KENDİ İLERYEN YÜKSEK SICAKLIK SENTEZLEMESİ İLE FERRİTİK ... · erime noktası, basit...

7
International Conference on Material Science and Technology in Cappadocia (IMSTEC’16), April 6-8, 2016, Nevsehir, Turkey 66 COATING OF FERRITIC STAINLESS STEEL WITH Ni3Al INTERMETALLIC BY SELF PROPAGATING HIGH TEMPERATURE SYNTHESIS (SHS) AND THE INVESTIGATION OF MİCROSTRUCTURE KENDİ İLERYEN YÜKSEK SICAKLIK SENTEZLEMESİ İLE FERRİTİK PASLANMAZ ÇELİK ÜZERİNE Ni3Al’NİN KAPLANMASI VE MİKROYAPI İNCELEMESİ Musa KILIÇ a Mustafa BEKEN b , İhsan KIRIK c , Niyazi ÖZDEMİR d a Batman Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, İmalat Mühendisliği bölümü, 23119, Batman b Fırat Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Metalurji Eğitimi bölümü, 23119, Elazığ c Batman Üniversitesi, Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi, Met. ve Mal. Mühendisliği bölümü, 23119, Batman d Fırat Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, 23119, Elazığ [email protected] a ;[email protected] b ;[email protected] c ; [email protected] d Özet Bu çalışmada, AISI 430 ferritik paslanmaz çelik üzerine (SHS: Self Propagating High Temperature Synthesis) Kendi Kendine İlerleyen Yüksek Sıcaklık Sentezlemesi (KİYSS) yöntemiyle Ni3Al metallerarası bileşiği ile kaplanarak işlem parametrelerinin mikroyapı üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Kompaktlanan numuneler, ön tavlama yapılmaksızın argon atmosferli bir odacıkta, üzerlerinde 40 N’luk bir kuvvet uygulanarak ısıtılmış ve ateşlenmişlerdir. Daha önce yapılan çalışmalarda, ateşleme ve yanma ile eş zamanlı olarak oluşan Ni 3Al tabakasının paslanmaz çelik yüzeyine tutunamadığı görüldüğünden, ateşlenen numuneler, pozisyonları değiştirilmeksizin 1000 ve 1100 o C sıcaklıklarda 45 dakika süreyle difüzyon işlemine tabi tutulmuşlardır. Ni3Al ile kaplanan numuneler mikrosertlik, optik mikroskop, Scanning Electron Microscopy (SEM) ve Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) incelemelerine tabi tutuldu. Çalışma sonucunda ferritik bir paslanmaz çelik, SHS ve bunu izleyen sinterleme yöntemi ile N3Al metallerarası bileşiği ile kaplanabilineceği görülmüştür. Mikroyapı incelemelerinde, ana fazlarla birlikte ara fazların oluştuğu görüldü. Anahtar kelimeler: SHS, Ni3Al, kaplama, intermetalik. Abstract In this study, specimens from AISI 430 ferritic stainless steel were coated with Ni3Al intermetallic by SHS method and the effects of process parameters on the microstructures of the coated layer and interface were investigated. The compacted specimens were ignited in a chamber under argon atmosphere by applying a force of 40 kN. Since it was seen that in situ coating was not possible, the specimens were annealed at 1000 and 1100 0 C for 45 minutes immediately after ignition. It was concluded that the time and temperatures were enough for a sound interface and coating. Ni 3Al and AISI 430 ferritic stainless steel alloy will be examined with Optical, Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive Spectroscopy (EDS). It examined the microstructure was observed to occur in conjunction with the main phase of interphase. Keywords: SHS; Ni3Al, coating, intermetallic 1. Giriş İntermetalik bileşikler yüksek sıcaklıkta oksidasyon dirençleri, mükemmel termal gerilmeleri, düşük yoğunlukları ve cazibeli kombinasyonları nedeniyle geleneksel süper alaşımlar için bu malzemelerin kullanılabilir olabilmeleri umut vericidir [1]. Çeşitli intermetalik alüminidleri arasında, FeAl, Fe3Al, NiAl ve Ni3Al çevresel saldırıda dirençli ve yükselmiş sıcaklık özelliklerinin görünümü açısından en umut verici olanları olarak görülmektedir [2]. Yüksek sıcaklıkta kullanılacak malzemelerin yüksek oksitlenme, sürünme direnci ve düşük yoğunluk gibi özelliklere sahip olmaları arzu edilir. Bu özelliklerin mükemmel bir kombinasyonuna sahip Ni -Al intermetalikleri, yüksek sıcaklık uygulamaları ve kaplama işlemleri için umut vaat eden malzeme olmasına karsın gevrekliklerinden dolayı şekillendirilmeleri oldukça zordur. Ni-Al ikili faz diyagramında Al3Ni, Al3Ni2, Al3Ni5, NiAl, Ni3Al intermetalik bileşikleri mevcuttur. Bu intermetalik bileşiklerden nikelce zengin NiAl ve Ni 3Al, sistemin en kararlı yapılarıdır [3-4]. Nikel aluminid (Ni3Al), yüksek erime noktası, basit düzenli kristal yapısı, düşük yoğunluğa ve ilginç mekanik özelliklere sahiptir. Ni 3Al-esaslı alaşımlar, yüksek sıcaklık yapı malzemeleri olarak yaygın kullanılmaktadır [1,5,6]. Küçük miktarda bor ilavesi i le Ni3Al % 50 den fazla süneklik gösterebilir. Ni 3Al’un akma dayanımının da sıcaklık ile arttığı Morsi v.d. tarafındanda tesbit edilmiştir [2,4]. Nikel alümind tipi koruyucu kaplamalar son zamanlarda nispeten odak noktasıdır. Nikel Alüminid intermetalik alaşımlar (Ni3Al ve NiAl) yüksek sıcaklık yapısal kaplama uygulamalarında örneğin; çelik üretim fırınlarının ruloları, brülör tüpler, dövme kalıplar ve kimya endüstrisi için korozyona dayanıklı parçalar, krom alüminid kaplamalar, nikel alüminid kaplamalar yüksek sıcaklık korozif ortamlar içeren genel endütriyel uygulamalar için geniş ölçekte yerbulmuş, çelikler üzerine kullanılmaya başlanmıştır. Belirli ortamlardaki aşınma, oksidasyon, korozyon ve erozyona karşı alttabaka malzemelerini korumak için farklı bir yüksek sıcaklık uygulaması olarak Ni3Al intermetalikleri uygun hale getirir. Çelik yüzeyine Ni3Al kaplama alttabakanın yüksek sıcaklıklarda tribolojk özellikleri yanı sıra oksidasyon ve korozyon direncini de geliştirecektir [5-7] Kutu sementasyon ve sıcak daldırma difüzyon kaplama, silisid / seramik kaplamalar, plazma püskürtme teknikleri,

