B4C ve SiC katkılı ti6al4v alaşımının spark plazma sinterleme yöntemi ile üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of B4C and SiC added Ti6Al4V alloy via spark plazma sintering method
Yazar: ROJDA ŞARA
Danışman: PROF. DR. FİLİZ ŞAHİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Titanyum ve alaşımları havacılık, biyomedikal ve sanayi uygulamalarında sıkça tercih edilmektedir. Üstün kimyasal ve mekanik özellikleri göz önünde bulundurulduğunda Ti6Al4V alaşımı titanyum ve alaşımları içerisinde en sık kullanılan alaşımdır. Yüksek mukavemeti ve düşük elastisite modülü nedeniyle Ti6Al4V alaşımı öne çıkmaktadır. Fakat düşün sertliği, aşınma dayanımı ve mekanik özelliklerinin geliştirilmesi için çalışmalar sürdürülmektedir.
Bor karbür, elmas ve kübik bor nitrürün ardından en sert malzemedir. Yüksek ergime sıcaklığı, sertliği, düşük yoğunluğu, kimyasal malzemelere karşı direnci, nötron absorblama kabiliyeti ve üstün mekanik özellikleri nedeniyle karbürler arasında öne çıkmaktadır. Ti6Al4V alaşımının mekanik özelliklerini geliştirmek amacıyla B4C'nin bu çalışmada katkı malzemesi olarak tercih edilmesinin öne çıkan nedeni yüksek sertliği ve düşük yoğunluğudur.
Silisyum karbür 1000 ˚C ve üzeri sıcaklıklarda mekanik özellikleri koruması ve yüksek sertlik sergilemesi nedeniyle otomobil debriyajlarında, fren sistemlerinde ve kurşun geçirmez yeleklerde kullanılmaktadır. Diğer yandan silisyum karbür geleneksel aşındırıcılar içerisinde en sert malzemedir. Ti6Al4V alaşımının yapısına katılarak mekanik özelliklerini geliştirmek ve yeni mikroyapılar mimarileri oluşturmak için SiC bu çalışmada katkı malzemesi olarak kullanılmıştır.
Bu çalışma içerisinde havacılık ve biyomalzeme alanlarında yaygın olarak kullanılmakta olan Ti6Al4V alaşımının B4C ve SiC katkısı kullanılarak Spark Plazma Sinterleme yöntemi ile üretimi neticesinde çekilme ve ısınma davranışına, yoğunluk, sertlik, mikroyapı, basma mukavemeti ve aşınma direnci özelliklerine etkisi incelenmiştir.
Spark Plazma Sinterleme yöntemi sırasında başlangıç tozları olarak Ti6Al4V (TLS Tecknik), B4C (HC Starck) ve SiC (HC Starck) kullanılmıştır. Katkı kullanılmadan gerçekleştirilen katkısız Ti6Al4V üretiminde argon atmosferinde 1100 ˚C'de, 50 MPa basınçta, 50 ˚C/dk ısıtma hızı ile 5 dk süre deney parametresi olarak belirlenmiştir. Deneyler argon atmosferi altında gerçekleştirilmiştir. B4C ve SiC katkısı kullanılarak gerçekleştirilen deneylerde Ti6Al4V + %1 B4C, Ti6Al4V + %2 B4C, Ti6Al4V + %3 B4C, Ti6Al4V + %1 SiC, Ti6Al4V + %2 SiC ve Ti6Al4V + %3 SiC toz karışımları da aynı parametreler uygulanarak sinterlenmiştir. Çekilme göz önünde bulundurulduğunda Spark Plazma Sinterleme yöntemi ile üretimi sırasına katkısız Ti6Al4V numunesinde çekilme aralığı 660-944 ˚C iken, %1 B4C katkısı ile 660-1004 ˚C, %2 B4C katkısı ile 660-986 ˚C ve %3 B4C katkısı ile bu değer 660-1033 ˚C B4C aralıkları gözlemlenmiştir. Diğer yandan %1 SiC katkısı ile 660-1003 ˚C, %2 SiC katkısı ile 660-1015 ˚C ve %3 SiC katkısı ile bu değer 660-973 ˚C B4C aralıkları gözlemlenmiştir. 
Rölatif yoğunluk ölçümleri neticesinde katkısız Ti6Al4V numunesinin yoğunluğu %99,08 iken bu değerin %3 B4C ve %3 SiC katkısı ile teorik yoğunluğa %100 ulaştığı gözlemlenmiştir.
Üretilen numunelere XRD faz analizi yapıldığında ise Spark Plazma Sinterleme sonucunda α ve β fazlarının yapıda bir arada bulunduğu anlaşılmıştır. Diğer yandan B4C ve SiC katkıları ile sırasıyla XRD analizlerinde TiB2 ve TiC faz oluşumu gerçekleşmiştir.
