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