Silisyum Karbür–Alüminyum Karma Yapılarında Alüminyum Karbür

Transcription

ANADOLU ÜNİVERSİTESİ BİLİM VE TEKNOLOJİ DERGİSİ
ANADOLU UNIVERSITY JOURNAL OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
Cilt/Vol.:10-Sayı/No: 1 : 249-257 (2009)
ARAŞTIRMA MAKALESİ /RESEARCH ARTICLE
SİLİSYUM KARBÜR-ALÜMİNYUM KARMA YAPILARINDA ALÜMİNYUM
KARBÜR OLUŞUMUNUN TARAMALI ELEKTRON MİKROSKOBU İLE
İNCELENMESİ
Ayşe KALEMTAŞ 1, Gürsoy ARSLAN 1
2
ÖZ
Bu çalışmada basınçsız emdirme yöntemi kullanılarak silisyum karbür-alüminyum karma yapıların üretimi ve emdirme sırasında bu sistemde oluştuğu bilinen alüminyum karbür fazının oluşumu taramalı elektron mikroskobuyla incelenmiştir. Hem ince (d50=1 µm) hem de kaba (d50=23 µm) silisyum
karbür tozları kullanılarak hazırlanan gözenekli seramik peletlere, argon gazı ortamında 7075 alüminyum alaşımı basınç uygulamaksızın sızdırılarak seramik-metal karma yapılar üretilmiştir. Ancak emdirme sıcaklığı 1400°C gibi emdirme süreçleri için oldukça yüksek bir sıcaklık olmasına karşın, elde
edilen emdirme kalınlığının sadece bir kaç mm ile sınırlı kaldığı belirlenmiştir. Oluşan bu fazın morfolojisinin emdirme yüzeyine olan mesafeye bağlı olarak da farklılık gösterdiği gözlenmiştir. Silisyum
karbür ile alüminyum alaşımının tepkimesi sonucunda oluşan alüminyum karbür fazının özellikleri
taramalı elektron mikroskop ve x-ışınları kırınımı yöntemleriyle incelenmiştir.
Anahtar Kelimeler : Silisyum Karbür, Karma Yapı, Alüminyum Karbür.
SCANNING ELECTRON MICROSCOPY INVESTIGATION OF ALUMINUM
CARBIDE FORMATION IN THE SILICON CARBIDE-ALUMINUM COMPOSITES
ABSTRACT
In this work the processing of silicon carbide-aluminum composites via pressureless melt
infiltration technique and formation of the aluminium carbide phase, which is known to form in this
system, was investigated by using transmission electron microscopy. 7075 aluminum alloys were
pressureless infiltrated under an argon gas atmosphere into porous ceramic pelets that were produced
from both fine (d50=1 µm) and coarse (d50=23 µm) silicon carbide powders. Although temperatures as
high as 1400°C were employed in the infiltration process, the infiltration depth was limited to just a
few milimeters. Furthermore, the aluminium carbide phase, an unwanted reaction product in the
silicon carbide-aluminum system, was observed to form in significant amounts. It was also observed
that the morphology of this phase varied with the distance to the infiltration front. The characteristics
of the aluminium carbide phase, which forms as a result of the interaction between silicon carbide and
the aluminum alloy, were investgated by using scanning electron microscopy and x-ray diffraction.
Keywords: Silicon Carbide, Composite, Aluminium Carbide.
1,
Anadolu Üniversitesi, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü, 26480, Eskişehir.
