun verdiği dönüş
sayısı ne kadar fazla olursa olsun mekanik ayağın geometrisi bu hızı yakalamasına
izin vermeyecek kadar karmaşık. Kaldı ki kertenkelenin 20 metre‟ye kadar suda
yürüyebilmesinin gizeminde en önemli pay yürürken göğüs ve kuyruğunu tutuş
şeklinde. Ona kendini beğenmiş bir hava katıyor.
1.2. YumuĢakça Kabukları ve Biyomimetik Uygulamaları
Çalışmanın konusu laminat kompozit malzemelerin ilham kaynağını yumuşakçaların
„Abalone‟ olarak bilinen türü oluşturuyor. Yumuşakça kabukları, bugün
üretebildiğimiz ileri teknoloji seramikler ile kıyaslandığında çok daha dayanıklı ve
yük altında kararlı bir yapı sergilemektedirler. Bunda en büyük etken laminat
kompozit yapısına sahip olmaları.
Şekil 1.5.Solda çok eski zamanlardan kalmış bir gastropod (karından bacaklı)
kabuğu[9], sağda ise bir kara salyangozu görülüyor[10].
Örneğin, salyangoz ve midye gibi yumuşakça kabukları kalsiyum karbonat ve
polymorfu olan aragonite tabakalarından ve bunları besleyen ve çeşitli proteinleri
içeren canlı dokudan meydana gelmektedir. Burada, aragonit tabakası yük için
gereken mukavemeti sağlarken, canlı doku da amortisör gibi davranıyor ve yapıya
tokluk sağlıyor.
6
İlerleyen bölümlerde ayrıntılandıracağımız ve örneklendireceğimiz üzere, abalone
kabuklarının tabakalı yapısıyla birlikte mukavemet kazandırıcı en önemli
yanlarından birisi de „geometri etkisi‟dir.
Şekil 1.6. Bir yumuşakça kabuğunun tabakalı yapısı[11].
Doğada yaygın olarak rastlanan tabakalı yapının yumuşakçalardaki basit bir
gösterimi yandaki şekildedir. Şema, çoğunlukla karından bacaklılar olarak bilinen
gastropodlarda rastlanan kabuk yapısını göstermektedir. Bu tabakaların ayrıntıları
daha çok malakolojistlerin alanına girdiğinden burada sadece yüzeysel olarak yapıyı,
görevleriyle izah etmekle yetineceğiz.
7
Şekil 1.7. Ca+2 ve CO3-2 iyonlarının organik yapı iskeleti boyunca difüzyonunun
şematik gösterimi[12].
Periostracum, kara, deniz salyangozları, midye (snails, bivalves) gibi karından
bacaklılarda bulunmasının yanısıra, kafadan bacaklılar ve ahtapotlar (nautilus ve
cephalopod) gibi canlılarda da bulunur. Çeşitli renklerde ve saydamlıklarda olabilir.
Kabuğun kireç tabakasının etrafını sarmalayarak, koruyucu görev görmektedir. Bir
çeşit epitel tabakasıdır, conchiolin karmaşık proteininden oluşur [13] .
Conchiolin‟in kalsiyum karbonat tabakası için önemli bir özelliği vardır. Bulunduğu
makromoleküler organizmada mikro ölçekte kristallerin çekirdekleşip,
büyüyebilecekleri bir ortam oluştururlar. Kalsiyum karbonat tabakasında aragonit
oluşumu için gerekli iyonları bulunduran uygun ortam, periostracum içinde bulunan
organik matris tarafından oluşturulur. Bu durum, tıpkı kolajenlerin hidroksiapatit
oluşturması gibidir. Örtünün mekanik etkisi, çatlak oluşumuna karşı koruyuculuk ve
özellikle incilerde rastlanan ve mükemmel olarak nitelendiribilen tokluk katkısı [14].
Ostracum, prizma şeklindeki kalsiyum karbonat moleküllerini ve organik proteinleri
içeren ve Periostracum‟a enlemesine uzanan hücrelerden oluşmaktadır.(transversal
cells).
Plate layer: Kalsiyum karbonat tabakaları arasındaki canlı conchiolin tabakadır.
Prizmatik hücreler ile en alt tabaka olan hypostracum‟u birbirine bağlar. Bu tabaka
8
sayesinde yapı tuğla-harç yapısına bürünür.(brick-mortar) Yalnız yumuşakçalardaki
yapının tam tanıtımı bu değildir. Tuğla ve harç yapısında, tuğlaların büyüyebilmesi
için köprülere ihtiyaç duyarlar. Bu köprüler dikeylemesine tabakaları birbirine
bağlar.
Hypostracum: Bilinen bir diğer adı, „inci katmanı‟ (pearl layer) dır. Kabuğun
deriyle birleştiği tabakadır.
Kabukların kalınlıkları türe,yaşa ve canlının yaşadığı ortamdaki(deniz suyu,toprak)
kalsiyum oranına bağlıdır. Tuğla-köprü-harç yapısında, ortamdaki kalsiyum canlı
vücudu vasıtasıyla önce hypostracum‟a, oradan da mineral köprüleri ile üst
katmanlara taşınır.
1.2.1. YumuĢakça Kabuklarında Laminat Tabaka OluĢumu
Californiya Üniversitesi‟nde, Marc Andre Meyers önderliğinde bir grup bilim insanı
yukarıda bahsedilen tabakaların canlı organizmada oluşum mekanizmasını ve
reaksiyon kinetiğini incelemek için ciddi araştırmalar ve deneyler yaptı. Meyers,
2005 yılında yayınladığı “Growth and Structure in Abalone Shell‟‟ başlıklı
çalışmasında yumuşakçaların kabuğundaki aragonitik kalsiyum karbonatın çeşitli
eksenlerdeki (c ekseni ve yüzey ekseni) büyüme mekanizmasını araştırmıştır. Bu
çalışmasında c ekseni yönünde büyüyen tabakalarının büyümesinin 20-30 nm
kalınlıktaki bir protein birikintisiyle önlendiğini ve bunun tekrarlı bir şekilde
gerçekleştiğini gözlemlemiştir. Bulgulara göre, burada biriken aragonit kalınlığı ise
dikkate değer bir biçimde sürekli sabit kalmakta, 500 nm kalınlığa sahip olmaktadır.
9
Şekil 1.8. Sedef,Aragonitik kalsiyum karbonat ve organik yapıdan oluşan tabakalı
doğal kompozit[15].
Şekil 1.9. Bir yumuşakça kabuğunun temel katmanları
Meyers‟in çalışmalarının yanısıra Henan Universitesi‟nden bir grup bilim adamının
DTA ve TG analizleri ile yaptıkları çalışmalar sonucunda aragonitin 450-500 0C‟
lerde olan normal faz dönüşüm sıcaklığının organizmadaki organik matris etkisi
altında 360-380 derece aralığında olduğunu tesbit etmişlerdir [16].
10
BÖLÜM 2
LAMĠNAT KOMPOZĠT MALZEMELER
Birbirlerinin zayıf yönünü düzelterek üstün özellikler elde etmek amacıyla bir araya
getirilmiş değişik tür malzemelerden veya fazlardan oluşan malzeme sistemine
kompozit malzeme denir. En geniş anlamda, bir kompozit malzeme iki veya daha
fazla bileşenden meydana gelen malzemedir. Bu bileşenler makroskobik seviyede bir
araya getirilirler ve birbirleri içinde çözünmezler. Takviye elemanı olarak
adlandırılan bileşen; fiber, partikül veya ince levha şeklinde olabilir. Diğer bileşen
ise matris fazıdır. Bu malzemelerin bir araya getirilmesi, bir takım çalışma
karakteristiklerinin bu bileşenler tek olarak değerlendirildiği durumdakinden daha iyi
olmasına müsaade eder. Buna karşılık bu malzemelerin mekanik özelliklerini
belirlemede bazı güçlükler mevcuttur. Bu durum kompozit malzemelerin metalik
malzemelere nazaran daha kompleks bir yapıya sahip olmasından
kaynaklanmaktadır. Cam elyaflı poliyester levhalar, çelik donatılı beton elemanlar,
otomobil lastikleri ve seramik metal karışımı olan sermentler bunlara örnektir [17].
2.1. Metal Matris Kompozit Malzemeler
Bir metalik fazın bazı takviye malzemeleri ile eritme vakum emdirme, sıcak
presleme ve difizyon kaynağı gibi ileri teknikler uygulanarak MMC‟ ler elde
edilirler. MMC ler daha çok uzay ve havacılık alanlarında, mesela uzay teleskobu,
platform taşıyıcı parçalar, uzay haberleşme cihazlarının reflektör ve destek parçaları
vs. yerlerde kullanılır [17].
2.1.1. Kompozit Malzemelerin Avantajları ve Dezavantajları [18]
Kompozit malzemelerin birçok özelliklerinin metallerinkine göre çok farklılıklar
göstermesinden dolayı, metal malzemelere göre önem kazanmışlardır. Kompozitlerin
özgül ağırlıklarının düşük oluşu hafif konstrüksiyonlarda kullanımda büyük bir
11
avantaj sağlamaktadır. Bunun yanında, fiber takviyeli kompozit malzemelerin
korozyona dayanımları, ısı, ses ve elektrik izolasyonu sağlamaları da ilgili kullanım
alanları için bir üstünlük sağlamaktadır.
