Toz metalurjisi yöntemi ile üretilen titanyum esaslı malzemenin mikroyapı ve mekanik özelliklerinin araştırılması
Investigation of the microstructure and mechanical properties of titanium-based-material produced by powder metallurgy technique
Yazar: HUSAIN RAJAB HUSAIN HRAAM
Danışman: DOÇ. DR. SERKAN ISLAK
Kastamonu Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Titanyum = Titanium

Özet:
Son yıllarda toz metalürjisi yöntemi ile üretilen titanyum-bakır esaslı malzemeler gelişmiş mekanik özellikler ve biyouyumluluk sergileme potansiyelleri nedeniyle önemli bir popüleriteye sahiptir. Bu tez çalışmasında Ti-Cu esaslı alaşımlar hem reaktif ergiyik infiltrasyon hem de sıvı faz sinterleme tekniklerinin eş zamanlı uygulanmasıyla üretilmiştir. Reaktif ergiyik infiltrasyon tekniğini uygulamak için titanyum içerisine gözenek oluşturucu malzeme olarak ağırlıkça %10, %15 ve %20 oranlarında stearik asit ilavesi yapılmıştır. Reaktif ergiyik emdirme tekniğiyle üretilen malzeme tabakasının esas malzemeye uyumunu sağlamak için, bu tabakanın alt kısmına titanyum içerisine ağırlıkça %10, %15 ve %20 bakır ilavesi yapılmıştır. Daha sonra reaktif ergiyik infiltrasyon yapılacak tabakanın üstüne bakır tozu konularak soğuk preste tabakalı olarak üretilmiştir. Soğuk preslenen numuneler 1100 ºC ve 1200 ºC'de sinterleme sıcaklıklarına tabi tutularak ergiyik haldeki bakırın titanyum taneleri arasına, doğal gözeneklere ve stearik asitin buharlaşmasıyla oluşan gözeneklere sızması sağlanmıştır. Bu şekilde reaktif ergiyik infiltrasyon ve sıvı faz sinterleme işlemleri aynı anda gerçekleştirilmiş olur. Literatürde bu şekildeki bir üretim sürecini içeren çalışmaya rastlanmamıştır veya tespit edilememiştir. Numunelerin mikroyapı ve faz oluşumu tespiti için optik mikroskop, taramalı elektron mikroskobu ve X-ışını difraksiyonu analizleri kullanılmıştır. Numunelere sertlik ve yoğunluk testleri uygulanmıştır. Numunelerin çapraz kırılma dayanımlarını belirlemek için üç noktalı eğme testi yapılmıştır. Mikroyapı sonuçlarına göre yapıda iki tip mikro yapı (ötektoid ve ötektoid üstü) oluşmuştur. Ötektoid yapı, α-Ti+Ti2Cu oluşumundan ibarettir. Sıcaklığın ve bakır miktarının artmasıyla Ti2Cu intermetalik fazı daha da belirginleşmiştir. Bu intermetalik fazın artması sertliğin artşına sebep olmuştur. Sinterleme sıcaklığının artması çapraz kırılma dayanımını arttırırken, bakır miktarının artması gözenek oluşumundan (doğal gözenek ve üretilen gözenek) dolayı düşüşe neden olmuştur. Kırılma yüzeyinin morfolojisine göre numunelerde gevrek transgranüler ve kısmen sünek kırılma meydana gelmiştir.

Abstract:
In recent years, titanium-copper based materials produced by powder metallurgy method have gained an important popularity due to their improved mechanical properties and their potential to exhibit biocompatibility. In this thesis, Ti-Cu based alloys were produced by applying both reactive melt infiltration and liquid phase sintering techniques simultaneously. In order to apply the reactive melt infiltration technique, 10%, 15% and 20% by weight of stearic acid was added into titanium as a pore forming material. In order to adapt the material layer produced by the reactive melt infiltration technique with the main material, 10%, 15% and 20% copper by weight was added into the titanium at the bottom of this layer. Later, copper powder is placed on the layer to be infiltrated with reactive melt and produced in cold press as a layer. Cold pressed specimens are subjected to sintering temperatures at 1100 ºC and 1200 C, allowing molten copper to leak between titanium grains, natural pores and the pores formed by the evaporation of stearic acid. In this way, reactive melt infiltration and liquid phase sintering processes are performed simultaneously. No study involving such a production process has been found or detected in the literature. Optical microscope, scanning electron microscope and X-ray diffraction analyzes were used to determine the microstructure and phase formation of the samples. Hardness and density tests were applied to the samples. Three-point bending test was performed to determine the transverse rupture strength of the samples. According to the microstructure results, two types of microstructures (eutectoid and hypereutectoid) were formed in the structure. The eutectoid structure consists of the formation of α-Ti + Ti2Cu. The Ti2Cu intermetallic phase became more pronounced with the increase in temperature and copper content. The increase of this intermetallic phase caused an increase in hardness. While the increase in sintering temperature increased the transverse rupture strength, the increase in the amount of copper caused a decrease due to the pore formation (natural pore and produced pore). According to the morphology of the fracture surface, brittle transgranular and partially ductile fracture occurred in the samples.