E-posta: [email protected]
Geliş: 29 Ağustos 2007; Düzeltme: 2 Haziran 2008; Kabul: 3 Temmuz 2008
250
1. GİRİŞ
Anadolu Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 10 (1)
Basınçsız emdirme tekniği silisyum karbür
(SiC) takviyeli alüminyum (Al) matrisli karma
yapıların üretimi için alternatif, ucuz ve basit bir
yöntemdir. Ancak yapılan alanyazın taramalarında Al/SiC sisteminde çeşitli sorunlarla karşılaşıldığı belirlenmiştir (Anguilar-Martinez,
2003; Luo, 2001; Parras-Medecigo, 2002; PechCanul, 2000; Rodriguez-Reyes, 2003; Sritharan,
2001). Bu sistemde karşılaşılan en önemli sorunların şunlar olduğu bildirilmektedir: SiC’in ergimiş Al tarafından yeterince ıslatılmaması,
Al/SiC arayüzeyinde istenmeyen çeşitli tepkimelerin gerçekleşme potansiyelinin bulunması
özellikle, alüminyum karbür (Al4C3) ve alüminyum silisyum karbür (AlSiC4) fazlarının oluşumu ve kalıntı gözeneklerin varlığı.
Al/SiC arayüzeyinde kimyasal potansiyel
farklılıkları vardır. Bu nedenle yüksek sıcaklıklarda arayüzey tepkimeleri için itici bir güç söz
konusudur. Al metalinin ergime sıcaklığının
üzerindeki sıcaklıklarda, atmosferik basınçta,
SiC ısıl devinimsel olarak kararsız hale gelir ve
650 ± 3 ºC’de Al4C3 oluşturmak üzere Al ile
tepkimeye girer [(Iseki , 1984), (Viala, 1993)].
Al4C3 oluşumuyla sonuçlanan tepkimenin (Eşitlik 1) MTDATA paket programı kullanılarak
elde edilen sıcaklığa bağlı standart serbest enerji
değişimi Şekil 1’de sunulmaktadır. Katı ve sıvı
Al’nin molar ısı sığaları farklı olduğundan ve
660 °C’de Al ergidiğinden dolayı ∆Gº eğrisinin
eğimi bu sıcaklıktan sonra değişmektedir. ∆Gº
çalışılan tüm sıcaklık aralığında eksi bir değer
almaktadır. Bu da Al4C3 oluşumu için termodinamik bir itici gücün varlığını göstermektedir.
Bu çalışmada SiC-Al sisteminde basınçsız
emdirmeyle üretilen karma yapılarda Al4C3 fazının oluşumu ve bu fazın içyapısının incelenmesi üzerine odaklanılmıştır.
4 Al(s) + 3C(k) → Al4C3(k) ∆G923°K = (-) 166,9
kJ/mol
[1]
Şekil 1. Al ve C’nin tepkimeye girmesi sonucu oluşan Al4C3 fazının sıcaklığa bağlı ∆G° değişimi
Bu tepkime Al/SiC karma yapılarının üretimi esnasında karşılaşılan en zararlı tepkimelerden biridir. Oluşan Al4C3 fazının neden olduğu
temel sorunlar şunlardır: SiC tanelerinin çözünmesine sebep olduğundan, karma yapının özelliklerinin kötüleşmesine neden olur. Ayrıca kararsız bir faz olduğu için atmosferdeki nemle
tepkimeye girerek Al(OH)3 oluşturur:
Al4C3(k) + 12 H2O(g) → 3 CH4(g) + Al(OH)3(k)
∆G298°K= (-) 1699,5 kJ/mol
[2]
Gerçekleştirilen bu çalışmada, SiC-Al karma yapılarında kullanılan başlangıç SiC tozunun
tane boyutuna bağlı olarak Al4C3 fazının oluşumu ve içyapısı x-ışını kırınım (XRD) yöntemi,
taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve enerji
saçınımlı x-ışınları (EDX) analizleriyle ayrıntılı
olarak incelenmiştir.
2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR
Bu çalışmada kullanılan Alfa Aesar firmasından temin edilen ince ve kaba SiC tozlarının
tane boyutları ve Eskişehir 1. Hava İkmal ve
Bakım Merkezi Komutanlığı’ndan temin edilen
Al alaşımının kimyasal kompozisyonu Çizelge
1’de sunulmaktadır.