Kompozit malzemelerin dezavantajlı yanlarını ortadan kaldırmaya yönelik teorik
çalışmalar
yapılmakta olup, bu çalışmaların olumlu sonuçlanması halinde kompozit malzemeler
metalik
malzemelerin yarini alabilecektir.
1.Yüksek Mukavemet :Kompozitlerin çekme ve eğilme mukavemeti birçok metalik
malzemeye göre çok daha yüksektir. Ayrıca kalıplama özelliklerinden dolayı
kompozitlere istenen yönde ve bölgede gerekli mukavemet verilebilir. Böylece
malzemeden tasarruf yapılarak, daha hafif ve ucuz ürünler elde edilir.
2.Kolay Şekillendirebilme : Büyük ve kompleks parçalar tek işlemle bir parça
halinde kalıplanabilir.Bu da malzeme ve işçilikten kazanç sağlar.
3.Elektriksel Özellikler : Uygun malzemelerin seçilmesiyle çok üstün elektriksel
özelliklere sahip kompozit ürünler elde edilebilir. Bugün büyük enerji nakil
hatlarında kompozitler iyi bir iletken ve gerektiğinde de başka bir yapıda, iyi bir
yalıtkan malzemesi olarak kullanılabilirler.
4.Korozyona ve Kimyasal Etkilere Karşı Mukavemet : Kompozitler, hava
etkilerinden, korozyondan ve çoğu kimyasal etkilerden zarar görmezler. Bu
özellikleri nedeniyle kompozit malzemeler kimyevi madde tankları, boru ve
aspiratörler, tekne ve diğer deniz araçları yapımında güvenle kullanılmaktadır.
Özellikle korozyona karşı mukavemetli olması, endüstride birçok alanda avantaj
sağlamaktadır.
5.Isıya ve Ateşe Dayanıklılığı : Isı iletim katsayısı düşük malzemelerden oluşabilen
kompozitlerin ısıya dayanıklılık özelliği, yüksek ısı altında kullanılabilmesine olanak
12
sağlamaktadır. Bazı özel katkı maddeleri ile kompozitlerin ısıya dayanımı
arttırılabilir.
6.Kalıcı Renklendirme : Kompozit malzemeye, kalıplama esnasında reçineye ilave
edilen pigmentler sayesinde istenen renk verilebilir.Bu işlem ek bir masraf ve işçilik
gerektirmez.
7.Titreşim Sönümlendirme : Kompozit malzemelerde süneklik nedeniyle doğal bir
titreşim sönümleme ve şok yutabilme özelliği vardır. Çatlak yürümesi olayı da
böylece minimize edilmiş olmaktadır.
Bütün bu olumlu yanların dışında kompozit malzemelerin uygun olmayan yanları da
şu şekilde sıralanabilir:
• Kompozit malzemelerdeki hava zerrecikleri malzemenin yorulma özelliklerini
olumsuz etkilemektedir.
• Kompozit malzemeler değişik doğrultularda değişik mekanik özellikler gösterirler.
• Aynı kompozit malzeme için çekme, basma, kesme ve eğilme mukavemet değerleri
farklılıklar gösterir.
• Kompozit malzemelerin delik delme, kesme türü operasyonları liflerde açılmaya
neden
olduğundan, bu tür malzemelerde hassas imalattan söz edilemez.
Görüldüğü gibi kompozit malzemeler, bazı dezavantajlarına rağmen çelik ve
alüminyuma göre birçok avantaja sahiptir. Bu özellikleri ile kompozitler otomobil
gövde ve Tamponlarından deniz teknelerine, bina cephe ve panolarından komple
banyo ünitelerine, ev eşyalarından tarım araçlarına kadar bir çok sanayi kolunda
problemleri çözümleyecek bir malzemedir.
13
2.1.2. Tabakalı Kompozit Malzemeler
Tabakalı kompozit yapı, en eski ve en yaygın kullanım alanına sahip olan tiptir.
Farklı elyaf yönlenmelerine sahip tabakaların bileşimi ile çok yüksek mukaveket
değerleri elde edilir. Isıya ve neme dayanıklı yapılardır. Metallere göre hafif ve aynı
zamanda mukavemetli olmaları nedeniyle tercih edilen malzemelerdir. Sürekli elyaf
takviyeli tabakalı kompozitler uçak yapılarında, kanat ve kuyruk grubunda yüzey
kaplama malzemesi olarak çok yaygın bir kullanıma sahiptirler. Ayrıca, uçak
yapılarında yaygın bir kullanım alanı olan sandviç yapılar da tabakalı kompozit
malzeme örneğidirler. Sandviç yapılar, yük taşımayarak sadece izolasyon özelliğine
sahip olan düşük yoğunluklu bir çekirdek malzemenin alt ve üst yüzeylerine
mukavemetli levhaların yapıştırılması ile elde edilirler [17].
2.1.3. Doğadan Laminat Kompozit Örnekleri
Aşağıdaki resimler Andre Meyers tarafından yapılmış çalışmalara ait olup, inci ve
yumuşakça kabuklarına ait mikroyapıları ve inorganik matris içerisindeki organik
madde geçişini sağlayan köprüleri göstermektedir.
Şekil 2.1. Bir inci kabuğuna ait SEM görüntüsü [19]
14
Şekil 2.2. Soldaki şekil bir inci kabuğundaki tabakalı yapıyı göstermekte, sağdaki
şekilde ise daha yüksek büyütmede aynı resim gösterilmektedir. Oklar, İnci
kabuğunda 9 saatlik hydrazine deproteinizasyonu sonrasında aragonite tabakalar
arasında oluşan mineral köprülerini göstermektedir[20].
Şekil 2.3. 20 μmlik protein tabakalar ile birbirinden ayrılan 0.3 mm kalınlığındaki
ara tabaka [20].
15
Şekil 2.4. Tabakaların mikroyapısının TEM gösterimi [21]
2.2. Metalik-Ġntermetalik Laminat Kompozitler [22]
2.2.1 Ġntermetalik Malzemeler
İntermetalik malzemeler iki veya daha fazla metalin bir araya gelerek farklı bir
kristal yapı oluşturmasıyla oluşan kimyasal bileşiklerdir. Genel olarak
değerlendirildiğinde, aralarında oluşan güçlü metalik bağlar nedeniyle yüksek
sıcaklık mekanik özellikleri diğer malzemelere nazaran çok daha güçlüdür. Burada
intermetalikler bazı mekanik özellikler açısından kısaca özetlenmiştir.
2.2.2. Ġntermetaliklerin Avantaj ve Dezavantajları
İntermetalik malzemeler özellikle yüksek sıcaklık uygulamaları ve spesifik
mukavemet gerektiren uygulamalarda ilerleyen yıllarda tercihde öncelik sahibi
olacaktır. Gerek üretim tekniğinin kolaylığı, gerekse stratejik metallere ihtiyaç
duyulmamasından dolayı yarı mamül dışında bir maliyet kısıtlaması yoktur.
Özellikle son zamanlarda açık havada üretimin gerçekleştirilmesine yönelik yapılan
16
umut verici çalışmalardan sonra, sahip olunan avantajlara bir yenisi eklenmiştir.
Vakum ortamında yapılan çalışmalar teçhizat kısıtlamasından dolayı sadece belli
boyutlarda üretilebiliyorken, bu çalışmaların atmosfer basıncında yapılabilirliğinin
gösterilmesi üretimde büyük bir kolaylık sağlamaktadır.
2.2.3. Ġntermetalik Malzemelerde Anomali
İntermetaliklerde Tc/Tm oranının 0.8 gibi yüksek değerlere çıkabilmesinin bir
sonucu olarak sürünme mukavemeti ve yüksek sıcaklık oksidasyon dirençleri
yüksektir. İntermetalik malzemelerde ‘dislokasyonların anomali etkisi’ adı verilen
bir durum da gözlenmiştir. Buradaki mekanizma kısaca şöyle açıklanabilir; yük
etkisiyle artan dislokasyonlar kafes yapısında küçük antifaz alanları oluştururlar. Bu
antifaz alanları, birbirine hatalı bağlanmış atomların oluşturdukları bir basit tabaka
olarak düşünülebilir [23]. Sıcaklığın artışıyla dislokasyonların oluşturduğu bu hatalı
bağlanmış atomlar, çözülerek düzenli yapıya kavuşurlar. Yüksek sıcaklıklarda
süperlatis dislokasyonlarının düşük hareketliliği yapıya anormal bir akma
mukavemeti kazandırır. Buna örnek olarak demir aluminitlerde sıcaklığın artışıyla
mukavemette 700‟dereceye kadar bir değişme olmaması ve hatta bir miktar artış
görülmesi gösterilebilir. Fe-Aluminitlerin dışında, Nikel ve Bakır Aluminitlerde de
aynı etkiye rastlanmıştır.
2.2.4. Titanyum Aluminitler
Titanyum aluminit intermetalikleri özellikle yüksek mukavemet-ağırlık oranı ve
yüksek sıcaklık özellikleri ile dikkat çekmektedir. Bununla birlikte zayıf kırılma
tokluğu,düşük süneklik ve gevreklik gibi özelliklere sahiptir. Alaşım elementi
ilavesiyle (örneğin; B,Mn,Cr,V,Nb.. v.b) bileşiklerin süneklik değerleri
iyileştirilmiştir. Titanyum alüminitler yüksek sıcaklıklarda koruyucu Al2O3‟den
ziyade, TiO2 oluşum eğilimi ile karakterize edilirler. Bu eğilim, aluminitlerin
maximum kullanım sıcaklıklarında oksidasyon direncini arttırır ve yüksek
17
sıcaklıklarda yeterli seviyede sürtünme mukavemeti sağlar. Bu aluminitlerin
özellikleri ve süperalaşımlarla mukayesesi tabloda gösterilmiştir.
