Yüksek entropili alaşımlarda mikroyapı oluşumu ve alaşım elementlerinin yapıya etkileri
Microstructure formation in high entropy alloys and the effects of alloy elements on structure
Yazar: AZMİ ERDOĞAN
Danışman: PROF. DR. SAKİN ZEYTİN
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Araştırmacılar son yıllarda en az 5 elementten eşit veya eşite yakın oranlarda oluşan ve daha tok, daha dayanıklı, düşük sıcaklıklarda bile daha sünek yeni bir metal alaşımı meydana getirmişlerdir. Çok bileşenli veya yüksek entropili olarak adlandırılan bu alaşımlar krom, mangan, demir, kobalt ve nikel gibi elementler içererek sıradan alaşımlara benzemekle beraber baskın bir element varlığı söz konusu değildir.  Bu alaşımlar çok yeni olmamakla birlikte ancak daha yeni yeni test edilebilir özellikler elde edecek şekilde üretilmişlerdir. Bu alaşımlara yüksek entropili alaşımlar denmiştir çünkü alaşımlardaki karışım entropisi yüksektir. Alaşımlardaki karışımın entropisinin artması basit yapıda katı eriyik fazların oluşumunu kolaylaştırarak yapıdaki faz sayısını azaltmaktadır. 

Bu çalışmada, çok bileşenli alaşımlar olarak adlandırılan yüksek entropili alaşımların (HEA) literatürde uygulanan yöntemlerden farklı olarak elektrik akım destekli sinterleme (ECAS) ile çok kısa sürelerde üretilebilirliği araştırılmıştır. Bu amaçla farklı bileşimlerde alaşım konsantrasyonları belirlenerek hem sıvı hal prosesi (ergitme ve döküm) hem de katı hal prosesi (mekanik alaşımlama ve ECAS sinterleme) ile numunelerin üretimleri gerçekleştirilmiştir. FeCrNiCoAlxTiy (x=0,5, y= 0, 0,25, 0,5 ve 1, y=0,5, x= 0, 0,25, 0,5, 1) olacak şekilde bütün alaşımlarda Fe, Cr, Ni ve Co sabit elementler olarak kullanılırken Al ve Ti elementleri farklı oranlarda katılarak alaşımın mikroyapısı ve mekanik özellikleri üzerindeki etkisi araştırılmıştır. İlk üretim sonrası alaşımlara homojenizasyon ısıl işlemi uygulanarak mikroyapısal ve mikrosertlik bazında değişimler incelenmiştir. Son olarak homojenize edilen numuneler oksidasyon testine tabi tutularak alaşımların yüksek sıcaklık oksidasyon direnci belirlemiştir. 

Bu çalışma sonucunda elde edilen bulgulara göre ECAS sinterleme ile diğer yöntemlere nazaran çok kısa sürelerde döküm yapıya benzer alaşımların üretilebildiği görülmüştür. Bununla beraber değişken elementlerin alaşımın mikrosertlik değerlerine önemli ölçüde etki ettiği belirlenmiştir. Yine homojenizasyon ısıl işlemi ile daha homojen yapılar meydana gelmiş olup mikroyapısal ve mikrosertlik bazında değişimler elde edilmiştir. Son olarak gerçekleştirilen oksidasyon testleri ile alaşımlarda yüksek oksidasyon direnci belirlenmiştir.

Abstract:
In recent years, researchers have created a new metal alloy that is constituted at least five elements equal or nearly equal rate and more tough, more strength, more ductile even at low temperatures. These alloys are called as multi compenent or high entropy and they are similar to ordinary alloys containing chrome, manganese, iron, cobalt and nickel but, there is no presence of a dominant element. These alloys were called high entropy alloys since the mixture entropy of alloys is high. Enhancement of mixture entropy of alloys decreases the phase number in structure to make easy occurrence of simple solid solution.

In this study, production of high entropy alloys (HEA) called as multi compenent alloys in very short time ranges was investigated with method of electric current assisted sintering (ECAS) which is different from the methods in the literature. For this purpose, production of specimens was performed by specifying different composition alloys with liquid state process (melting and casting) as well as solid state process (mechanic alloying and ECAS sintering). The elements in the alloys (FeCrNiCoAlxTiy (x=0,5, y= 0, 0,25, 0,5 ve 1, y=0,5, x= 0, 0,25, 0,5, 1)) Fe, Cr, Ni and Co were fixed while Al and Ti were added at different compositions.  The effects of adding Al and Ti on microstructure and mechanical properties were investigated. Changes were observed on the basis of microstructural and micro hardness by applying homogenization heat treatment after the first synthesis. Finally, homogenate specimens were exposed to oxidation test in order to determine high temperature oxidation resistance of alloys.

According to findings of this study, it was observed that alloys similar to casting structure could be synthesized in very short time ranges with ECAS sintering compared to other methods. Therewithal, values of micro hardness of alloys were affected significantly with variable elements in the alloys. More homogeneous structures were obtained with homogenization heat treatment and variations on the basis of microstructure and micro hardness were obtained. In conclusion, higher oxidation resistance in alloys was determined with oxidation tests.