251
Anadolu University Journal of Science and Technology, 10 (1)
Çizelge 1. Silisyum karbür tozları ve Al alaşımının spesifikasyonu
SiC Tozlarının Tane Boyutları
Kaba SiC İnce SiC
d10, µm
15
0,50
d50, µm
23
1,00
d90, µm
38
2,10
Elde edilen toz karışımlarına bağlayıcı ilave
edildikten sonra tek yönlü preslemeyle gözenekli seramik peletler hazırlanmıştır. Grafik altlıklara konulan seramik peletlerin üzerine uygun boyutlarda kesilen ve yüzey oksit tabakası zımparalama işlemi ve ardından aseton içerisinde bekletilerek uzaklaştırılan 7075 Al alaşım blokları
yerleştirilmiştir. Emdirme deneyleri 1420°C’de,
60 dk süreyle, atmosfer denetimli yatay alümina
tüp fırını içerisinde gerçekleştirilmiştir. Al alaşımının, gözenekli seramik bünyeye sızdırılmasında oksitlenmeyi önlemek için yüksek saflıkta
Ar gazı kullanılmıştır. Ar gazının akış hızı 350
cm3/dk’ya sabitlenmiştir.
Üretilen karma yapıların içyapıları Supra
VP 50 marka SEM ile incelenmiştir. İçyapı fotoğrafları geri saçınımlı elektron (BSE) görüntü
modunda çekilmiştir. İçyapı incelemelerinin yanı sıra oluşan fazların kimyasal bileşimleri yarı
miktarsal elementel analizle (EDX) belirlenmiştir.
SiC-Al karma yapılarını oluşturan fazların
tespiti Rigaku marka, Rint 2200 model XRD
cihazı ile yapılmıştır. X-ışını kaynağı olarak bakır tüp (λ=1.54 Å) kullanılmış ve çekimler
1°/dk’lık tarama hızıyla gerçekleştirilmiştir.
3. DENEYSEL SONUÇLAR
Gerçekleştirilen emdirme çalışması sonucunda ince SiC tozları ile hazırlanan ~7 mm kalınlığındaki peletlerde yaklaşık olarak 1,7-2,0
mm, kaba SiC tozları ile hazırlanan peletlerde
ise 1-2 mm arasında değişen emdirme kalınlıkları sağlandığı belirlenmiştir. İnce ve kaba SiC
tozlarıyla hazırlanan peletlerde içyapı gelişimi
incelendiğinde, içyapının büyük ölçüde emdirme
yüzeyine olan uzaklığıma bağlı olarak değiştiği
saptanmıştır (Şekil 2 ve 3).
İnce SiC tozlarından üretilen karma yapıda
emdirmenin kilitlendiği alt bölgede [Şekil 2(a)]
oldukça yüksek boy/en oranına sahip çubuksu
tanelerin geliştiği, orta kısımlarına [Şekil 2(b)]
doğru gidildikçe tanelerin boy/en oranının çok
belirgin bir şekilde düştüğü ve numunenin üst
kısımlarında (seramik-metal arayüzeyine en yakın bölgede) [Şekil 2(c)] ise tamamen küresele
yakın tanelerin oluştuğu saptanmıştır.
7075 Alüminyum Alaşımı
Element
ağ. %
Zn
5,30
Mg
2,30
Cu
1,30
Cr
0,25
Fe
0,44
İnce SiC tozlarından üretilen karma yapının
alt bölgesinde (emdirmenin tam olarak kilitlendiği, seramik-metal arayüzeyine en uzak bölgede) oluştuğu gözlemlenen çubuksu taneler
SEM’de daha ayrıntılı olarak incelendiğinde
(Şekil 4) yüksek boy/en oranına sahip çubuksu
tanelerin içerisinde mikron altı tanelerin yoğun
bir şekilde bulunduğu belirlenmiştir [Şekil 4(a)(c)]. Emdirmenin kilitlendiği karma yapıseramik arayüzeyinde seramik faz miktarının
oldukça düşük olduğu ve genel olarak karma
yapıdaki taneler arası fazdan daha yüksek parlaklığa sahip bir fazın bulunduğu [Şekil 4(d)]
belirlenmiştir.