Tablo 2.1. Ti-Aluminit alaşımları ve süperalaşımların özellikleri [22]
Ti-Al alaşımı uçak endüstrisinde geniş uygulama alanı bulmaktadır. Bu alaşımın
diğer alaşımlara göre avantajı gerekli süneklik ve sürünme mukavemeti yanında
sahip olduğu yüksek ergime sıcaklığıdır.
Yanda verilen Ti-Al ikili denge diyagramı üzerinde de görüldüğü üzere Ti ve Al
birbiri içerisind yüksek çözünürlük oranına sahiptir. Katı formda titanyum alaşımları
hexagonal sıkı paket (HCP) veya Hacim merkezli kübik (BCC) kristal yapıya
sahiptirler. Sıcaklık 882 0C „ye arttırıldığında α fazından β fazına geçiş görülür. Saf
titanyumun ergime noktası 1668 0C „dir.
18
Şekil 2.5. Al-Ti ikili denge diyagramı[24]
Alüminyum , titanyum matrisli alaşımlarda en çok kullanılan alaşım elementidir.
Çünkü hem α ve hem de β fazında yüksek çözünebilirlik gösteren ve dönüşüm
sıcaklığını yükselten etkiye sahip tek metaldir.
Denge diyagramında, α ve β fazlarından başka γ (TiAl) ve α 2 (Ti3Al) fazlarının
varlığı da anılmaya değerdir. Her iki fazda özellikle yüksek sıcaklık
uygulamalarında ciddi önem arzeden büyük teknik öneme sahip fazlardır.
2.2.5. AlaĢım Ġlavesi
Al, O, N, C,Ga,Ge,La,Se gibi elementler α fazının yüksek sıcaklıklarda kararlılığını
arttır ve bu nedenle α yapıcılar (alpha stabilizers) olarak adlandırılırlar. Genellikle
geçiş metalleri ve soy metaller (doldurulmamış d elektron yörüngesine sahiptirler) ve
19
daha düşük sıcaklıklarda β fazını oluştururlar bu nedenle β yapıcılar (β stabilizers)
olarak adlandırılırlar. β yapıcılarda kendi aralarında β -İzomorf ve β -ötektoid olmak
üzere iki gruba ayrılırlar. β izomorflar; V,Ta,Nb,Mo,Re β ötektoidler ise;
Cr,Ag,Au,Pd,In,Pb,Bi,Fe,Mn,Co,Ni, U, H ve Si „dur.
Vanadyum, Molibden ve Niobyum en sık kullanılan β-izomorflardır. Bu malzemeler,
yeterli miktarda katıldıklarında β yapısını oda sıcaklığına kadar düşürebilirler.
Tantalyum ve Rhenium ise yüksek yoğunluklarından dolayı nadiren kullanılırlar[25].
Gama (γ) olarak bilinen TiAl‟a Nb katkısı sayesinde, γ‟nın refrakterimsi yapısıyla
oksidasyon direncini yükseltir ve 800 0C‟de dahi kaplama yapmaya gerek kalmadan
çalışılabilir.
Yine α (Ti3Al)‟ya Mn katkısı tane sınırlarını modifiye ederek sünekliği
arttırır.Titanyum Aluminitlere yapılan katkılar ve bunların mekanik özelliklerdeki
etkisi tabii olarak her mikroyapıda farklılık göstermektedir. Sünekliği ve kırılma
tokluğunu arttırdığı bilinen Cr, Mn ve V‟un tek fazlı γ (TiAl) yapısında veya
tamamen lamelar yapıda sünekleşmeyi sağlayıcı bir etkisi tespit edilememiştir.
İntermetalik malzemelerde alaşım ilavesinin performansı dördüncül element
ilavesine de bağlı olabilir. Örneğin, %2 Cr ve % 2 V içeren TiAl alaşımlarından her
ikisine de % 2 oranında Nb ilave edilmiş ancak Nb‟un oksidasyon direncine pozitif
etkisi ancak Cr alaşımında gözlemlenebilmiştir. Refrakter elementlerin dışında % 0.1
oranında bile P‟un , oksidasyon hızını önemli oranda düşürdüğü bildirilmiş ve P‟un
etkisinin oksijen boşluk konsantrasyonunu azaltması ve bunun dış Ti02 tabakasına
difüzyonunu sağlaması olduğu ifade edilmiştir.
Cr katkısı % 4‟ün altında oldukça düşük bir yüzdeye sahipken, yüzde 8 ve üzerindeki
oranlarda oldukça yüksek oksidasyon direnci sağlamaktadır. Ta katkısı oksidasyon
hızını azaltmakla birlikte oksit tabakası hızlı ısıl çevrim koşullarında dökülme
eğilimindedir. Bu elementler Ti-Aluminit yüzeyinde sürekli bir Al2O3 tabakası
oluştururlar. Sürekli Al2O3 tabakası oksijen akısını ve dolayısıyla dahili oksidasyon
hızını yavaşlatır.
20
Şekil 2.6. γ alaşımlarında oksidasyon direncine üçüncül element katkılarının
etkisi[22].
2.3. Laminat Kompozit Malzemelerin Mekaniği
Tabakalı kompozit yapı, en eski ve en yaygın kullanım alanına sahip olan tiptir.
Farklı elyaf yönlenmelerine sahip tabakaların bileşimi ile çok yüksek mukaveket
değerleri elde edilir. Isıya ve neme dayanıklı yapılardır. Metallere göre hafif veaynı
zamanda mukavemetli olmaları nedeniyle tercih edilen malzemelerdir. Sürekli elyaf
takviyeli tabakalı kompozitler uçak yapılarında, kanat ve kuyruk grubunda yüzey
kaplama malzemesi olarak çok yaygın bir kullanıma sahiptirler. Ayrıca, uçak
yapılarında yaygın bir kullanım alanı olan sandviç yapılar da tabakalı kompozit
malzeme örneğidirler. Sandviç yapılar, yük taşımayarak sadece izolasyon özelliğine
sahip olan düşük yoğunluklu bir çekirdek malzemenin alt ve üst yüzeylerine
mukavemetli levhaların yapıştırılması ile elde edilirler.
21
2.3.1. Tabakalı Kompozit Malzemelerin Darbe DavranıĢı [26]
Mühendislik uygulamalarında, özellikle de mekanik uygulamalarda, dışarıdan
gelecek herhangi bir darbeye karşı beklenmedik sonuçların ortaya çıkmaması için,
malzemenin gerekli en uygun cevabı veya davranışı verebilmesi istenir. Uygulama
yerine ve kullanım amacına göre malzemenin maruz kalabileceği darbeler çok farklı
şekillerde olabilir. Buna karşın darbeye karşı olan cevap da malzemenin kendisi
tarafından belirlenir. Şöyle ki, metal ve metal alaşımları durumunda darbeye karşı
malzemenin cevabı; elastik uzama ve plastik şekil değiştirme şeklinde meydana gelir
ve darbe hasarı, çoğunlukla , çarpma yüzeyinde başladığı anda kolay bir şekilde
tespit edilebilir. Darbe hasarı, metal malzemelerde genellikle bir tehlike işareti olarak
kabul edilmez, çünkü; metaller plastik şekil değiştirebilme kabiliyetlerinden dolayı,
büyük miktarda enerjiyi absorbe edebilirler. Metaller sabit bir gerilme durumunda
yapı sertleşmeden önce çok büyük uzamalarda akabilirler, bu nedenle oluşacak
kopmalar ani ve beklenmedik olmaz. Kompozit malzemelerde bir darbe sonucunda
oluşan hasar, çarpmanın türüne göre darbeye maruz kalmayan yüzeyde meydana
gelebilir, iç yapıda oluşan delaminasyonlar (tabakalar arasında ayrılma) şeklinde
başlayabilir. Yukarıda da bahsedildiği gibi metallerde darbe cevabı, plastik şekil
değiştirme sonucunda bir kopma şeklinde olmasına rağmen, kompozitler çok değişik
modlarda hasara uğrayabilirler ve bu hasar modlarında parçanın yapısal
bütünlüğünde ciddi bir değişiklik meydana gelmez. Genellikle gözle görülmeyen
veya çok zayıf bir şekilde görülebilen hasarlar meydana gelir. Tabakalı kompozit
malzemede, eğer kalınlık boyunca bir takviye söz konusu değil ise, en büyük darbe
hasarı enine doğrultuda oluşacaktır. Bunun en önemli nedenlerinden birisi, enine
doğrultudaki malzeme elastik özelliğinin düşük olmasıdır. Bu nedenle bir kompozit
malzemenin enine hasar direnci nispeten zayıftır. Tabakalar arası gerilmeler (kesme
ve normal) tabakalar arası mukavemetin düşük olmasından dolayı ilk kopmalara
sebep olan gerilmelerdir. Darbe esnasında kompozit malzemeye aktarılacak enerjinin
miktarı, malzemenin bu enerjiyi sönümleyebilmesi için oluşacak hasar modlarını
belirleyecektir. Bu nedenle tabakalı bir kompozit malzemede darbenin oluşturacağı
hasarı tahmin etmek için darbe hızının belirlenmesi çok büyük bir öneme sahiptir.