Transcript of KENDİ İLERYEN YÜKSEK SICAKLIK SENTEZLEMESİ İLE FERRİTİK ... · erime noktası, basit...

International Conference on Material Science and Technology in Cappadocia (IMSTEC’16), April 6-8, 2016, Nevsehir, Turkey

66

COATING OF FERRITIC STAINLESS STEEL WITH Ni3Al INTERMETALLIC BY SELF PROPAGATING HIGH TEMPERATURE SYNTHESIS (SHS) AND

THE INVESTIGATION OF MİCROSTRUCTURE

KENDİ İLERYEN YÜKSEK SICAKLIK SENTEZLEMESİ İLE FERRİTİK PASLANMAZ ÇELİK ÜZERİNE Ni3Al’NİN KAPLANMASI VE MİKROYAPI

İNCELEMESİ

Musa KILIÇa Mustafa BEKENb, İhsan KIRIKc, Niyazi ÖZDEMİRd aBatman Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, İmalat Mühendisliği bölümü, 23119, Batman

bFırat Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Metalurji Eğitimi bölümü, 23119, Elazığ cBatman Üniversitesi, Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi, Met. ve Mal. Mühendisliği bölümü, 23119, Batman

dFırat Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, 23119, Elazığ [email protected];[email protected];[email protected]; [email protected]

Özet Bu çalışmada, AISI 430 ferritik paslanmaz çelik üzerine (SHS: Self Propagating High Temperature Synthesis) Kendi Kendine İlerleyen Yüksek Sıcaklık Sentezlemesi (KİYSS) yöntemiyle Ni3Al metallerarası bileşiği ile kaplanarak işlem parametrelerinin mikroyapı üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Kompaktlanan numuneler, ön tavlama yapılmaksızın argon atmosferli bir odacıkta, üzerlerinde 40 N’luk bir kuvvet uygulanarak ısıtılmış ve ateşlenmişlerdir. Daha önce yapılan çalışmalarda, ateşleme ve yanma ile eş zamanlı olarak oluşan Ni3Al tabakasının paslanmaz çelik yüzeyine tutunamadığı görüldüğünden, ateşlenen numuneler, pozisyonları değiştirilmeksizin 1000 ve 1100 oC sıcaklıklarda 45 dakika süreyle difüzyon işlemine tabi tutulmuşlardır. Ni3Al ile kaplanan numuneler mikrosertlik, optik mikroskop, Scanning Electron Microscopy (SEM) ve Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) incelemelerine tabi tutuldu. Çalışma sonucunda ferritik bir paslanmaz çelik, SHS ve bunu izleyen sinterleme yöntemi ile N3Al metallerarası bileşiği ile kaplanabilineceği görülmüştür. Mikroyapı incelemelerinde, ana fazlarla birlikte ara fazların oluştuğu görüldü. Anahtar kelimeler: SHS, Ni3Al, kaplama, intermetalik.