Benzer şekilde kaba SiC tozuyla hazırlanan
karma yapılarda da emdirme yüzeyine olan
uzaklığa bağlı olarak içyapının değiştiği SEM
incelemeleriyle anlaşılmıştır. Emdirmenin durduğu alt bölgede [Şekil 3(a)] çubuksu tanelerin
oluştuğu ancak üst bölgelere [Şekiller 3(b) ve
(c)] doğru çıkıldıkça küresele daha yakın morfolojilerin geliştiği belirlenmiştir.
İnce SiC tozlarından üretilen karma yapıda
belirlenen yüksek boy/en oranına sahip tanelerin
EDX analizi sonucu bu fazın Al4C3 olduğu (Şekil 5 ve Çizelge 2) ve bu tanelerin içerisinde
oluşan ince tanelerin ise yine karma yapılarda
genel olarak neme hassasiyeti nedeniyle istenmeyen bir Al-Si-C fazı olduğu (Şekil 6 ve Çizelge 3) belirlenmiştir. Yapılan EDX analiziyle
Al4C3 tanelerinden Al ve C ile birlikte silisyum
(Si) ve oksijen (O) elementlerinden de sinyal
alındığı belirlenmiştir. SiC’nin çözünmesi sonucu açığa çıkan Si elementinin ortamda çok az
miktarda da olsa bulunan O ile tepkimeye girerek SiO2 oluşturmuş olabileceği düşünülmektedir. Gerçekleştirilen elementelsel analiz sonucu
değerlendirildiğinde (Çizelge 2) tane içerisinde
belirlenen Si ve O miktarlarının SiO2’nin
stokiyometresiyle örtüştüğü saptanmıştır. Emdirmenin kilitlendiği bölgede [Şekil 2(a)] ise
taneler arasındaki fazın çok yüksek oranda Si ve
bir miktar da karbon (C) içerdiği (Şekil 7 ve Çizelge 4), dolayısıyla bu bölgede emdirme kilitlenmeden önce SiC tanelerinin çok büyük ölçüde çözünmüş olduğu anlaşılmıştır.
252
Şekil 2. İnce SiC tozuyla üretilen karma yapının (a) alt, (b) orta ve (c) üst bölgeden alınan temsili SEM görüntüleri
253
Şekil 3. Kaba SiC tozuyla üretilen karma yapının (a) alt, (b) orta ve (c) üst bölgeden alınan temsili SEM
görüntüleri
254
Şekil 4. İnce SiC tozuyla üretilen karma yapının farklı bölgelerinden alınan temsili SEM içyapı görüntüleri
(a) ve (b) iğnemsi görünen taneler, (c) iğnemsi tanelerin içi ve (d) numunenin en alt kısmı
(a)
(b)
Şekil 5. İnce SiC tozuyla üretilen karma yapıda EDX ile belirlenen Al4C3 fazı (a) noktasal analizin yapıldığı bölge (b) analiz edilen bölgenin EDX grafiği
Çizelge 2. İnce silisyum karbür tozuyla üretilen numunede Al4C3 olduğu düşünülen taneden alınan
EDX analiz sonuçları
Element
C
O
Al
Si
Tane
atomca %
35,25
13,56
45,15
6,03
Al4C3
atomca %
42,86
--57,14
---
SiO2
atomca %
--66,67
--33,33
255
(a)
(b)
Şekil 6. İnce SiC tozuyla üretilen karma yapıda EDX ile belirlenen Al-Si-C fazı (a) noktasal analizin
yapıldığı bölge (b) analiz edilen bölgenin EDX grafiği
Çizelge 3. İnce silisyum karbür tozuyla üretilen numunede Al-Si-C olduğu düşünülen taneden alınan
EDX analiz sonuçları
Element
C
O
Al
Si
Tane
atomca %
45,20
2,34
27,27
25,19
(a)
(b)
Şekil 7. İnce SiC tozuyla üretilen karma yapıda numunenin en alt kısmından alınan noktasal EDX analizi (a) analizin yapıldığı bölge (b) analiz edilen bölgenin EDX grafiği
Çizelge 4. İnce silisyum karbür tozuyla üretilen numunede alt bölgeden alınan EDX analiz sonuçları
Element
C
O
Al
Si
Tane
atomca %
27,05
0,59
0,09
72,27
256
Göreceli Şiddet
SiC
Si
Al
Al4C3
(a)-alt
(b)-orta
(c)-üst
23
28
33
38
43
48
53
58
o
2θ ( )
Şekil 8. İnce SiC tozuyla üretilen SiC-Al karma yapısının XRD kırınım örgüsü
Gerçekleştirilen SEM çalışmaları sonucunda emdirme derinliğine bağlı olarak içyapı gelişimi belirgin bir şekilde farklılaştığından ince ve
kaba SiC tozlarıyla üretilen karma yapıların faz
analizlerinde numunelerin üst, orta ve alt tabakasından ayrı ayrı XRD çekimleri yapılmıştır
(Şekil 8 ve 9).
