Nikel esaslı metalik camların kristallenme davranışlarının incelenmesi
Investigation of crystallization behavior of nickel based metallic glasses
Yazar: ENES ERSÖZ
Danışman: DOÇ. DR. ZİYA ÖZGÜR YAZICI
Afyon Kocatepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Metal matrisli kompozitler = Metal matrix composites ; Metalik cam = Metallic glass ; Monokristaller = Monocrystals ; Yapay yaşlandırma = Artificial aging

Özet:
Bu çalışmada, Ni-Co-W-B metalik cam alaşım ailesi içerisinde yer alan iki farklı kompozisyon (Ni35,116Co24,184W23,7B17 ve Ni32,75Co22,55W23,7B15Nb6) ele alınmıştır. Çalışma, bu metalik camların kristallenme davranışı üzerine yürütülmüştür. Numune üretiminin ardından farklı ısıtma hızlarında (5, 10, 20, 40 ve 50 K/dk.) diferansiyel taramalı kalorimetre analizi (DSC) yapılmıştır. Isıtma hızının artırılması ile karakteristik sıcaklıklarda (Tg, Tx ve Tp) artış görülmüştür. Özellikle Ni32,75Co22,55W23,7B15Nb6 alaşımının kristallenme basamaklarının ısıtma hızına daha hassas olduğu saptanmıştır. Niyobyum içeren alaşımın aşırı soğutulmuş sıvı bölge aralığının diğer alaşıma göre daha büyük olduğu tespit edilmiştir. Bu durum camlaşma kabiliyetini değerlendirmek için yeterli olmasa da gelişme gösterdiğine işaret etmiştir. Ayrıca daha geniş aşırı soğutulmuş sıvı bölgesinin görülmesi, Nb elementinin varlığı ile ilişkilendirilmiştir. Bu durum, termal kararlılığın gelişimine sağlanan katkının bir göstergesi olarak değerlendirilmiştir.  Termal analizler, Nb içeren alaşımın kristallenme bölgelerindeki karakteristik sıcaklıkların Ni35,116Co24,184W23,7B17 alaşımına göre daha yüksek sıcaklıklara kaydığını göstermiştir. Dolayısıyla Ni32,75Co22,55W23,7B15Nb6 alaşımına ait termal kararlılığın geliştiği yönünde izlenim oluşmuştur. Kinetik incelemeler, Kissinger ve Ozawa yaklaşımları kullanılarak yapılmıştır. Yaklaşımların karakteristik sıcaklıklara bağlı fonksiyonları kullanılarak aktivasyon enerji değerleri değerlendirilmiştir. Ni35,116Co24,184W23,7B17 ve Ni32,75Co22,55W23,7B15Nb6 alaşımının birincil kristallenme aktivasyon enerji değerlerinin birbirine yakın olduğu tespit edilmiştir. Ek olarak alaşımların kristallenme başlangıcı ve büyüme sürecini bölgesel olarak değerlendirmek amacıyla yerel aktivasyon enerji değerleri tespit edilmiştir. Ayrıca, Kissinger eşitliğinden faydalanılarak Ni35,116Co24,184W23,7B17 ve Ni32,75Co22,55W23,7B15Nb6 alaşımına ait sürekli ısıtma dönüşüm (CHT) diyagramlarının alt bölümleri teorik olarak saptanmıştır. Teorik hesaplamalara ait dönüşüm diyagramları, belirli sıcaklık-süre ilişkisine ait ısıl işlemler ile doğrulanmıştır. Bu amaçla, tamamen amorf yapıda üretilen numunelere rastgele seçilen farklı sıcaklık ve bekletme süreleri boyunca ısıl işlem uygulanmıştır. X-ışını kırınım analizi (XRD) aracılığıyla her bir numunenin mikroyapısında çökelen fazlar hakkında bilgi edinilmiştir. Isıl işlemi yapılmış amorf numunelerin analizleri, ısıl işlem sürecinde sırasıyla nikel katı çözeltisi (Niss) ve CoWB kristal fazlarının çökeldiğini göstermiştir.  Ayrıca, XRD analizinde tespit edilen kristal fazların CHT diyagramlarında yer alan faz sınırı bölgeleri ile uyum sergilediği gözlenmiştir.