Vickers mikrosertlik ölçümlerinde ise B4C katkısı ile doğru orantılı olarak sertlik değeri artmış katkısız numunede sertlik 328HV iken %3 B4C katkılı numunede bu değer 481HV değerine ve %1 SiC katkılı numunede 505HV değerine ulaşmıştır.
Mikroyapı analizlerinde optik mikroskop görüntülerinden yola çıkılarak katkısız Ti6Al4V numunesindeki ince lameller halindeki α fazının yapısının %3 B4C ile katkılandırıldığında kırılarak ağ yapısına benzer bir mikroyapı oluşturduğu gözlemlenmiştir. Bunun nedeni olarak bor bazlı biz malzeme olan B4C katkısı neticesinde Ti-B arasında etkileşim neticesinde oluşan TiB2 fazının etkisi olduğu öngörülmektedir. B4C katkısı ile oluşan TiB2 fazları aynı zamanda SEM-EDS analizleri neticesinde de doğrulanmıştır. SiC katkılı numunelerin mikroyapı analizleri neticesinde yapıda TiC fazının oluşumu gözlemlenmiştir. Aynı zamanda oluşan yeni TiC fazı SEM-EDS analizlerinde de doğrulanmıştır.
Basma testi neticesinde B4C katkısı ile doğru orantılı olarak Ti6Al4V alaşımının basma mukavemetinin arttığı gözlemlenirken, SiC katkılı numunelerde bu değerin katkısız Ti6Al4V numunesinden daha yüksek olmakla beraber katkı miktarı arttıkça azaldığı gözlemlenmektedir. Bunun nedeni olarak yapıda SiC-Ti6Al4V etkileşimi ile oluşan TiC fazının katkı miktarı arttıkça homojen dağılımdan uzaklaşması öngörülmüştür. Katkısız Ti6Al4V'nin basma mukavemeti 1624 MPa iken, bu değer %3 B4C katkısı ile 2090 MPa'ya ulaşırken %1 SiC katkısı ile 2421 MPa değerine ulaşmıştır.
Aşınma testi ile B4C ve SiC katkısı ile Ti6Al4V malzemesinin aşınma alanında gelişme olduğu gözlemlenmiştir. Katkısız Ti6Al4V numunesinin aşınma alanı 14364 μm2 iken bu değer %3 B4C katkısı ile 13406 μm2'ye düşüş gösterirken %1 SiC katkısı ile 11643 μm2'ye düşmüştür.
%1, %2 ve %3 B4C ve SiC katkısı kullanılarak Ti6Al4V'nin Spark Plazma Sinterleme yöntemi ile üretimi neticesinde sertlik, basma ve aşınma değerlerinin büyük ölçüde artış gösterdiği ve mikroyapıda TiB2 ve TiC oluşumu nedeniyle özelliklerin büyük oranda etkilendiği gözlemlenmiştir. Deneyler sonucunda B4C ve SiC katkılı Ti6Al4V alaşımı başaralı bir şekilde üretilmiş olup mekanik özelliklerinde gelişim sağlanmıştır.

Abstract:
In aerospace, biomedical and heavy industry, titanium and its alloys are widely used. Excellent chemical and mechanical properties of Ti6Al4V makes it most popular alloy in titanium. High strength and low elastic modulus of Ti6Al4V makes this alloy the best option for use. Unfortunately, low hardness, wear resistance and need of improvement in mechanical properties makes Ti6Al4V alloy a research area.
Boron carbide is the third hardest material after diamond and cubic boron nitride. High melting temperature, hardness, low density, resistance against chemicals, neutron absorption capability and excellent mechanical properties of boron carbide drive forward this carbide. Because of the aim of developing mechanical properties of Ti6Al4V alloy, boron carbide is used for its high hardness and low density.
Because of its high hardness and sustained mechanical properties up to 1000 ˚C, silicon carbide ceramics are used at automobile clutches and brakes and bulletproof vests. On the other hand, silicon carbide is hardest abrasive in conventional cases. In this study, SiC is used as reinforcement in Ti6Al4V alloy to improve mechanical properties and developing new microstructure architectures.
In this study, Ti6Al4V alloy, which is widely used at aerospace and biomedical applications, is Spark Plasma Sintered with B4C and SiC reinforcements to investigate the effects on properties like displacement and heating behaviour, density, hardness, microstructure, compressive strength and wear resistance.
As starting powders for Spark Plasma Sintering Process, Ti6Al4V (TLS Tecknik), B4C (HC Starck) and SiC (HC Starck) are used. First of all, particle size analysis and X-ray diffraction analysis are carried out to starting powders. According to particle size analysis results, d(0.5) value of Ti6Al4V, B4C, and SiC are 14.966 μm, 2.618 μm and 0.170 μm respectively. X-ray diffraction analysis show specific peaks of used powders. However, X-ray diffraction analysis of as-mixed powders do not show specific peaks of B4C or SiC because the amount of addition elements are 1%, 2%, 3% by weight.