de SiC’nin göreceli olarak daha az tüketildiği
belirlenmiştir. Numunenin alt kısmında oluşan
Al4C3 fazına ait kırınım çizgi şiddetlerinin, numunenin orta ve üst kısmına oranla belirgin bir
şekilde düşük olması da bu bölgede SiC’nin daha az çözündüğünü doğrulamaktadır (Şekil 8).
Kaba SiC tozuyla üretilen numunede ise orta ve üst bölgelerde Al4C3 fazının kırınım çizgi
şiddetlerinin oldukça yüksek olduğu [Şekil 9(b)
ve (c)], buna karşın alt kısımda ise Al4C3 fazının
oluşmadığı belirlenmiştir [Şekil 9(a)].
Göreceli Şiddet
İnce SiC tozuyla üretilen numunede alt tabakada [Şekil 8(a)] SiC fazına ait kırınım çizgilerinin, orta ve üst bölgelere oranla daha şiddetli
olduğu [Şekil 8(b) ve (c)], dolayısıyla alt bölge
SiC
Si
Al
Al4C3
(a) alt
(b) orta
(c) üst
23
28
33
38
43
48
53
58
o
2θ ( )
Şekil 9. Kaba SiC tozuyla üretilen SiC-Al karma yapısının XRD kırınım örgüsü
4. GENEL SONUÇLAR
7075 Al alaşımının ince ve kaba SiC tozlarıyla hazırlanan gözenekli peletlere basınçsız
emdirme tekniğiyle emdirilmesi için çok yüksek
sıcaklıklara (> 1400°C) çıkılması gerektiği belirlenmiştir. Yapılan çalışmada 1450°C gibi yüksek bir sıcaklıkta, 1 saat süreyle gerçekleştirilen
emdirme sonrasında bile ancak kısmi (≤ 2 mm)
emdirmenin sağlanabildiği belirlenmiştir.
SiC tanelerinin Al ile temas süresinin numunenin alt ve üst bölgelerinde farklı olduğu ve
buna bağlı olarak da Al4C3 fazının şekilsel gelişiminin de farklılaştığı belirlenmiştir.
TEŞEKKÜR
Yazarlar Anadolu Üniversitesi’ne 030235 nolu
“Bor Karbür ve Silisyum Karbür Esaslı Zırhların Üretimi ve Karakterizasyonu” başlıklı Bilimsel Araştırma Projesi’ni desteklediği için teşekkür etmektedir.
KAYNAKLAR
Anguilar-Martinez, J.A., Pech-Canul, M.I.,
Rodriguez-Reyes, M. ve De La Pena, J.L.
(2003). Effect of processing parameters
on the degree of infiltration of SiCp
preforms by Al-Si-Mg alloys Mater. Lett.
57(26-27), 4332-4335.
Iseki, T., Kameda, T. ve Maruyama, T. (1984).