22
2.3.1.1.DüĢük Hızlı Darbenin Belirlenmesi [26]
Genel olarak, darbeler düşük hızlı veya yüksek hızlı olarak sınıflandırılırlar, fakat bu
kategoriler arasında açık bir geçiş yoktur. Yapılan araştırmalar bu geçişin
belirlenmesinde henüz net bir sonucun elde edilemediğini göstermektedir. Bu konuda
yapılmış çalışmalardan bir kısmı düşük hızlı darbeyi, ki bunlar statikmiş gibi
düşünülebilir, hedefin rijitliğine, malzeme özelliklerine ve çarpan cismin kütle ve
rijitliğine bağlı olarak 1 ile 10 m/s arasında değişen hızlar olarak değerlendirilmesi
gerektiğini savunmaktadır. Düşük hızlı darbeye en basit örnek olarak kompozit
malzeme üzerine imalat veya bakım esnasında kaza sonucu bir parçanın düşmesi
verilebilir. Düşük hızlı darbeler normal olarak çarpışma temas anında malzeme iç
yapısında deformasyon oluşturan darbelerdir. Bazen düşük hızlı darbe, düşük enerjili
darbe olarak da kullanılır. Düşük hızlı darbede, malzemenin iç yapısında darbeye
karşı cevap verebilmek için gerekli olan temas süresi yeterlidir ve sonuç olarak daha
fazla enerji elastik olarak absorbe edilir. Bu nedenle hedefin dinamik yapısal cevabı
çok büyük bir öneme sahiptir. Yüksek hızlı darbe cevabı malzeme boyunca yayılan
gerilme dalgası tarafından hakim olunur ki bu durumda malzeme darbeye karşı cevap
verebilme zamanına sahip olamaz ve çok küçük bir bölgede hasar oluşur. Cantwell
ve Morton, kompozit malzemenin darbe davranışını belirlemek için Charpy ve Izod
gibi bilinen darbe deneylerini kullanmışlar ve düşük hızı 10 m/s‚e kadar olan hızlar
olarak sınıflandırmışlardır. Bununla birlikte Abrate, tabakalı kompozit malzemelerde
darbe ile ilgili yapmış olduğu çalışmalarda düşük hızlı darbeleri 100 m/s den düşük
hızlarda oluşan darbeler olarak belirlemiştir . Darbe türünün, darbe hız sınırını
belirleyerek tespit edilmeye çaba gösterildiği bu çalışmaların yanı sıra
sınıflandırmanın darbe sonucunda meydana gelen hasara göre yapılması gerektiği
görüşü de savunulmaktadır. Bu nedenle yüksek hız, delinme şeklinde meydana
gelmiş fiber kopması, düşük hız ise tabakalar arası ayrılma (delaminasyon) ve matris
kırılması ile belirlenir. Davies ve Robinson düşük hızlı darbeyi kalınlık boyunca
gerilme dalgasının gerilme dağılımında önemli bir rolü olmadığı bir darbe türü
olduğunu belirtmekte ve yüksek hıza geçişi veren bir model önermektedir. Çarpan
cismin altında dairesel bir bölge, gerilme dalgası tabaka boyunca yayılırken üniform
bir şekil değişikliğine uğrar. Bu değer %0.5 ila 1 arasındaki kopma uzamaları için,
23
epoksi kompozitler durumunda 10-20 m/s hızda gerilme dalgasının baskın olduğu
duruma geçişi verir.
Delaminasyonu engellemek açısından tabakalar arasındaki bağ mukavemetini yeterli
ölçüde güçlü sağlamak çok önemlidir. Bu anlamda MMK‟lerde güçlü bir arayüzey
bağı sağlamak için ;
- Islatılabilirliği arttırmak,
- Kimyasal etkileşimleri kontrol etmek,
- Oksit oluşumunu minimuma indirmek büyük önem arzetmektedir.
2.3.1.2.Enine Darbe
Kompozit malzemelerin en hassas oldukları yükleme durumu düzlem dışına doğru
(tabaka veya fibere dik yükleme) olandır çünkü; kalınlık doğrultusunda tabaka
düzleminde olduğundan daha zayıftırlar. Sonuç olarak, enine darbeye maruz kalan
kompozit malzemeler, toplam yük taşıma kapasitelerinde önemli düşüşlere sebep
olan hasarlara uğrarlar. Kompozit malzemelerin bu darbe yüklerine karşı göstermiş
oldukları cevap çok komplekstir. Bu, kompozit malzemeyi meydana getiren her bir
bileşenin kendi özellikleri kadar yapısal konfigürasyona da bağlıdır. Ayrıca, darbeye
verilen cevap çarpan cismin geometrisine, hızına ve kütlesine de bağlıdır. Her biri
enine darbenin toplam etkisini karakterize etmede önemli bir rol oynar. Darbe
yüklemesi altında çarpan cismin gözle görülemeyen veya zayıf şekilde seçilebilen
nüfuziyetine kadar değişebilen farklı şekillerde hasar modları mevcuttur. Düşük hızlı
darbeler tabakalar üzerinde gözle görülen hasarlar oluşturmayabilirler. Fakat tabaka
içerisinde, matris kırılması, delaminasyon ve/veya fiber kırılması şeklinde hasarlara
sebep olabilirler. Bu, mukavemette önemli derecede bir düşüşe sebep olur. Rijitlikte
azalma da mümkündür fakat genellikle dramatik değildir. Yüksek hızlı çarpmada
malzeme üzerinde oluşan hasar, çarpışma temas bölgesindeki küçük bir bölgede
yoğunlaşır.
24
Metal-İntermetalik tabakalı kompozit malzemede darbe sonucu oluşan hasar modu
Delaminasyon modu olarak adlandırılır ve nedeni de yüke bağlı tabakalar arası
eğilim uyumsuzluğudur.
Delaminasyon hasarının olduğu noktada absorbe edilen elastik şekil değiştirme
enerjisi, Ek, için basit bir ifade aşağıdaki gibidir;
Burada;
τ:kalınlık
t: tabakalar arası kesme mukavemeti,
w :genişlik,
L :desteklenmemiş uzunluk,
Ef : eğilme modülüdür.
Enine darbeden dolayı oluşan delaminasyon, bir eşik enerjisine ulaşıldıktan sonra ve
sadece matris kırılması mevcut ise meydana gelir. Matris kırılması delaminasyonun
başlaması açısından gerekli bir faktördür. Matris kırılması ve delaminasyon arasında
sıkı sıkıya bir ilişki mevcuttur. Delaminasyonlar, tabakalar arası ara yüzey
bölgesinde meydana gelirler. Fakat bu bölge her zaman tam olarak arayüzey bölgesi
olmamakla beraber ayrıca her iki tarafta da bir miktar olabilir. Enine darbeye maruz
0/90/0 tabakaları için delaminasyon ve matris kırılması etkileşmesi göz önüne
alındığında; üst katmanlardaki eğimlenmiş kırıklar ara yüzeye ulaştığı zaman
durdurulur ve katmanlar arasında delaminasyon olarak ilerler. Delaminasyona
önderlik eden matris kırılmaları, kritik matris kırılmalarıdır. Hem eğilme kırılmaları
hem de kesme kırılmaları delaminasyonu başlatabilir. Fakat kesme gerilmeleri
nedeniyle oluşan delaminasyon, kararsız ve eğilme kırılması tarafından oluşan
delaminasyon ise, kararlıdır ve uygulanan yük ile orantılıdır.
25
Kırılma mekaniği analizlerinde bir başlangıç çatlak ve kırılma boyutu tahmin etmek
gerektiğinden, delaminasyonun başlaması ve büyümesine ilişkin bu analizleri
uygulamak zordur. Bu amaçla, izotropik olarak kabul edilebilecek tabakalar için bir
başlangıç çatlak boyutu tahmin etmeye gerek kalmadan eşik kuvvetinin
bulunabileceği basit bir eşitlik aşağıdaki gibidir;
Burada Pc :eşik (geçiş) yükü,
GIıc :kritik şekil değiştirme enerjisi azalma hızı,
n : Poisson oranı,
h : tabaka kalınlığı ve
E : elastisite modülü.
2.3.1.3.Tokluk ArtıĢ Mekanizmaları [27]
Laminat kompozitler elektronik cihazlar, yapısal parçalar, zırh gibi bazı potansiyel
alanlar için yoğun olarak araştırılmaktadır. Seramik-seramik, metal-seramik, metal-
metal, metal-seramik-intermetalik ve metal-intermetalik sistemler arzu edilen
özeliklere sahiptirler (Li, 2004).
Alternatif metal ve intermetalik veya seramik tabakalardan yapılan laminat yapılar
yapı elemanlarının özelliklerinde önemli iyileşmeler sağlamaktadır. Bunun sonucu
olarak, yakın zamanlarda, metal-intermetalik laminat kompozitler üzerinde yoğun bir
ilgi oluşmuştur. Malzemelerin tokluğunu artırmak için laminat kompozit tasarlama
fikri yeni değildir. 1966‟larda Ti-5Al-2,5 Sn alaşım laminatları aynı kalınlıklı
kitlesel numuneden 6-7 kat daha yüksek tokluk göstermişlerdir. Laminatların yüksek
26
tokluğu çeşitli toklaştırma mekanizmalarından ileri gelmektedir (Rohatgi, 2005).