At 1100 ˚C temperature with applying 50 MPa pressure and 50 ˚C/min heating rate and 5 minutes of soaking time pure Ti6Al4V is produced. All of the experiments is carried out under argon atmosphere. For investigating the effect of B4C, Ti6Al4V + %1 B4C, Ti6Al4V + %2 B4C, Ti6Al4V + %3 B4C, Ti6Al4V + %1 SiC, Ti6Al4V + %2 SiC and Ti6Al4V + %3 SiC powder mixtures are used. In case of displacement during Spark Plasma Sintering, temperature of displacement interval is 660-944 ˚C for pure Ti6Al4V, 660-1004 ˚C for 1% B4C reinforced samples, 660-986 ˚C for 2% B4C reinforced samples and 660-1033 ˚C for 3% B4C reinforced samples. Besides, temperature of displacement interval is 660-1003 ˚C for 1% SiC reinforced samples, 660-1015 ˚C for 2% SiC reinforced samples and 660-973 ˚C for 3% SiC reinforced samples. By considering Displacement-Temperature-Time diagrams, in case of starting and ending temperatures of displacement, there is no abnormality.
Relative density of pure Ti6Al4V sample is 99,08 and with addition of B4C and SiC this value is gradually improved. With 1%, 2%, 3% addition of B4C relative density values are reached to 99.72, 99.79 and 100 respectively. On the other hand, with 1%, 2%, 3% SiC addition, the values increases to 99.10, 99.80, 100 respectively. With both addition, samples are fully densified. It can be said that addition of B4C and SiC leads to effective sintering.
When X-Ray diffraction phase analysis is carried out to as-produced samples, it is understood that with Spark Plasma Sintering process at 1100 ˚C temperature, 50 MPa (102 kN) pressure with 50 ˚C/min heating rate and 5 minutes of soaking time, α and β phases exist together at the Ti6Al4V microstructure which is produced without addition of B4C and SiC. With addition of B4C, there are apecific peak of B4C is seen. Besides, as a new phase TiB2 is detected. With addition of SiC, TiC phase formation is detected and for 3% amount of adding, specific peak of SiC is seen.
At Vickers hardness measurements, it is revealed that with increasing amount of B4C, hardness values also increases from 328HV of monolithic Ti6Al4V to 481HV with addition of 3% B4C and to 505HV with addition of 1% SiC. Therefore, 1% amount of SiC addition leads to 53.96% increment.
During microstructure investigations at optical microscopy, it is seen that in Ti6Al4V alloy produced wit Spark Plasma Sintering method, there are thin lamellas of α phase in the microstructure with β phase at the remaining region. It is clear that with addition of B4C to Ti6Al4V, lamellas of α are broken and network like microstructure is formed. According to other researches about Ti6Al4V, it is assumed that addition of boron based materials like B4C forms network like microstructure by forming TiB2 phase with the interaction between Ti and B. According to microstructural analysis of SiC reinforced samples, formation of TiC phase is detected.
Formation of TiB2 phase with the addition of B4C is confirmed with SEM-EDS analysis. Moreover, TiC phase formation is confirmed with SEM-EDS analysis. According to SEM-EDS elemental analysis, α and β phases, which belongs to Ti6Al4V, is confirmed and percentage of V element is higher at β phase than α.
As a result compression test, there is a direct proportion between B4C reinforcement and compressive strength of Ti6Al4V. On the other hand, with addition of SiC reinforcement compressive strength values are higher than monolithic Ti6Al4V, but decreases with increasing SiC content. As a reason of this, with increasing SiC content formed TiC phase by attraction between SiC and Ti6Al4V, exhibits nonhomogenous distribution in the Ti6Al4V matrix.
By wear test of B4C and SiC reinforced Ti6Al4V materials, improvement at wear area is observed. Wear area of monolithic Ti6Al4V is 14364 μm2 and this value is decreased to 13406 μm2 with addition of 3% B4C and 11643 μm2 with addition of 1% SiC. The reason behind this decrease in compressive strength with increasing SiC content is assumed as non-uniform distribution of TiC phase, which is formed via attraction of SiC and Ti6Al4V. Moreover, compressive strength of monolithic Ti6Al4V is 1624 MPa, 3% B4C is 2090 MPa and 1% SiC is 2421 MPa.
1%, 2% and 3% by weight B4C and SiC added Ti6Al4V samples are successfully produced by Spark Plasma Sintering process under argon atmosphere at 1100 ˚C temperature, 50 MPa (102 kN) pressure with 50 ˚C/min heating rate and 5 minutes of soaking time. As a result of experiments, B4C and SiC added Ti6Al4V samples show completely different microstructure and TiB2 and SiC phases are formed. Besides, addition of B4C and SiC under those conditions provide higher density, hardness, compressive strength and wear resistance values.