Abstract In this study, specimens from AISI 430 ferritic stainless steel were coated with Ni3Al intermetallic by SHS method and the effects of process parameters on the microstructures of the coated layer and interface were investigated. The compacted specimens were ignited in a chamber under argon atmosphere by applying a force of 40 kN. Since it was seen that in situ coating was not possible, the specimens were annealed at 1000 and 1100 0C for 45 minutes immediately after ignition. It was concluded that the time and temperatures were enough for a sound interface and coating. Ni3Al and AISI 430 ferritic stainless steel alloy will be examined with Optical, Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive Spectroscopy (EDS). It examined the microstructure was observed to occur in conjunction with the main phase of interphase. Keywords: SHS; Ni3Al, coating, intermetallic

1. Giriş İntermetalik bileşikler yüksek sıcaklıkta oksidasyon dirençleri, mükemmel termal gerilmeleri, düşük yoğunlukları ve cazibeli kombinasyonları nedeniyle geleneksel süper alaşımlar için bu malzemelerin kullanılabilir olabilmeleri umut vericidir [1]. Çeşitli intermetalik alüminidleri arasında, FeAl, Fe3Al, NiAl ve Ni3Al çevresel saldırıda dirençli ve yükselmiş sıcaklık özelliklerinin görünümü açısından en umut verici olanları olarak görülmektedir [2]. Yüksek sıcaklıkta kullanılacak malzemelerin yüksek oksitlenme, sürünme direnci ve düşük yoğunluk gibi özelliklere sahip olmaları arzu edilir. Bu özelliklerin mükemmel bir kombinasyonuna sahip Ni-Al intermetalikleri, yüksek sıcaklık uygulamaları ve kaplama işlemleri için umut vaat eden malzeme olmasına karsın gevrekliklerinden dolayı şekillendirilmeleri oldukça zordur. Ni-Al ikili faz diyagramında Al3Ni, Al3Ni2, Al3Ni5, NiAl, Ni3Al intermetalik bileşikleri mevcuttur. Bu intermetalik bileşiklerden nikelce zengin NiAl ve Ni3Al, sistemin en kararlı yapılarıdır [3-4]. Nikel aluminid (Ni3Al), yüksek erime noktası, basit düzenli kristal yapısı, düşük yoğunluğa ve ilginç mekanik özelliklere sahiptir. Ni3Al-esaslı alaşımlar, yüksek sıcaklık yapı malzemeleri olarak yaygın kullanılmaktadır [1,5,6]. Küçük miktarda bor ilavesi ile Ni3Al % 50 den fazla süneklik gösterebilir. Ni3Al’un akma dayanımının da sıcaklık ile arttığı Morsi v.d. tarafındanda tesbit edilmiştir [2,4]. Nikel alümind tipi koruyucu kaplamalar son zamanlarda nispeten odak noktasıdır. Nikel Alüminid intermetalik alaşımlar (Ni3Al ve NiAl) yüksek sıcaklık yapısal kaplama uygulamalarında örneğin; çelik üretim fırınlarının ruloları, brülör tüpler, dövme kalıplar ve kimya endüstrisi için korozyona dayanıklı parçalar, krom alüminid kaplamalar, nikel alüminid kaplamalar yüksek sıcaklık korozif ortamlar içeren genel endütriyel uygulamalar için geniş ölçekte yerbulmuş, çelikler üzerine kullanılmaya başlanmıştır. Belirli ortamlardaki aşınma, oksidasyon, korozyon ve erozyona karşı alttabaka malzemelerini korumak için farklı bir yüksek sıcaklık uygulaması olarak Ni3Al intermetalikleri uygun hale getirir. Çelik yüzeyine Ni3Al kaplama alttabakanın yüksek sıcaklıklarda tribolojk özellikleri yanı sıra oksidasyon ve korozyon direncini de geliştirecektir [5-7] Kutu sementasyon ve sıcak daldırma difüzyon kaplama, silisid / seramik kaplamalar, plazma püskürtme teknikleri,

International Conference on Material Science and Technology in Cappadocia (IMSTEC’16), April 6-8, 2016, Nevsehir, Turkey