Yapısal malzemeler açısından önemli bir özellik statik ve çevrimli yüklemeler
altında çatlak ilerlemesine dirençtir. Malzemelerde tokluk mekanizmaları kabaca iki
kategoriye ayrılabilir: Dahili ve harici.
Dahili toklaĢtırma, mikroyapının çatlak ilerlemesine gösterdiği doğal direncin bir sonucu
olarak ortaya çıkar. Bu mekanizma tane şeklini, tane boyut etkilerini, çökeltileri, partiküller
arası mesafeleri, alaşım elementlerini, bağ mukavemeti, sünekliği vb içerir ve bunlar
dislokasyon hareketliliği veya plastik zon boyutlarını değiştirmeye meylederler. Metallerde,
dahili toklaştırma plastik deformasyonla ilgilidir (Adharapurapu-2005, Rohatgi, 2005).
Harici toklaĢtırma çatlak ucunda lokal gerilme şiddetini ve bu şekilde çatlak
ilerlemesi için “itici güç”ü azaltan mekanizmalara dayanır (Rohatgi, 2005).
İntermetalik ve seramikler genelde çok az dislokasyon hareketi gösterirler veya hiç
göstermezler, bu nedenle doğal veya dahili çatlak ilerleme dirençleri çok küçüktür.
Bu tür yüksek derecede gevrek malzemelerde, kararsız kırılma ve ardından hasar,
uygulanan gerilme şiddet faktörü malzemenin kırılma direncine (Kıc) ulaşınca
meydana gelir ve çatlak ilerlemesi sırasında hemen hemen sabit kalır. Gevrek
malzemelerde, harici bir toklaştırma çatlak zonunun arkasında bir proses zonu
meydana getirmek suretiyle tokluk artışı için etkili bir şekilde kullanılabilir. Tokluk
artışı sağlayan bu tür davranış R-eğrisi davranışı olarak bilinir ve çatlak ilerlemesine
direnci artırır. Bazı tür seramiklerde, dönüşüm toklaşması gibi başka türlü harici
toklaştırma mekanizmaları da vardır.
İyi bilinmektedir ki, seramik ve intermetalikler gibi gevrek malzemelerin
mühendislikte geniş çaplı kullanımını onların düşük toklukları sınırlamaktadır.
Çatlak yayılması için gerekli kritik gerilme şiddetini artırmak için çeşitli toklaştırma
stratejileri önerilmiştir. Gevrek seramik-intermetalik sistemlerde toklaştırma en etkili
bir şekilde tipik olarak sünek faz takviyesi ile yapılır, burada deforme olan sünek
fazın plastik işi enerji tüketimini artırmak için kullanıl-maktadır. Sünek faz proses
sırasında değişmeden kalır ve ilerleyen çatlağın yüzeyleri arasında bir köprü
kurmaya çalışır (Peng, 2005-1, Peng, 2005-2). Bu köprü çatlak ilerlemesine kapalı
alanlar meydana getirmek suretiyle bağ bölgesinde çatlak açılımını ve çatlak
27
büyümesini sınırlar; kompozitin kırılma direncini artırmak için sünek metal fazındaki
plastik deformasyon enerjisinden faydalanır (Harach, 2001). Takviyeden sonra
gevrek seramik sistemlerde, daha önce söylendiği gibi, ana özellik onların R-eğrisi
davranışı göstermeleridir.
Ti-Al3Ti laminat kompozitlerindeki toklaştırma harici türdür. Laminat
kompozitlerde etkili olan çeşitli harici toklaştırma mekanizmaları aşağıda kısaca
anlatılmaktadır (Rohatgi, 2005):
1) Çatlak saptırma: Bu mekanizma ilerleyen bir çatlağın önünde tabaka
delaminasyonu oluştuğu zaman veya bir çatlak bir ara yüzeyle karşılaştığı zaman
meydana gelir. Bu mekanizma metalik fazın miktarından bağımsızdır.
2) Çatlak körelmesi: Bu mekanizma bir çatlak kopmuş bir bölge ile karşılaştığı
zaman meydana gelir ve sonuç olarak, sapar ve körelir. Bu mekanizma metal faz
miktarından bağımsızdır.
3) Çatlak köprüleşmesi. Bu mekanizmada, kırılmamış sünek tabaka çatlağın
hareketini önler ve çatlak ilerlemesi köprü oluşturan unsurların (ligament)
gerilmesini gerektirir. Bu mekanizma tipik R-eğrisi davranışı verir ve sünek faz
miktarına bağlıdır.
4) Gerilme dağılımının değişmesi: Çatlak ucu önündeki tabakalardaki
delaminasyonlar bir lokal gerilme azalması veya yeniden dağılımına sebep olur. Bu
mekanizma R-eğrisi davranışına sonuç verebilir.
5) Çatlak alnının kıvrılması (convolution): Birbirine benzemeyen sünek tabakalardan
ibaret bir kompozit çatlak test edildiğinde, daha az sünek bileşendeki çatlak alnı daha
sünek bileşendeki çatlağa gider (yönelir). Sonuç çatlak alnı önemli ölçüde kıvrılmış
olur ve ara yüzeyde delaminasyona yol açabilir. Bu şekilde çatlak yavaşlar ve daha
sünek tabakada çatlak ilerlemesi için gerekli plastik yırtılma ile hızı azaltılır. Bu
mekanizma metalik fazın hacim fraksiyonuna bağlıdır ve R-eğrisi davranışı ile
sonuçlanabilir.
28
6) Lokal deformasyon modunda değişme: Bölücü yönde test edilen bir laminata,
çatlak ucunda önemli deformasyon her bir tabakanın deformasyon modunu düzlem
şekil değişiminden düzlem gerilmeye değiştirebilir. Deformasyon modundaki bu
değişim tabakaların düz kırılmadan ziyade kayma ile kırılmasına neden olabilir ve
bunun sonucunda çatlak büyümesi için gerekli gerilme artar. Bu toklaştırma
mekanizması R-eğrisi davranışı ile sonuçlanabilir.
2.4. Ti-Al3Ti MĠL Ġntermetalik Malzemeler
2.4.1. Ti-Al3Ti Ġkili Denge Diyagramı
γ-TiAl alaşımları düşük süneklik özellikleriyle bilinirler; düşük sıcaklıklardaki
gevreklik problemi nedeniyle başlangıçtaki çalışmalar tek fazlı γ alaşımının
deformasyon davranışlarının belirlenmesine çalışılmıştır. Günümüzde ise düşük
oranlarda Ti3Al α2 içeren Titanyum aluminit alaşımlarının tek fazlı alaşımlarından
çok daha sünek olduğu bilinmektedir. Ve bu nedenle mevcut γ alaşımlarının
geliştirilmesinin temelinde iki fazlı alaşım konsepti oluşturmaktadır [22].
Yapıda ikincil faz olarak yer alan α2 mikroyapının kontrolü açısından büyük bir
kolaylık sağlamaktadır. Mikroyapı γ alaşımlarının mekanik özelliklerini önemli
derecede etkilemektedir. Belirli özelliklerin sağlanması açısından herbir mikroyapı
farklı öneme sahiptir. Genellikle dublex yapı süneklik açısından tercih edilir. Fakat,
tokluk ve sürünme özellikleri zayıftır. Bu nedenle mikroyapı tercihi uygulamanın
gerektirdiği özelliklere göre yapılmalıdır[22].
29
2.4.2. Mekanik Özellikler [22]
2.4.2.1.DüĢük Sıcaklık Sünekliği
Gevrekliğin bu alaşımlarda sınırlı dislokasyon mobilitesinden kaynaklandığı ifade
edilmiştir. İkili alaşımların Al konsantrasyonuna bağlı olarak sistematik bir şekilde
araştırılana değin gevrek yapı alaşımlandırma modifikasyonu ile geliştirilmekteydi.
Bu sistematik çalışmadan iki önemli sonuçtan ilki, sünekliğin mikroyapıya
bağımlılığıdır. Ve dublex yapı, oda sıcaklığında diğer mikroyapılardan çok daha
sünektir.
İkincisi dublex yapı oldukça sınırlı bir Al konsantrasyonu aralığında oluşmaktadır.
Yalnızca % 40-50 at. Al içeren dublex yapı kaydadeğer bir plastisite göstermektedir.
En yüksek süneklik %48 at. Al‟de ve özellikle de her iki fazın hacim oranının eşit
olduğu α + γ faz alanında ısıl işleme tabi tutulduğunda göze çarpmaktadır. Bu
kompozisyon aralığının dışındaki alaşımlar, tek fazlı γ veya lamelar mikroyapı
verirler ki, hangisi meydana gelirse gelsin bu mikroyapılar nispeten daha gevrektir.
Yapısal uygulamalar açısından düşük sıcaklık sünekliğinin en önemli unsur olması
nedeniyle %45-50 at. Al aralığı daha kapsamlı alaşımlama açısından temel faz
alanını oluşturmuştur. Dublex yapının α + γ faz alanından tavlamasıyla elde edilmesi
diğer mikroyapılara göre en küçük tane boyutuna sahip yapı olmasını sağlamaktadır.
2.4.2.2.Kırılma Tokluğu
γ alaşımlarının kırılma tokluğu değerleri de doğrudan mikroyapı ile ilintilidir. Ti-
%48.at Al kompozisyonuna sahip alaşım dövülür ve dublex mikroyapı oluşturmak
amacıyla ısıl işleme tabi tutulursa tek fazlı γ mikroyapıya benzeş tokluk(12
Mpa.m1/2
) özellikleri sergileyecektir. Tamamıyla lamelar yapı oluşturmak amacıyla
ısıl işleme tabi tutulduğunda ise tokluk artacaktır(22 Mpa. m1/2
). Düşük sünekliğe
sahip lamelar yapı, bu nedenle γ ve dublex mikroyapıya oranla yüksek tokluğa
sahiptir.
