İri hacimli metalik cam malzemelerin sentezlenmesi ve karakterizasyonu
Synthesis and character?zat?on of bulk metallic glasses
Yazar: ZİYA ÖZGÜR YAZICI
Danışman: DOÇ. DR. YILMAZ YALÇIN ; YRD. DOÇ. DR. METİN ÖZGÜL
Afyon Kocatepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metal Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Teknik Eğitim = Technical Education
Dizin: Metalik cam = Metallic glass

Özet:
Co43Fe20Ta5.5B31.5 iri hacimli metalik cam alaşımı şu ana kadar rapor edilen en yüksek kırılma dayanımına (5185 MPa) sahip metalik cam alaşımlarından birisidir. Ancak bu alaşımın kritik döküm kalınlığı 2 mm ile sınırlıdır. Bu çalışmada, Co43Fe20Ta5,5B31,5 alaşımının camlaşma kabiliyetinin geliştirilmesi hedeflenmiştir. Bu amaçla, Co43-xCuxFe20Ta5,5-zNbzB31,5-ySiy sistemine ilave edilen minör katkıların baz alaşım kompozisyonunun camlaşma kabiliyetine olan etkileri incelenmiştir. Deneysel çalışmalarda yüksek saflıkta toz bileşenler kullanılmıştır. Alaşım kompozisyonları ilk olarak argon gazı atmosferi altındaki ark ergitme işlemi ile master alaşımlar haline getirilmiştir. Daha sonra, uygun miktardaki master alaşımlar kama ve silindirik çubuk şekilli bakır kalıplara dökülmüştür. Döküm işlemleri argon atmosferi altında indüksiyon ve vakum ark döküm yöntemleri ile gerçekleştirilmiştir. Her kesitin tek seferde incelenebilmesine imkan veren kama şekilli numuneler optik mikroskop, SEM ve XRD yöntemleri ile karakterize edilmiştir. Böylece camlaşma kabiliyeti gelişme gösteren kompozisyonlar belirlenmiştir. Daha sonra, bu kompozisyonlar 2-6 mm kalınlığındaki çubuklar halinde vakum emmeli ark döküm yöntemi ile tekrar üretilmiştir. Bu sayede bütün kompozisyonların kritik döküm kalınlıkları tespit edilmiştir. Son olarak, üretilen camsı alaşım kompozisyonlarının Vickers mikro sertlikleri 2,94 N'luk yük altında ölçülmüştür. Sonuç olarak, indüksiyon fırında gerçekleştirilen döküm çalışmaları döküm sıcaklığının alaşımın camlaşma kabiliyetinde önemli etkiye sahip olduğunu göstermiştir. Döküm sıcaklığının artışıyla birlikte, alaşımın camlaşma kabiliyeti artmıştır. Diğer yandan, düşük orandaki bakır katkısının (%0,5-1) baz alaşımın amorflaşmasında olumlu etkiye sahip olduğu belirlenmiştir. Buna ek olarak, silisyum (5 %) katkısı baz alaşımın ergime sıcaklığını düşürürken, camlaşma kabiliyetini de yaklaşık bir buçuk kat artırmıştır. Bakır ve silisyum baz alaşım kompozisyonuna beraber ilave edildiğinde, kritik döküm kalınlığı yaklaşık üç kat gelişme (6 mm) göstermiştir. Bakır, silisyum ve niyobyum katkılı Co42Cu1Fe20Ta2,75Nb2.75B26,5Si5 alaşımının camlaşma kabiliyeti ise yaklaşık 4 mm'dir. Böylece 4-6 mm arasında kritik döküm kalınlığına sahip iri hacimli yeni metalik cam kompozisyonları tespit edilmiştir.Literatürde Co43Fe20Ta5,5B31,5 alaşımının mikro sertlik değeri 1455 Hv olarak rapor edilmiştir. Bu çalışmada üretilen katkılı kompozisyonlar daha yüksek camlaşma kabiliyeti sergilemesine rağmen, mikro sertlik değerleri (~1200 Hv) daha düşüktür.

Abstract:
Co43Fe20Ta5.5B31.5 is one of the bulk metallic glass alloys which has the highest fracture strength (5185 MPa) that has been reported so far. However, this alloy has limited critical casting thickness up to 2 mm. In this study it was aimed to enhance glass forming ability of Co43Fe20Ta5.5B31.5 glassy alloy. For this purpose, effects of minor elements addition on glass forming ability (GFA) of Co43-xCuxFe20Ta5.5-z NbzB31.5-ySiy system were investigated. High purity powder components were used in experimental studies. Firstly, master alloys were prepared by ark melting under argon atmosphere. Then, appropriate amounts of master alloys were cast into a wedge and rod shaped copper molds. Casting processes were performed by induction and suction casting methods under argon atmosphere. The wedge shaped samples allowing to investigate each cross section at once were characterized by optical microscope, SEM and XRD analysis. By this way, compositions exhibiting enhanced glass forming ability were determined. Subsequently, these alloys selected were produced in rod form with diameters 2-6 mm by suction casting method. Thus, critical casting thickness of these alloys were determined. Finally, Vickers hardness of all glassy samples were measured under a load of 2.94 N. As a result, induction melting and casting experiments indicate that casting temperature has a large influence on the glass forming ability of the alloys. With the increase of casting temperature, glass forming ability of the alloy is enhanced. On the other hand, it was determined that minor copper additions (0.5-1 %) have favorable effect on the amorphization of the base alloy. In addition, 5% silicon addition reduced melting temperature as well as enhancing the glass forming ability of base alloy up to one and half times. When copper and silicon were added together to the base composition, critical casting thickness of the alloy increased aproximately three times, which is about 6 mm. GFA of Co42Cu1Fe20Ta2,75Nb2.75B26,5Si5 alloy is about 4 mm. As a result, new bulk metallic glass compositions with high critical casting thickness about 4-6 mm were determined. Also, hardness of Co43Fe20Ta5,5B31,5 alloy reported in the literature was 1455 Hv. Although modified compositions had higher glass forming ability, their hardness values (~1200 Hv) were lower than than the base alloy.