Nano-kristal yapılı yüksek entropi alaşımlarının termal kararlılığının ve mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi
Improvement of the thermal stability and mechanical properties of nano-crystalline structured high entropy alloys
Yazar: MUSTAFA TEKİN
Danışman: DOÇ. DR. HASAN KOTAN
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Mekanik alaşımlama = Mechanical alloying ; Mikrosertlik = Microhardness ; Nanokristaller = Nanocrystals ; Termal kararlılık = Thermal stabilization

Özet:
Yapılan çalışmalarda, eş atomik ya da eş atomik orana yakın kompozisyonlarda en az 5 elementin bir araya gelerek oluşturduğu yeni bir alaşım türü olan Yüksek entropili alaşımlar (YEA) keşfedilmiştir. YEA'lar en az 5 elementin bir araya gelerek oluşturduğu, basit katı çözelti oluşturma yatkınlığı ile geliştirilmiş mikroyapısal ve mekanik özelliklere sahip malzemeler olarak tanımlanmışlardır. YEA'lar geleneksel malzemelere kıyasla özellikle yüksek sertlik/dayanım, üstün aşınma dayanımı, yüksek sıcaklık dayanımı, iyi korozyon direnci gibi geliştirilmiş mekanik özellikler sayesinde son dönemlerde önemli oranda araştırılmakta ve çalışılmaktadır. Bu alaşımların mekanik alaşımlama yöntemi ile üretilmesi sayesinde, mikroyapısal ve mekanik özellikleri daha da geliştirilebilmektedir. Mekanik alaşımlama ile elde edilen nanokristal yapılı malzemelerin sıcaklığa karşı tane büyümesi eğiliminin üstesinden gelebilmek amacıyla, YEA'lar da dahil olmak üzere, alaşım sistemlerine termal kararlılığı artırıcı element ilaveleri yapılmaktadır.
Bu çalışma kapsamında, nanokristal yapılı eşatomik CoCrFeNi alaşımı mekanik alaşımlama yöntemi ile üretilerek, 500 ile 1100 °C arasında tavlanmıştır. Termal kararlılık sağlayıcı ilaveler olarak, İtriyum (Y) ve Zirkonyum (Zr) tozları ana alaşıma atomca %1 ve %4 olacak şekilde ve İtriyum Oksit (Y2O3) tozu da ağırlıkça %1 ve %4 olacak şekilde ilave edilmiştir. Tavlama sıcaklığı ve termal kararlılık sağlayıcıların oranının bir fonksiyonu olarak, mekanik alaşımlanmış ve tavlanmış YEA'ların mikro yapı araştırmaları için X-ışını kırınımı (XRD), odaklanmış iyon ışını mikroskobu (FIB) ve geçirimli elektron mikroskobu (TEM) kullanılmıştır. Sonuçlar, mekanik alaşımlanmış CoCrFeNi alaşımının, 1100 °C'de tavlamadan sonra bile yüzey merkezli kübik (ymk) kristal yapıya sahip olduğunu göstermiştir. Artan tavlama sıcaklıkları ile birlikte CoCrFeNi alaşımının tane büyümesine maruz kaldığı, dolayısı ile termal olarak kararlı bir yapıda olmadığı görülmüştür. Değişen oranlarda Y, Zr ve Y2O3 ilaveleri ile ana alaşımın termal kararlılığının farklı düzeylerde artırıldığı çalışma kapsamında belirlenmiştir. Ayrıca artan tavlama sıcaklığı ile ciddi oranda düşüş gösteren CoCrFeNi alaşımının sertliği, termal kararlılık sağlayıcı ilaveler ile yüksek sıcaklıklarda dahi tane büyümesi engellenerek belirli seviyelerde tutulmuştur.
Sonuç olarak, bu çalışma kapsamında CoCrFeNi alaşımına Y, Zr ve Y2O3 ilaveleri ile elde edilen tane boyutu kararlılığının, nanokristal yapılı CoCrFeNi YEA tozlarının konsolidasyon sürecini basitleştirmesi ve özelliklerinde önemli bir azalma olmaksızın potansiyel yüksek sıcaklıklarda uygulamalarında kullanımına olanak sağlaması beklenmektedir.

Abstract:
In the literature, a new types of alloy designing system consisting principal element in euqiatomic or near equiatomic ratios, was discovered and defined as High Entropy Alloys (HEA). HEAs are defined as materials with improved microstructural and mechanical properties with a tendency to reveal simple solid solutions, formed by the combination of at least 5 elements. HEAs have been studied in recent years, due to their improved mechanical properties such as high hardness/strength, superior wear resistance, high temperature resistance, good corrosion resistance compared to conventional materials. Their microstructural and mechanical properties can be further improved by mechanical alloying method. In order to overcome the grain growth tendency of nanocrystalline materials prepared by mechanical alloying, including HEAs, thermal stabilizer agents are added to alloy systems.
In this study, nanocrystalline CoCrFeNi alloy in equiatomic ratio was produced by mechanical alloying and annealed between 500 and 1100 °C. Yttrium (Y) and Zirconium (Zr) powders were added to the main alloy 1 and 4 at%, and Yttrium Oxide (Y2O3) powder was doped at 1 and 4 wt%. X-ray diffraction (XRD), focused ion beam microscopy (FIB), and transmission electron microscopy (TEM) were used for microstructural investigations of as-milled and annealed YEAs as a function of annealing temperature and added powders. The as-milled CoCrFeNi alloy showed grain coarseningis with increasing annealing temperatures, thus, it is suggested that nanocrystalline CoCrFeNi is not thermally stable. It was determined within the scope of the study that the thermal stability of the CoCrFeNi HEA was imporved at varying ranges with the additions of Y, Zr and Y2O3. In addition, the hardness of CoCrFeNi alloy, which decreased significantly with increasing annealing temperature, was attained at higher values due to inhibited grain growth even at high temperatures with the addition of thermal stabilizers.
Consequently, within the aim of this study, it is expected that the grain size stability obtained by the additions of Y, Zr and Y2O3 to the CoCrFeNi alloy will simplify the consolidation process of nanocrystalline CoCrFeNi YEA powders and allow their use in potential high temperature applications without a significant decrease in their properties.