67

intermetalik bileşiklerin elektron ışını, fiziksel buhar biriktirme, iyon implantasyonu, lazer yüzey modifikasyonu ve yüzey oksidasyon ile Al-Ti ve Al-Ni intermetalik faz elde edilerek kaplamalar yapılmaktadır. Ancak bu kaplamaların çoğu özellikle yapışma söz konusu olduğunda tatmin edici bulunmamaktadır. Dayanaklı kaplamlar için ön koşul alt tabakala güçlü ve dirençli bir bağ elde etmektir. Birçok durumda, alt-tabaka ve kaplama malzemesi arasında iyi bir bağ ile bağlanmasını teşvik etmek için ek arayüz tabakasının mevcudiyetini gerektirir. Bu açıdan, toz metalurji yöntemi ile özellikle de SHS, titanium üzerine Nikel alüminid koruyucu kaplamalar oluşturmak için ilginç bir yol olduğu kanıtlanmıştır [8-9]. SHS veya yanma sentezi (YS) intermetaliklerin elde edilmesi için nispeten basit bir yol olarak geliştirilmiştir [10]. Yüksek sıcaklık sentezlenmesi intermetalikler, sermetler, seramikler üretmek için gelişmiş bir teknolojidir. Ayrıca araştırmacılar şu anda SHS ile metal yüzeylerinde, seramik, sermet ve intermetalik kaplamalar elde etmek için çalışıldığını bildirmişlerdir. Bu, kaplama işlemi ile bir alttabkayı birleştirerek üreten yeni bir kaplama teknolojisidir [11]. SHS geleneksel toz metalürji yöntemleri ile karşılaştırıldığında daha fazla avantajlar sunmaktadır. sistemi kurmak daha basittir ve fazla masraf gerektirmez. Hızlı ekzotermik reaksiyondan dolayı üretim yapılırken daha az zamana ihtiyaç vardır. SHS işleminde numune tutuşturularak yanma dalgası oluşturulur. Bu dalga numune boyunca ilerlerken uçucu kirlilikleri dışarı atar [12-14]. İşlem, pratik olarak tozların karıştırılması ve bir kalıpta preslenmesi, presten çıkartıldıktan sonra da bir tutuşturucu ile ateşlenmesinden ibarettir [15]. Tutuşturma, ürünün ve reaksiyonun yüksek termal iletkenliğinden dolayı reaksiyon ve ürün morfolojisinde önemli bir rol oynar [16]. Bu çalışmada, ferritik paslanmaz çelik üzerine uygun bileşim oranlarında hazırlanmış olan kendi ilerleyen yüksek sıcaklık sentezlemesi yoluyla Ni3Al kaplanmasının geliştirilmesi incelendi. Uygun koşullar altında elde edilen kaplamalar sinterleme işlemi sonrası kaplama tabakalarının mikroyapıları ve oluşan farklı fazlar optik mikroskop, SEM, EDS, XRD analizleri ile belirlendi. Kaplama tabakaları mikro sertlik cihazı ile sertlik ölçümleri gerçekleştirildi. 2. Deneysel çalışmalar Kaplamalarda kullanılmak üzere altlık malzemesi olarak ferritik paslanmaz çelik ve küresel forma yakın bir şekilde % 99 saflıkta Ni ve Al tozları kullanılmıştır, Ni ve Al tozları ağırlıkça % 87 Ni ve % 13 Al olacak şekilde tartılmış ve homojen bir karışım elde etmek için, içerisinde 12 mm çapında seramik bilye olan mekanik bir karıştırıcıda, 16 devir/dk ile 24 saat süreyle karıştırılmıştır. Karıştırılan tozlar daha sonra 150, 200, 250 ve 300 MPa’lık basınçlar altında soğuk olarak preslendi. Alt tabaka malzemesi ise yüzeyinde yapışma gerçekleşmesi için uygun bir şekilde parlatılmıştır. Kaplama ve alt tabaka arasında daha iyi bir bağlanma gerçekleşmesi için, paslanmaz çeliğin yüzeyine ince bir tabaka halinde Ni tozu serilmiştir. Kompaktlanan numuneler, ön tavlama yapılmaksızın argon atmosferli bir odacıkta, üzerlerinde 40 N’luk bir kuvvet uygulanarak önısıtma yapılarak ateşlenmişlerdir. Ateşleme sonrası oluşan alev dalgası üstteki Ni-Al karışımını hızla kat ederek Ni3Al tabakasını oluşturmuştur.Daha önce yapılan çalışmalarda, ateşleme ve yanma ile eş zamanlı olarak oluşan Ni3Al tabakasının paslanmaz çelik yüzeyine tutunamadığı görüldüğünden, ateşlenen numuneler, pozisyonları değiştirilmeksizin 1000 ve 1100 oC

sıcaklıklarda 45 dakika süreyle sinterleme işlemine tabi tutulmuşlardır.Sinterleme sonrası kaplama işlemi tamamlanan numuneler, hassas kesme cihazı ile ortadan ikiye kesilmiş (Şekil1).