30
2.4.2.3. Sürünme Özellikleri
Lamelar yapı sadece daha tok değil, aynı zamanda γ ve dublex mikroyapıya oranla
yüksek sürünme direncine de sahiptir. Lamelar mikroyapı, sürünme hızını önemli
ölçüde düşürerek, dubleks mikroyapıya nispetle %0.2 genleme gösterene kadarki
sürünme süresini hemen hemen iki kat arttırmaktadır. Lamelar yapıyı oluşturan
unsurlardan α2 tabakalarının düşük sıcaklıklarda deformasyona ve kırılmaya karşı
mukavemetli olduğu belirlenmiştir. Buunla birlikte sürünme sıcaklıklarında, γ
mikroyapıdan daha zayıf hale gelmekte ve mukavemet sağlayamamaktadır. Düzensiz
lamelar arayüzey mukavemet arttırma mekanizmasıın dışında, lamelar yapının
sürünme direncinin ağırlıklı olarak, tane boyutunun büyük olmasından
kaynaklandığına inanılmaktadır. Herhangi bir mikroyapı kontrol işlemi
uygulanmamış lamelar yapının tane boyutu, diğer iki mikroyapının tane boyutundan
en az 10 kat büyüktür.
2.4.2.4.Tane Boyutu-Çekme Mukavemeti ĠliĢkisi
Tek fazlı γ alaşımlarının çekme davranışı, çeşitli ısıl işlemlerle kontrol altına alınmış
tane boyutunun bir fonksiyonu olarak ele alınmıştır. Tane boyutu (d) azaldıkça Hall-
Petch eşitliği gereği akma dayanımı artmaktadır. Kısa bir özet yapmak gerekirse,
mikroyapı dublex,lamelar yahut tekfaz olmak üzere üç çeşittir ve bunların mekanik
özellikleri birçok parametrenin etkisi altında değişkendir. Lamelar yapı tane boyutu
en büyük olan yapıdır, ~1000 μm tane boyutuna sahiptir. Sürünme mukavemeti ve
tokluk değerlerinin en yüksek olduğu mikroyapıdır. Akma mukavemeti bakımından
da en zayıf yapıdır.
Dublex yapı bunlar arasında en sünek, yani şekil verilebilirliği en yüksek olan
mikroyapıdır. Tane boyutu lameların sahip olduğu 1000 μm ile kıyaslandığında, ~ 25
μm civarındadır.
31
2.4.3. Ti-Al Ġntermetaliklerin Üretim Yöntemleri
Dökümde α, kolonsal tane oluşturur. β eş eksenli tane oluşturma eğilimindedir.
Rekristalizasyon meydana gelmediği için yapı kaba tanelidir ve Ta,W tane inceltici
olarak katkılandırılırlar. Normalin aksine, Döküm γ alaşımları, dövme
malzemelerden daha az zayıf,daha az sünektir. Dökümde Lamelar yapı her ne kadar
tok olsa da kırılgandır. Tamamen lamelar yapı, düşük %at. Al‟da meydana
gelir(yaklaşık yüzde 24-20 altında). Dövmede, α2 ve γ intermetaliklerinde
TiB2,Cr,V,Al yüzdesi dövülgenliği arttırır. Dövme ile üretilen yapılarda bantlaşma
riski yüksektir. Bantlaşma ; yeniden kristalleşmeyen kolonsal taneler deformasyona
bağlı olarak farklı yönlerde yönlenirler ve bir doğrultuda belirginleşerek kompakt
yapıda anizotropi meydana getirirler. Bu anizotropi, dövme sonrası ısıl işlem ile
giderilebilir. Toz Metalurjisi, ince taneli katılaşma mikroyapısının ve homojen
konsolidasyonunun sağlanmasında etkilidir. Döner plazma elektrodu yöntemiyle elde
edilen toz genellikle, gaz-atomize tozlardan daha temizdir ve hatta döküm
malzemelerdekine benzer şekilde oksijen içeriği, 1000 ppm seviyesinin altındadır.
2.4.4. Ti-Al Ġntermetalik Malzemelerin Uygulama Alanları
Ti-Al esaslı alaşımların en önemli uygulama alanlarının direngenliğe(stiffness)
çalışacak parçaların üretiminde olduğu bildirilmiştir. γ-TiAl‟in spesifik
direngenliği,yaygın kullanıma sahip alaşımlardan % 50 daha yüksektir. Hava
araçlarının iskeleti, çeşitli destek elemanları ve kovanlar içn direngenlik büyük bir
önem arz eder. Yüksek spesifik direngenlik değerleri aynı zamanda yapısal bileşenler
için faydalı olacak şekilde titreşim frekanslarını da yüksek değerlere kaydırır. Hali
hazırda bu intermetalik malzemeden titreşim, aerodinamik, ateşleme direnci gibi
özellikler göz önünde bulundurularak üretilmiş komponentler mevcutsa da yüksek
sıcaklık dayanım özelliklerinden tümüyle istifade edilen özgün bir uygulama henüz
gerçekleştirilememiştir.
32
Şekil 2.7. GE90 modeli bir turbofan [28].
Tüm büyük uçak jet motoru üreticileri γ esaslı alaşımlardan üretilecek parçalarla
ilgilenmektedirler. Rolls Royce‟un önemli uygulama alanları itibarıyle, yüksek
basınç kompresör statorları ve düşük basınç türbin bıçaklarının γ-Titanyum
aluminit‟lerden retimini öngördüğü bildirilmiştir. CF6-80C2 jet motorunda düşük
basınç türbin bıçakları şeklinde ve GE90 jet motorunda tranzisyon tüp desteklerinde
test edilmişlerdir.Otomobil üreticileri, γ esaslı alaşımlardan üretilecek turboşarj
tamburu ve valf parçaları üzerinde çalışmaktadırlar. Düşük ağırlıkları nedeniyle γ
esaslı parçalar, motorun çalışma başlangıcında en kısa sürede hareketliliğini
sağlamaktadırlar.
33
Şekil 2.8. CF6-802C Jet Motorunda Ti-Al Uygulamaları[29].
Şekil 2.9. Havacılıkta kullanılan çeşitli malzemelerin spesifik
mukavemet/sıcaklık diyagramları
34
BÖLÜM 3
DENEYSEL ÇALIġMALAR
3.1.Gerekçe ve Amaç
Spesifik mukavemet ve sürünme dayanımı özelliklerinin mükemmel bir aradalığını
gösteren malzemelerin başında Ti-Al3Ti intermetalik malzemeler gelmektedir. Her
geçen gün, gelişen milli imkanlar ve yerli teknolojiye paralel olarak, yakın gelecekte
üretimi muhtemel tamamen yerli teknolojiye sahip bir Türk Hava Aracı ve bu aracın
turbofan sisteminde kullanılabilecek malzemelere olan ihtiyacımız gündeme
gelmektedir. Bu çalışmanın gerekçesi, işte bu ihtiyaç doğrultusunda gelecekte
turbofanların düşük basınç türbinleri, yüksek basınç kompresör statorları gibi ana
elemanlarında kullanılması amacıyla bir deneyim kazanmak ve burada edinilen
tecrübelerin takip eden çalışmalara yardımcı olmasını sağlamaktır.
3.2.Deney Malzemeleri
Deneysel çalışmalarda Alfa Aesar firmasından temin edilen (www.alfa-
chemcat.com) ticari saflıktaki 0,250 mm başlangıç kalınlığına sahip Ti, Al ve 0,125
mm kalınlıklı NiFeCuMo metalik folyoları kullanılmıştır.(Alaşımın bileşim oranı;
Ni:Fe:Cu:Mo= 77:14:5:4 % ağırlık.)
3.3.Deneylerin YapılıĢı
Başlangıç kalınlığı 250 μm olan Ti ve Al folyolar ve 125 μm olan NiFeCuMo
folyolar 8 mm x 15 mm en ve boy uzunluklarında kesilerek metaller arası difüzyonu
ve ara yüzey bağlanmasını kolaylaştırmak amacıyla hidrolik pres ile düzeltilmiştir.
Ardında etilnalkol kullanılarak folyolar temizlenmiş ve kurutulmuştur. 3 Ti ve 2 Al
folyo, 3 FeNiCuMo ve 2 Al folyo aşağıda gösterildiği şekilde istiflenerek,
mengeneye bağlanmıştır. Bu şekilde Ti-Al sistemi 700 0C, NiFeCuMo-Al sistemi de
6700C sıcaklıkta 5 ve 10 saat sinterlenmiştir. Ardından elde edilen numuneler,
35
bakalite alınarak klasik metalografik yöntemler doğrultusunda optik mikroskop ve
taramalı elektron mikroskobu ile gözlemlenmiştir. Sertlik ve tabaka kalınlığı
ölçümleri mikrosertlik cihazı ile yapılmıştır.
Aşağıdaki şekil‟de Ti ve Al folyoların başlangıç istif şekli, Şekil ...‟de sinterleme
öncesi numunelerin sıkıştırıldığı kalıp ve şekil ...‟de numunenin kalıp içerisindeki
konumunu gösterilmektedir.