Interfacial reactions between SiC and
aluminium during joining. J. Mater. Sci.
19(5), 1692-1698.
Luo, Z.P., Song, Y.G. ve Zhang, S.Q. (2001). A
TEM study of the microstructure of
composite
prepared
by
SiCp/Al
pressureless infiltration method. Scripta
Materialia 45(10), 1183-1189.
Parras-Medecigo, E.E., Pech-Canul, M.I.,
Rodriguez-Reyes, M. ve Gorokhovsky, A.
(2002). Effect of processing parameters
on the production of bilayer-graded
Al/SiCp composites by pressureless
infiltration. Mater. Lett 56(4), 460-464.
Pech-Canul, M.I., Katz, R.N., ve Makhlouf,
M.M. (2000). Optimum conditions for
pressureless infiltration of SiCp preforms
by aluminum alloys J. Mater. Process.
Tech. 108(1), 68-77.
Rodriguez-Reyes, M., Pech-Canul, M.I., ParrasMedecigo, E.E. ve Gorokhovsky, A.
(2003). Effect of Mg loss on the kinetics
257
of pressureless infiltration in the
processing of Al-Si-Mg/SiCp composites.
Mater. Lett 57(13-14), 2081-2089.
Sritharan, T., Chan, L.S., Tan, L.K., ve Hung,
N.P. (2001). A feature of the reaction
between Al and SiC particles in an MMC,
Mater. Characterisation 47(1), 75-77.
Viala, J.C., Bosselet, F., Laurent, V. ve
Lepetitcorps, Y. (1993). Mechanism and
kinetics of the chemical interaction
between liquid aluminium and siliconcarbide single crystals. J. Mater. Sci
28(19), 5301-5312.
Ayşe KALEMTAŞ; 1977’de
Elazığ’da doğdu. 2000 yılında
Anadolu Üniversitesi, Seramik
Mühendisliği
Bölümü’nden
lisans derecesini, 2002’de ise
Yüksek Lisans derecesini aldı.
2000 yılından beri Anadolu
Üniversitesi, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği
Bölümü’nde araştırma görevlisi olarak görev
yapmakta ve 2003 yılında başladığı doktora çalışmalarına devam etmektedir. Science Citation
Index (S.C.I) tarafından taranan dergilerde basılmış ya da baskıda olan 4 adet makalesi bulunmaktadır. Yedi adet bilimsel araştırma projesinde araştırmacı olarak yer almıştır. İlgi alanları
seramik-metal kompozitler, azot seramikleri ve
kaynaklama teknikleridir.
Gürsoy ARSLAN; 1967’de
Çaykent’te doğdu. 1990 yılında
Orta Doğu Teknik Üniversitesi,
Metalürji
Mühendisliği
Bölümü’nden Lisans derecesini,
1993’de ise Yüksek Lisans
derecesini aldı. Yüksek lisans
tezi “O.D.T.Ü., Prof. Dr. Mustafa N. Parlar Tez
Ödülü”ne layık görülmüştür. Doktora çalışmalarını 2001 yılında Anadolu Üniversitesi Seramik
Mühendisliği Bölümü’nde tamamladı. 2001 yılından beri Anadolu Üniversitesi, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü’nde öğretim üyesi
olarak görev yapmaktadır. Science Citation
Index (S.C.I) tarafından taranan dergilerde basılmış ya da baskıda olan 11 adet makalesi bulunmaktadır. Dört adet bilimsel araştırma projesinin yürütücülüğünü gerçekleştirmiştir. DAAD
ve TÜBİTAK-NATO B2 bursları ile iki yıl süreyle yurt dışında bilimsel araştırmalarda bulunmuştur. İlgi alanları arasında seramik-metal
kompozitler, köpük metaller ve X-ışını teknikleri yer almaktadır. Evli ve bir çocuk babasıdır.
3

Silisyum Karbür–Alüminyum Karma Yapılarında Alüminyum Karbür

Transcription

Similar documents