Şekil 1. Kaplanan numunenin makro resmi.

Kesilen numunelerin ara yüzeyleri geleneksel parlatma

yöntemleri ile parlatılmış ve akabinde, Ni3Al tarafı, 50 ml

HCl, 50 ml H2O ve 10 gram CuSO4 çözeltisinde 30 dakika

süreyle [17] paslanmaz çelik tarafı ise 4 gram CuSO4, 20

cm3HCl ve 20 cm3 H2O ile dağlanmıştır [18]. Dağlanan

numuneler optik mikroskop, SEM, EDS ve XRD

cihazlarında analizleri yapılmıştır. Kaplamalarin

mikrosertliği ise mikrosertlik cihazında ölçülerek tespit

edildi.

3. Sonuçlar ve tartışma

Genel manada tüm numunelerde kaplama kalitesinin iyi olduğu tespit edilmiştir. Ancak bazı numunelerde Ni3Al intermetalik malzemesine özgü gerçekleşen gözeneklerin meydana geldiği görülmüştür. Kaplama tabakasının optik mikroskop incelemelerinde, arakesitlerde boşluk olmadığı görülmektedir. Bütün numunelerde arakesit bölgesi, 3 farklı kısımdan oluşmuş ve bu kısımlar I. Gözenekli Ni3Al kısmı, II. ara kesitte Ni tabakası ve III. altlık (paslanmaz çelik) olarak belirlenmiştir (Şekil 2).

International Conference on Material Science and Technology in Cappadocia (IMSTEC’16), April 6-8, 2016, Nevsehir, Turkey

68

Şekil 2. Arakesit Bölgesinin Kısımları. Reaksiyon sentezlemesi sonrası oluşan yanma olukları nedeniyle Nİ3Al kısmında gözenekli bir yapının oluştuğu gözlenmiştir. Yanma oluklarının alev ilerleme yönüne dik bir doğrultuda olduğu görülmüştür. Dolayısıyla, yanma olukları arakesitte paralel bir şekilde gelişmiştir. İlk ateşleme esnasında, Ni tabakası ile paslanmaz çelik arasındaki adhezyonun, Ni3Al ile Ni tozu arasındakinden daha düşük olması halinde Ni tabakasının reaksiyon ile meydana gelen çekme tesiri ile paslanmaz çelik yüzeyinden ayrılabildiği Şekil 3’te görülmektedir.

Şekil 3. Ni tabakasının reaksiyon ile meydana gelen çekme tesiri ile paslanmaz çelik yüzeyinden ayrıldığı resim. 3.2. SEM, EDS ve X-Ray Sonuçlarının İncelenmesi Numunelerde oluşan fazlar, EDS ve XRD sonuçları Ni-Al ikili faz ve Fe-Ni-Al üçlü faz diyagramları yardımıyla değerlendirilerek belirlenmiştir.

Şekil 4. N2 nolu numunenin SEM görüntüsü. Kaplama numunelerinin arakesitinde oluşan SEM-EDS ve XRD analizleri ile belirlenmiştir (Tablo 4.1). Tablodan görüldüğü gibi ana yapı, kaplama tabakasında Ni3Al ve NiAl fazlarından oluşmaktadır. Yalnız kompaktlama basıncı artışı ile, yapıda yarı kararlı Ni3Cr2, Ni3Al4, Ni2Al3 fazları ile Ni3Al gibi fazların oluştuğu görülmektedir. Yine tablodan ara kesitte saf Ni tabakasının değişmeden kaldığı anlaşılmaktadır. İlk 4 numunede Ni5Al3 fazının oluştuğu da belirlenmiştir. Bu durum, söz konusu fazın 1100 oC sıcaklıkta tamamen çözündüğünü göstermektedir.

Tablo 1. Deneylere Ait Parametreler, Deney Koşulları, SEM-EDS ve XRD sonuçları.