Şekil 3.1. Folyoların Başlangıç İstif Şekli
Şekil 3.2. MİL Kompozit Üretimi için deney düzeneği
NiFeCuMo veya Titanyum
Aluminyum
NiFeCuMo veya Titanyum
Aluminyum
NiFeCuMo veya Titanyum
36
Şekil 3.3. Numunelerin kalıptaki duruş biçimi.
37
3.4. Deney Sonuçları ve TartıĢma
Fırından çıkan numuneler dik kesitlerini gösterecek şekilde kalıplanmış, metalografik
numune hazırlama teknikleri kullanılarak yüzeyleri zımparalanmış ve 0.5 μ alumina
kullanılarak parlatılmıştır. Hem Ti-Al hem de NiFeCuMo-Al sisteminde aynı yol
izlenmiş olup, aşağıdaki incelemeler yapılmıştır:
-SEM ve SEM-EDS incelemeleri
-Sertlik Ölçümleri
3.4.1. SEM ve SEM-EDS Ġncelemeleri
SEM İncelemeleri 5 ve 10 saat süreyle 7000C Ti-Al ve 5 ve 10 saat süreyle 6700C
NiFeCuMo-Al numunelerinde yapılmıştır. JEOL 6060 LV taramalı elektron
mikroskobu kullanılanarak numunelerin mikroyapıları sekonder ve gerisaçılan
elektron modlarıyla incelenmiş ve EDS yardımıyla fazların kimyasal yapıları
belirlenmiştir. SEM Mikroyapı incelemelerinde intermetalik faza dönüşen ve
dönüşmeyen kısımlar incelenmiştir. SEM-EDS analizlerinde ise noktasal olarak
alınan kimyasal analizlerle istenen fazların elde edilip edilemediği araştırılmıştır.
3.4.1.1 Ti-Al Sistemi
Ti-Al sisteminde 10 saat süreyle yapılan deneylere ait EDS ve SEM dataları aşağıda
verilmiştir. Aşağıda SEM fotoğrafında açık renk olan renkler metalik fazı, koyu renk
olarak gözüken faz ise oluşan intermetalik fazı göstermektedir.
38
Şekil 3.4. 700 0C de 10 saat sinterlenmiş Ti-Al istifinden hazırlanan MİL
kompozitin SEM görüntüsü
39
EDS Analiz Noktası Ti (%wt) Al (%wt) Toplam
1 100.00 - 100.00
2 33.023 66.977 100.00
3 32.842 67.158 100.00
4 33.168 66.832 100.00
Şekil 3.5. 7000C‟de 10 saat sinterlenmiş Ti-Al MİL kompozitin EDS noktaları ve
analiz sonuçları
EDS analizi sonuçlarına bakarak Ti-Al sisteminde oluşumu beklenen intermetalik
fazın Al3Ti olarak oluştuğunu söyleyebiliriz. SEM fotoğrafında, intermetalik
bölgesindeki koyuluğun neredeyse homojene yakın olması, reaksiyonun genel
itibariyle tamamlanmaya çok yakın olduğunu göstermektedir.
40
3.4.1.2. NiFeCuMo-Al Sistemi
NiFeCuMo-Al sistemi Ti-Al‟e nazaran çok daha komplex ve bilinmeyenlerle
doludur. 3 NiFeCuMo 2 Al istifinin bir araya gelmesiyle oluşan malzemede çok
zengin bir faz oluşumu gözlenmiştir. Şekil „deki SEM resmi 670 0C‟de 5 saat süre ile
sinterlenmiş bir numuneye aittir. Açık renk ile gözüken en üst kısım NiFeCuMo
metaline aittir. İçeriye doğru gittikçe koyulaşan tabaka intermetalik oluşumunu ve
farklı fazları göstermektedir.
Şekil 3.6. 6700C „de 5 saat sinterlenmiş NiFeCuMo-Al intermetalik
kompozitinin geri saçılan elektronlar yardımıyla elde edilen SEM görüntüsü.
41
Şekil 3.7. 6700C‟de 5 saat sinterlenmiş NiFeCuMo-Al intermetaliğinin daha
yüksek büyütmelerdeki SEM görüntüleri.
42
Şekil 3.8. 670 0C‟de 5 saat sinterlenmiş NiFeCuMo-Al intermetaliğine ait SEM
fotoğrafında analiz noktaları ve EDS sonuçları.
670 0C‟de 5 saat sinterlenmiş NiFeCuMo-Al intermetaliğine ait SEM resimleri ve
EDS analizleri yardımıyla reaksiyonun henüz tamamlanma eğiliminde olmadığı
anlaşılmaktadır. 6 numaralı analiz noktasında olduğu gibi, yüksek aluminyum
oranları reaksiyonun tamamlanması için daha fazla zamanın veya yüksek sıcaklığın
Analiz Noktası Ni Fe Cu Mo Al Birim
1 36.360 6.001 2.273 2.290 53.076 %ağ.
2 35.531 6.441 2.526 1.805 53.697 %ağ.
3 35.012 5.346 3.432 2.095 54.115 %ağ.
4 26.123 9.038 0.000 0.661 64.178 %ağ.
5 33.256 0.000 0.352 1.139 65.252 %ağ.
6 20.367 6.277 0.385 0.441 72.529 %ağ.
43
gerekli olduğuna işaret etmektedir. 6700C‟de 10 saat süreyle sinterlenmiş numunelere
ait SEM fotoğrafları ve EDS analizi sonuçları Şekil „de verilmiştir.
Şekil 3.9. 670 0C‟de 10 saat süreyle sinterlenmiş NiFeCuMo-Al MİL
kompozite ait SEM sekonder elektron görüntüsü.
Şekil 3.9‟da tüm yabancı maddelerin ve oksitlerin biriktiği merkez hattı bir çatlak
olarak gözükmektedir.
44
Şekil 3.10. 6700C‟de 10 saat süreyle sinterlenmiş NiFeCuMo-Al MİL
kompozite ait SEM (BSE) görüntüsü
Şekil 3.11. 670 0C‟de 10 saat süreyle sinterlenmiş NiFeCuMo-Al MİL
kompozite ait geri saçılan elektronlardan elde edilen SEM görüntüsü.
45
Nokta Ni Fe Cu Mo Al O Mg Birim
1 79.526 13.136 3.023 4.314 - - - %ağ
2 40.689 4.975 1.239 2.385 50.711 - - %ağ
3 34.002 7.071 3.601 2.042 53.285 - - %ağ
4 36.809 5.449 3.129 2.692 51.921 - - %ağ
5 30.897 3.618 0.216 1.942 63.327 - - %ağ
6 25.841 4.495 1.074 7.075 61.516 - - %ağ
7 26.214 3.584 - 1.597 68.605 - - %ağ
8 21.632 5.519 - 0.741 72.108 - - %ağ
9 12.228 3.272 - 2.968 54.006 26.35 1.16 %ağ
Şekil 3.12. 670 0C‟de 10 saat süreyle sinterlenmiş NiFeCuMo-Al sistemine ait SEM
görüntüsü ve EDS analizi sonuçları
46
Şekil 3.12‟de gösterilen EDS analizi sonuçlarına bakarak şu çıkarımlar yapılabilir:
En dış tabakadan içe doğru gidildikçe Aluminyum içeriği artmakta, çatlağın oluştuğu
en orta tabakanın hemen yanında en yüksek değerini almaktadır. Bu bölgenin
başlangıç Al içeriği % 100 idi. 10 saatlik reaksiyon sonucu çatlağın hemen yanındaki
8 numaralı noktada Al bileşimi % 72.108 olarak tespit edilmiştir.
2,3 ve 4 numaralı noktalarda ölçülen Al miktarları benzerlik gösterirken, Ni oranı
2‟de 3 ve 4‟e göre daha yüksek miktarlarda tespit edilmiş, içerilere gittikçe de
giderek azalmıştır.
İntermetalik oluşumlar arasında Fe‟in en yüksek olduğu bölge, EDS analizinde 3
numaralı nokta olarak görülmektedir. Bu bölge, Fe ve Al denge diyagramına göre
oluşması muhtemel FeAl3 intermetaliğinin en yüksek miktarda bulunduğu bölge
olabilir. 3 numaralı bölgeye dikkatle bakıldığında 2 ve 4 no‟lu bölgelere nazaran
daha homojen bir koyuluğa sahiptir. Bunun nedeni Nikel‟e oranla az miktarda da
olsa, Fe‟in bu çizgi üzerinde homojen bir Aluminid oluşturması olabilir.
Hemen hemen aynı şey, Mo için de 6 numaralı noktadan hareketle söylenebilir. Mo
ve Al arasında oluşan intermetaliğin oluşum serbest enerjisinin, Fe, Ni ve Cu‟ın Al
ile oluşturabileceği aluminidlere göre daha düşük olmasının bir sonucu olarak Mo‟in
büyük bir kısmı 6 numaralı bölgede toplanmıştır. Bu bölgedeki Mo‟in tamamının Al
tarafından harcanmasından sonra Ni Al ve Fe Al benzeri intermetalikler oluşmuş
olabilir.
Genel olarak bakıldığında Ni ve Al‟un noktalara göre gösterdiği kuvvetli değişim ve
çeşitlilik, Al‟un metalik NiFeCuMo fazına difüzyonu için 10 saatlik sinterlemenin
yetersiz geldiği, aynı işlemin daha uzun sürelerde yapıldığı takdirde çok daha tatmin
edici sonuçlar verebileceği görülmektedir.