Son olarak Ni35,116Co24,184W23,7B17 ve Ni32,75Co22,55W23,7B15Nb6 alaşımlarının amorf ve kristallendirilmiş hallerinin mekanik özellikleri hakkında bilgi edinmek amacıyla belirli sıcaklık ve sürelerde ısıl işlem görmüş numunelerin mikrosertlik değerleri ölçülmüştür. Ölçüm sonucu, sıcaklıkla birlikte çökelmiş olan nano boyutlu fazların sertlik değerini kademeli olarak artırdığını ortaya koymuştur. 900K'de 0-500dk. süreleri boyunca ısıl işlemi yapılan Ni35,116Co24,184W23,7B17 alaşımının sertlik değerleri, 1231-1448 HV aralığında ölçülmüştür. Nb katkılı Ni32,75Co22,55W23,7B15Nb6 alaşımının mikrosertlik değerleri ise 1259-1530 HV aralığında ölçülmüştür. Yapı içerisinde yüksek miktarda ve nano boyutta çökelen ultra yüksek sertliğe sahip CoWB fazı kristallerinin sertlik değerlerinde artışa neden olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
In this study, two different compositions (Ni35,116Co24,184W23,7B17 and Ni32,75Co22,55W23,7B15Nb6) in the Ni-Co-W-B metallic glass alloy family were discussed. The study was carried out on the crystallization behavior of these metallic glasses. After sample production, differential scanning calorimetry analysis (DSC) was performed at different heating rates (5, 10, 20, 40 and 50 K/min.). The characteristic temperatures (Tg, Tx and Tp) increased with increasing heating rate. Especially, it was determined that the crystallization steps of Ni32,75Co22,55W23.7B15Nb6 alloy are more sensitive to the heating rate. It has been determined that the subcooled liquid region range of the niobium-containing alloy is larger than the other alloy. Although this was not enough to evaluate the glassing ability, it showed improvement. In addition, the appearance of a larger supercooled liquid region was associated with the presence of the element Nb. This was evaluated as an indicator of the contribution made to the improvement of thermal stability. Thermal analyzes showed that the characteristic temperatures in the crystallization zones of the Nb-containing alloy shifted to higher temperatures compared to the Ni35,116Co24,184W23.7B17 alloy. Therefore, the impression has been formed that the thermal stability of the Ni32,75Co22,55W23.7B15Nb6 alloy has improved. Kinetic studies were performed using the Kissinger and Ozawa approaches. Activation energy values were evaluated by using the characteristic temperature-dependent functions of the approaches. It has been determined that the primary crystallization activation energy values of Ni35,116Co24,184W23,7B17 and Ni32,75Co22,55W23,7B15Nb6 alloys are close to each other. In addition, local activation energy values were determined in order to evaluate the crystallization initiation and growth process of the alloys locally. In addition, by using the Kissinger equation, the subsections of the continuous heating transformation (CHT) diagrams of Ni35,116Co24,184W23,7B17 and Ni32,75Co22,55W23,7B15Nb6 alloys were determined theoretically. The transformation diagrams of the theoretical calculations have been verified by the heat treatments of certain temperature-time relationship. For this purpose, heat treatments was applied to the samples produced in completely amorphous structure during randomly selected different temperatures and holding times. Through X-ray diffraction analysis (XRD), information was obtained about the phases precipitated in the microstructure of each sample. Analysis of the heat-treated amorphous samples showed that the nickel solid solution (Niss) and CoWB crystal phases precipitated, respectively, during the heat treatment process. In addition, it was observed that the crystal phases detected in the XRD analysis showed harmony with the phase boundary regions in the CHT diagrams.

Finally, in order to obtain information about the mechanical properties of the amorphous and crystallized forms of Ni35,116Co24,184W23,7B17 and Ni32,75Co22,55W23,7B15Nb6 alloys, the microhardness values of the samples aged at certain temperatures and times were measured. The measurement result revealed that the nano-sized phases precipitated with temperature gradually increased the hardness value. The hardness values of Ni35,116Co24,184W23,7B17 alloy aged at 900K for 0-500 minutes heat treatment times were measured in the range of 1231-1448 HV. The microhardness values of the Nb-doped Ni32,75Co22,55W23,7B15Nb6 alloy were measured in the range of 1259-1530 HV. It was determined that the ultra-high hardness CoWB phase crystals, which precipitated in high amounts and nanoscale in the structure, caused an increase in the hardness values.