Num

une

No

Kom

pak

B

asın

(MPa

)

Sint

erle

me

Sıc

aklığ

ı (o C

)

Fazlar

EDS XRD

N1

150 1000 α Fe,Cr Ni NiAl3 Ni5Al3

Ni3Al NiAl

N2

200 1000 α Fe,Cr Ni Ni3Al NiAl3 Ni5Al3

Ni3Al Ni3Al4

N3

250 1000 α Fe,Cr Ni NiAl NiAl3 Ni5Al3

Ni3Al Ni3Al4 NiAl

N4

300 1000 γ Fe,Ni NiAl NiAl3 Ni5Al3

Ni3Al NiAl

Ni3Cr2 Ni

EDS ve XRD sonuçlarından görüldüğü gibi sinterleme esnasında ara kesitte bir miktar difüzyon meydana gelmiştir. EDS sonuçları yaklaşık 200 µm’luk bir mesafede özellikle Ni’in paslanmaz çelik tarafına difüze olduğunu görülmektedir. Bu kısımda, nikel kadar olmasa da bir miktar alüminyumun da difüze olduğu EDS sonuçlarından anlaşılmaktadır. Oluşan fazlardan Ni3Al, NiAl, Ni3Al4, Ni3Cr2, Ni, Ni2Al3, NiAl3 EDS ile belirlenmemiş olsa da XRD sonuçları bu fazların da meydana geldiğini göstermektedir.

International Conference on Material Science and Technology in Cappadocia (IMSTEC’16), April 6-8, 2016, Nevsehir, Turkey

69

Şekil 5. N3 nolu numunenin SEM görüntüsü

EDS ve XRD sonuçlarından görüldüğü gibi sinterleme esnasında ara kesitte bir miktar difüzyon meydana gelmiştir. EDS sonuçları yaklaşık 200 µm’luk bir mesafede özellikle Ni’in paslanmaz çelik tarafına difüze olduğunu göstermektedir (Şekil 7 ve Tablo 2). Bu kısımda, nikel kadar olmasa da bir miktar alüminyumun da difüze olduğu EDS sonuçlarından anlaşılmaktadır (Tablo 1). Oluşan fazlardan Ni3Al, NiAl, Ni3Al4, Ni3Cr2, Ni, Ni2Al3, NiAl3 EDS ile belirlenmemiş olsa da XRD sonuçları bu fazların da meydana geldiğini göstermektedir. La ve arkadaşlarının yapkları çalışmalarda Ni3Al kaplama tabakası üretiminde Ni ve Al tozları ön ısıtmaya tabi tutulması durumunda yapılan hesaplamalarda adyabatik sıcaklık olarak 1827ºC göstermişler. Ni ve Ni3Al ergime sıcaklıkları sırasıyla 1397 ve 1460 ºC yani tozların ve ürünlerin ergime noktalarından daha yüksek bir sıcaklık söz konusudur. Reaksiyon gerçekleştiğinde Ni3Al bir süre sıvı halde kalacaktır ve sıvı Ni3Al içinde Ni çözünmekte veya Ni difüze olmaktadır[20]. Kaplama işlemi yapılmış olan numunelerin SEM ve bu görüntü üzerinde alınan EDS noktaları Şekil 4, 5 ve 6 'da sırasıyla verilmiştir

Şekil 6. N2 nolu numunenin EDS noktaları Kaplama işlemi yapılmış olan numunelerin XRD analiz sonucunda tespit edilmiş olan tüm fazlar Tablo 1'de gösterilmiş, N2 ve N3 nolu numunelere ait XRD sonuçları Şekil 8 ve 9 da sırasıyla verilmiştir . Ni3Al fazı Ni3Ga4 tipi kübik yapının bir temsilcisi olan CsCl tipi yapının düzenli bir hali olan Ni3Al4 XRD sonuçlarından bütün numunelerde mevcut olduğu görülmüştür. Bu faz Ni3Ga4 tipi bir yapıdır ve CsCl tipi yapının düzenli bir şeklidir ve Ni3Al4 basit kübi kristal kafese sahiptir[21-22]. Bu faz bir yan ürün olup, Ni-Al denge diyagramında görülmemektedir. Ni3Al4 kararsız bir fazdır ve kolayca NiAl ve Al’ a ayrışabilir[22]. Ni3Al4’ün varlığı Ni-Al sisteminde dönüşümün bazı yerlerde tamamlanamadığı anlamına gelmektedir. Kompaklama basıncı 300 MPa olan numunede Nİ3Cr2 fazı yani Ni esaslı süper alaşımlarda görülen ve sigma fazı olarak isimlendirilen faz oluştuğu görülmektedir(Tablo 1) [23].Sert nano kompozit kaplamalar üzerine yapılan çalışmalardan (Ni-Ti-Cr) sisteminde paslanmaz çelik tarafında Ni3Cr2 fazının oluştuğu başka araştırmalarda belirtilmiştir[24]. Aynı fazın N4 numaralı numunede (XRD sonuçlarında ) oluştuğu görülmektedir. 1000 ve 1100 oC’lerde yapılan tavlamada, difüzyon mesafeleri açısından bir fark yaratmadığı anlaşılmaktadır. Öte yandan difüzyon sadece paslanmaz çelik ile nikel ara tabaka arasında meydana gelmiştir. Difüzyon mesafesi takriben 150 µm kadardır. Difüze olan elementler, Nikelde demir , Demirde nikel ve yine Ni içersinde Cr ‘ dır. Dolayısıyla, yapılan tavlamanın arakesit bölgesi dışında özellikle karbür oluşturma haricinde bir etkisi olmadığı görülmüştür.