47
3.4.2. Sertlik ve Tabaka Kalınlığı Ölçümleri
Şekil 3.13‟de NiFeCuMo – Al MİL kompozitinde oluşan fazlarda ölçülen ortalama
sertlik ve tabaka kalınlıkları verilmiştir. En dışarıda bulunan NiFeCuMo metalik
tabakasından içeriye doğru gidildikçe sertlik ve tabaka kalınlıkları ciddi farklılıklar
göstermiştir.
Şekil 3.13. 700 0C‟de 10 saat sinterlenmiş NiFeCuMo-Al intermetaliğine ait
ortalama sertlik ve kalınlık değerleri.
Şekil..de belirtilen en alt tabaka numunenin orta tabakasıdır.O nedenledir ki kalınlığı
1.tabakaya nazaran daha fazla azalmıştır. Toplamda 5 tabaka olarak yapılan
NiFeCuMo-Al kompozitinin 1,3 ve 5. tabakaları NiFeCuMo alaşımıdır. Bu nedenle
3. tabakadan sonra aynı yapı tekrarlamaktadır.
Şekil... deki sertlik ve tabaka kalınlığı ölçümleri, optik mikroskop yardımıyla
yapıldığından, oluşan farklı aluminid sayısı 3 olarak gösterilebilmiştir. Oysa SEM -
BSE yardımıyla yapılan incelemeler oluşan faz sayısının ve bileşim çeşitliliğinin
daha fazla olduğunu göstermiştir.
Şekil 3.13. ve ve Şekil 3.12. bir arada yorumlandığında şunları söyleyebiliriz:
48
Şekil (sertlikte) Aluminid 1 olarak ifade edilen bölge, EDS analizinde 2 numaralı
bölgeye denk gelmektedir. Bütün bünyede elde edilen en sert faz 800-1000 HV
sertlikle burada meydana gelmiştir. EDS sonucuna göre, %40 oranında Nikel, % 50
oranında da Al içeren bu bölgede, sertliği oldukça yüksek Ni2Al3 fazının bulunması
muhtemeldir.
Tabaka kalınlığı Aluminid 1‟in neredeyse yarısı olan ve sertliğinde bir miktar azalma
gözlenen Aluminid 2 bölgesi, EDS analizinde 5 ve 6 numaralı noktaların bulunduğu
bölgeyi göstermektedir. Artan Al oranı ve azalan Ni oranına bağlı olarak, Aluminid
1‟de oluşan Ni2Al3‟ün burada yerini NiAl3‟e bırakmış olabileceğini söyleyebiliriz.
Merkez hattına doğru gidildikçe azalan sertliğin temel nedeni bu olarak gösterilebilir.
Sertliği 550-600 HV olarak ölçülen merkez hattına, EDS analizinde 8 numara örnek
olarak verilebilir. Merkez hattında koyu renk Aluminyum‟u göstermektedir. Atom
numarası büyük olan bölgeler daha koyu renk ile gösterildiğinden merkeze gidildikçe
koyu bölgeler, artan Al oranına bağlı olarak artmaktadır.
49
BÖLÜM 4.
GENEL SONUÇLAR
NiFeCuMo ve Al‟un ticari saflıktaki metalik folyolarından hareketle NiFeCuMo-Al
MİL kompozit oluşumunun incelendiği bu çalışmada elde edilen sonuçlar şunlardır.
a) Ti, NiFeCuMo ve Al folyolarından hareketle açık atmosferde MİL
kompozit üretimi başarıyla gerçekleştirilmiştir. Ti-Al sisteminde
reaksiyonun tamamlanması için 10 saat yeterli iken NiFeCuMo –Al
sisteminde çok daha uzun sürelerin gerektiği anlaşılmıştır.
b) NiFeCuMo-Al arasında oluşan intermetalik malzemede taramalı elektron
mikroskobu yardımıyla elde edilen görüntülerde birbirinden farklı 4
Aluminid fazı tespit edilmiştir. Ti-Al sisteminde ise MİL kompozitte ikili
Ti-TiAl3 laminat yapısı hakimdir.
c) Çalışma kapsamında XRD çalışmaları yapılamamış, ancak SEM-EDS
analizi yardımıyla elde edilen bileşimler, mikrosertlik cihazı yardımıyla
yapılan sertlik ölçümlerinden gelen datalarla birlikte değerlendirilerek
oluşumu muhtemel fazlar belirlenmeye çalışılmıştır. XRD çalışması
yapılması doğru faz analizi için şarttır.
d) Termodinamik, kinetik ve faz diyagramlarını içeren bir çalışmanın
yapılması kesinlikle gereklidir.
e) Kompozit yapının gösterdiği bileşim çeşitliliği ve mikroyapı, intermetalik
oluşum reaksiyonunun tam anlamıyla tamamlanması için daha uzun
sürelere ihtiyaç duyulduğunu göstermektedir.
f) NiFeCuMo tabakanın sertliği 180-190 HV iken, yapıda elde edilen sert
faz olarak tahmin edilen Ni2Al3‟un sertliği 800-1000 HV olarak tespit
edilmiştir. Ti-Al sisteminde ise elde edilen aluminid sertliği en fazla 600
50
HV kadar olmuştur. Literatürden, Ni-Al sisteminde oluşan
intermetaliklerin de 800HV‟yi aşan sertliklere sahip olduğu anlaşılmıştır.
Bu çalışmada, esasen planlanmış olmakla beraber yapılamayan XRD ile faz analizi
ve oluşan kompozitin balistik incelemesi çalışmalarının yapılması ve son olarak,
aluminid oluşumunun tamamlanabilmesi için daha uzun işlem sürelerinin (veya daha
yüksek işlem sıcaklıklarının) denenmesi bundan sonraki çalışmalar açısından
önerilmektedir.
51
KAYNAKLAR
[1] Benyus JM (2002), “Biomimicry: Innovation Inspired by Nature”
Perennial,NY
[2] http://www.arkitera.com/g146-biomimicry.html?year=&aID=2652
[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Biomimicry
[4] http://www.arkitera.com/g146-biomimicry.html?year=&aID=2660&o=2653
[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Yellow_boxfish
[6] http://www.greencar.com/articles/mercedes-bionic-car-concept.php
[7] HSİEH S.T., “Three-dimensional hindlimb kinematics of water running in the
plumed basilisk lizard Basiliscus plumifrons”, sayfa:4.
[8] http://animals.nationalgeographic.com/staticfiles/NGS/Shared/StaticFiles
/animals/images
[9] http://www.dmap.co.uk/fossils/bracklesham/gast/brackgast.htm
[10] http://en.wikipedia.org/wiki/Snail
[11] http://www.weichtiere.at/Mollusks/Schnecken/morphologie/shell.html
[12] http://www.applesnail.net/content/anatomy/shell.php
[13] http://en.wikipedia.org/wiki/Conchiolin
[14] Brusca, R.C. & G.J. Brusca 1990. Invertebrates. Sinauer Assoc., Inc,
Sunderland, Massachusetts. sayfa. 716.
[15] LİN A., MEYERS M.A. “ Growth and Structure in Abalone Shell”.sayfa:30
[16] FENGZHANG R., XİNDİ W.,. Zhanhong M, Juanhua S. , “Study on
Microstructure and Thermodynamics of Nacre in Mussel Shell.” .
[17] KİNET A. “Tabakalı Kompozit Malzemelerin Serbest Titreşim Analizi”,
DEÜ Makine Mühendisliği Bölümü.
[18] http://web.deu.edu.tr/ansys/ornek/titresim-kompozit.pdf.
52
[19] CHEN P.Y., MEYERS M.A., “The Growth of Nacre in the Abalone Shell”
sayfa:3. Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Materials
Science and Engineering Program, University of California, SanDiego,
LaJolla, CA92093-0411.
[20] MEYERS M.A., “Mechanical strength of abalone nacre: Role of the Soft
Organic Layer”, Sayfa:3. Department of Mechanical and Aerospace
Engineering, Materials Science and Engineering Programme, University of
California, San Diego, La Jolla, CA 92093-0411
[21] R. MENIG, M. H. MEYERS, M. H. MEYERS, K. S. VECCHIO
“Quası-Statıc And Dynamıc Mechanical Response Of Haliotis Rufescens
(Abalone) Shells” sayfa:2
[22] Doç. Dr. Sefer Cem OKUMUŞ, „İntermetalik Malzemeler Ders Notları.‟
Sakarya,2009.
[23] C.T. LİU and J.O. STİEGLER, Ordered İntermetallics,Metals and Ceramic
Division, Oak Ridge National Laboratory.
[24] http://www.crct.polymtl.ca/fact/Documentation/BINARY/Al-Ti.jpg
[25] http://www.calphad.com/titanium-aluminum.html
[26] www.mmo.org.tr/resimler/ekler/e65972dce68dad4_ek.pdf?dergi=46
[27] ZEYTİN, S., ÜSTEL, F., İPEK, M., ZEYTİN, H.K, „Ti-Al3Ti Metalik
İntermetalik Laminat (MİL) Kompozitlerin Üretimi‟, TÜBİTAK Proje Sonuç
Raporu, Proje No: 104M184, Nisan ‟08.
[28] http://www.geae.com/engines/commercial/images/engines_cf6_80e1.jpg
[29] www.stanford.edu/~cantwell/AA283_Course_Material/Jet_engine_images/
GE90.jpg
Top Related