Tablo 2. N2 nolu numunenin EDS ve XRD sonuçları.

Element

AppConc. Intensity Corrn.

Weight% Weight %Sigma

Atomic%

Fazlar

1 Cr K 12.19 1.1575 14.56 1.37 15.47 α Fe,Cr

Fe K 60.80 0.9834 85.44 1.37 84.53

Totals 100.00

2 Al K 0.51 0.5781 1.41 0.60 3.01 Ni

Ni K 61.56 0.9980 98.59 0.60 96.99

Totals 100.00

3 Al K 4.48 0.6197 12.70 1.50 24.04 Ni3Al

Ni K 48.79 0.9822 87.30 1.50 75.96

International Conference on Material Science and Technology in Cappadocia (IMSTEC’16), April 6-8, 2016, Nevsehir, Turkey

70

Totals 100.00

4 Al K 5.83 0.6338 16.17 1.53 29.57 Ni3Al+Ni5Al3

Ni K 46.61 0.9773 83.83 1.53 70.43

Totals 100.00

Şekil 7. N2 nolu numuneye ait EDS grafikleri

Şekil 8. N2 nolu numunenin XRD grafiği.

International Conference on Material Science and Technology in Cappadocia (IMSTEC’16), April 6-8, 2016, Nevsehir, Turkey

71

Şekil 9. N3 nolu numunenin XRD grafiği

4. Sonuçlar Bu çalışmada ferritik bir paslanmaz çelik SHS ve bunu izleyen sinterleme yöntemi ile N3Al metallerarası bileşiği ile kaplanmıştır. Elde edilen sonuçları şu şekilde özetlemek mümkündür: 1. SHS ve Sinterleme yöntemi, paslanmaz çeliklerin NiAl metallerarası bileşikleri ile kaplanmasında efektif bir yöntem olarak kullanılabilir. 2. 1100 oC’lik sinterleme sıcaklığı, yarı kararlı metallerarası fazların tam çözünmesi için daha iyi sonuç vermektedir. 3. Nikel ara tabaka kullanımı, yüzeyi ıslatarak, kaplama tabakasının paslanmaz çelik ile daha kolay birleşmesini sağlamaktadır. 4. Kompaktlama basıncının ara fazların meydana gelmesi üzerinde hızlandırıcı bir etkisi olmaktadır. 5. Sinterleme, reaksiyon sonucu oluşan gözeneklerin azalmasına yardım etmektedir. Teşekkür Bu çalışmada ve hayatın her ananında yanımızda olan ancak kendisini 19.02.2015 tarihinde kaybettiğimiz çok değerli hocam Prof. Dr. Nuri Orhan’a Allah’tan rahmet dilerim. Bu çalışma FUBAP-TEF.12.02 no.lu proje kapsamında gerçekleştirilmiştir. Kaynaklar

[1] Li, Y., Liu, Y., Geng, H., Nie, D., Synthesis and cladding of Ni3Al intermetallic on steel substrate by laser controlled reactive synthesis, Journal of Materials Processing Technology 171 (2006) 405–410.

[2] Y. Wang, W. Chen, Microstructures, properties and high-temperature carburization resistances of HVOF thermal sprayed NiAl intermetallic-based alloy coatings, Surface and Coatings Technology 183 (2004) 18–28.

[3] Michael Brammer,T., Improving the phase stability and oxidation resistance of β-NiAl, Master of science, Iowa State University, Ames, Iowa, 2011.

[4] K. Morsi, Review: reaction synthesis processing of Ni–Al intermetallic materials, Materials Science and Engineering A299 (2001) 1–15.

[5] Singh Sidhu, B., Prakash, S., Evaluation of the corrosion behaviour of plasma-sprayed Ni3Al

coatings on steel in oxidation and molten salt environments at 900 oC, Surface and Coatings Technology 166 (2003) 89–100.

[6] Li, S., Feng, D., Luo,H., Microstructure and abrasive wear performance of chromium carbide reinforced Ni3Al matrix composite coating, Surface & Coatings Technology 201 (2007) 4542–4546.

[7] Li-yuan,S., Ting-fei,X., Chen, L., Jian-ting, G., Yu-feng, Z., Effect of extrusion process on microstructure and mechanical properties of Ni3Al – B - Cr alloy during self-propagation high-temperature synthesis, Trans. Nonferrous Met. Soc. China 22(2012) 489_495.

[8] G.P. Cammarota, A. Casagrande, G. Poli, P. Veronesi, Ni–Al–Ti coatings obtained by microwave assisted SHS: Effect of annealing on microstructural and mechanical properties, Surface & Coatings Technology 203 (2009) 1429–1437.

[9] Boromei, A. Casagrande, F. Tarterini, G. Poli, P. Veronesi, R. Rosa, Ni–Al–Ti coatings obtained by microwave assisted SHS: Oxidation behaviour in the 750–900 °C range, Surface & Coatings Technology 204 (2010) 1793–1799.

[10] X. Zhu, T. Zhang, D. Marchant, V. Morris, The structure and properties of NiAl formed by SHS using induction heating, Materials Science and Engineering A 528 (2011) 1251–1260.

[11] La,P., Bai,M., Xue, Q., Liu,W., A study of Ni3Al coating on carbon steel surface via the SHS casting route, Surface and Coatings Technology 113 (1999) 44–51.

[12] Zanotti, C., Giuliani, P., Terrosu, A., Gennari, S., Maglia, F., “Porous Ni -Ti,ignition and combustion synthesis”, Intermetallics, 15, 404-412, 2007.

[13] Bansiddhi, T.D. Sargeant, S.I. Stupp, D.C. Dunand, “Porous NiTi for bone implants: A review”, Acta Biomaterialia, 4, 773–782, 2008.

[14] Goh, C.W., Gu, Y.W., Lim, C.S., Tay, B.Y., “Influence of nanocrystalline Ni-Ti reaction agent on self-propagating high-temperature synthesized porous NiTi”,Intermetallics, 15, 461-467, 2007.

[15] Tay, B.Y., Goh, C.W., Yong, M.S., Soutar, A.M., Li, Q., Ho, M.K., Myint, M.H., Gu, Y.W., Lim, C.S., “Self-propagating high-temperature synthesis of

International Conference on Material Science and Technology in Cappadocia (IMSTEC’16), April 6-8, 2016, Nevsehir, Turkey

72

porous NiTi”, SIMTech technical reports, 7-1, 21-25, 2006.

[16] Kaya, M., Orhan, N., Somunkıran, İ., Kurt, B., Toz Metalurjisiyle Üretilen Gözenekli Niti Şekil Hatırlamalı Alaşımların Gözenek Karakteristikleri Ve Faz Yoğunlukları Üzerinde Soğuk Presleme Basıncının Etkisi, 5th International Powder Metallurgy Confrence, Ankara.

[17] Yuyong Chen , D.D.L Chung , Nickel aluminid (Ni3Al) by reaktive infiltration , Journal of materials sience, 31 (1996) 2117-2122.

[18] www.asminternational.org. 10.11.2015. [19] Tosun, G.,Özler,L., Kaya, M., Orhan,N.,

2008,SHS yöntemi ile üretilen NiTi alaşımlarının gözenek oranının incelenmesi , 5th International Powder Metallurgy Conference,1353-1367, Ankara.

[20] Ergin, N., Yörük, G., Özdemir, Ö.,2011, Elektrik akımı destekli sinterleme yöntemi ile NiAl esaslı kaplama üretimi, 6th International Advanced Technologies Symposium (IATS’11), 16-18 May 2011, Elazığ, Turkey.

[21] M. Ellner, S. Kek, B. Predel, Ni3Al4 - A phase with ordered vacancies isotypic to Ni3Ga4, Journal of the Less Common Metals, Volume 154, Issue 1, 1 October 1989, Pages 207–215.

[22] Y. Mishin, Atomistic modeling of γ and γ’-phases of the Ni-Al system , Acta Materialia 52 (2004) 1451–1467.

[23] Al – Aql AA, Al- SalhiMS , Ansani M.I. , Precipitation in Ni-35 at pct Cr Alloy, J.Material Science Technology V 18 No:1,2002.

[24] Pogrebnjak A. , and Beresnev V.M., Hard Nano compozite Coatngs , Theirstructire and Popentre Böl.6 p 149 – http://dx.doi.org/10.5772/50567

.