Kara- deniz silah sistemleri için fonksiyonel kaplamaların geliştirilmesi
Development of functional coatings for land-marine weapons systems
Yazar: NURİYE AKSAKALLI
Danışman: PROF. DR. İHSAN EFEOĞLU ; DR. BERKAY GÜMÜŞ
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Amaç: Genel olarak takım çeliğinden imal edilen makine elemanlarında performans ve ömür artışı amacı ile yüzey özellikleri (mekanik, tribolojik, kimyasal) geliştirilerek fonksiyonel hale getirilebilir. Amorf matrise sahip geçiş metallerinin karbonitrürlerine dayanan üçlü ve dörtlü yapıdaki sert kaplamaların birçok avantajı vardır; bunlar yüksek sertlik, adezyon, aşınma, oksidasyon ve korozyon direncidir. Karbonitrür esaslı kaplamalara belirli miktarlarda farklı geçiş elementlerinin eklenmesiyle fonksiyonel özellikler kazandırılır. Bu çalışma kapsamında amaç, özellikle savunma sistemlerinin alt sistemleri için, çalışma ve çevre koşullarına uygun kaplamalar geliştirmektir.
Yöntem: Bu ince film kaplamaları geliştirmek için hibrit PVD teknolojisi olarak CFUBMS-HiPIMS kullanılarak Zr ve Nb geçiş elementi katkılı TiBCN esaslı kaplamalar ve TiBN:La-hBN kaplamalar 4140 takım çeliği üzerine sentezlendi. TiBCN:Nb/Zr kaplamalar Taguchi L9 deney tasarımı kullanılarak toplamda 18 kaplama, TiBN:La-hBN kaplamalar ise toplamda 9 kaplama 4140 takım çeliği ve silikon taban üzerine biriktirildi. Deneyler sonucu belirlenen optimum parametreler ile ilaveten alt sistem elemanı olarak seçilen dişlilere 9 kaplama daha yapıldı. Cr, Ti, TiB2, Nb, Zr, LaB6 hedefleri ve Ar, N2, C2H2 gazları kullanılarak CFUBMS-HiPIMS ile TiBCN esaslı kaplamalar sentezlendi. Kaplamaların mikroyapısal özellikleri silikon taban üzerindeki kaplamalardan SEM, XRD, XPS kullanılarak elde edildi. Mekanik özellikler ise 4140 çelik taban üzerindeki kaplamalardan Mikrosertlik ve Scratch testleri ile araştırıldı. Tribolojik özellikler oda sıcaklığında atmosfer koşullarında pin-on-disk tribotest cihazı ile 4140 çelik taban üzerindeki kaplamlardan karakteriz edildi. Kaplamaların korozyon özelliklerini belirlemek için tuz sisi korozyon dayanım testi kullanılmıştır
Bulgular: Geçiş tabakası olarak Cr: CrN graded (t~200nm) yapıdaki kaplama üzerine sırası ile Nb ve Zr eklenerek büyütülen TiBCN esaslı kaplamaların ve TiBN: La-hBN kaplamaların kalınlık, sertlik, adezyon ve sürtünme değerleri proses parametrelerine bağlı olarak optimize edildi. TiBN: La-hBN kaplamalarda adezyon değeri 112N ulaştı. TiBCN:Nb kaplamalarında en yüksek adezyon değeri 58N iken TiBCN:Zr kaplamalarında ise 125N olarak elde edildi. TiBCN kaplamasına Nb eklemek yerine Zr ilave edilmesinin, kaplama filmlerinin adezyon değerlerini önemli ölçüde arttırdığı tesbit edildi. Korozyon özelliklerinin ise TiBN: La-hBN kaplamalarında diğerlerine göre daha yüksek olduğu belirlendi.
Sonuç: Çalışma sonucunda TiBCN kaplamalarına Zr ilavesi kaplama adezyon değerlerini daha çok artırmıştır. TiBN: La-hBN kaplamalarında iyi adezyon ve korozyon değerleri elde edildiğinden endüstriyel ve savunma sanayii amaçlı mühendislik uygulamaları için umut vericidir.

Abstract:
Purpose: In general, machine elements made of tool steel can be made functional by improving their surface properties (mechanical, tribological, chemical) in order to increase their performance and life. Ternary ve quaternary hard coatings based on carbonitrides of transition metals with amorphous matrix have many advantages; These are high hardness, adhesion, wear, oxidation and corrosion resistance. The aim of this study is to develop coatings suitable for operating and environmental conditions, especially for subsystems of defense systems. 
Method: In order to develop these thin film coatings, Zr and Nb transition element doped TiBCN-based coatings and TiBN:La-hBN coatings were synthesized on 4140 tool steel using CFUBMS-HiPIMS as hybrid PVD technology.TiBCN:Nb/Zr coatings were deposited on a total of 18 samples, and TiBN:La-hBN coatings were deposited on 4140 tool steel and silicon bases using the Taguchi L9 experimental design. In addition to the optimum parameters determined as a result of the experiments, 9 more coatings were applied to the gears selected as subsystem elements. TiBCN based coatings were synthesized by CFUBMS-HiPIMS using Cr, Ti, TiB2, Nb, Zr, LaB6 targets and Ar, N2, C2H2 gases. The microstructural properties of the coatings were obtained from the coatings on the silicon base using SEM, XRD, XPS. Mechanical properties were investigated with Microhardness and Scratch tests of coatings on 4140 steel base. Tribological properties were characterized by pin-on-disc tribotest device from coatings on 4140 steel base under atmospheric conditions at room temperature. Salt fog corrosion resistance test was used to determine the corrosion properties of the coatings.
Findings: The thickness, hardness, adhesion and friction values of TiBCN-based coatings and TiBN: La-hBN coatings grown by adding Nb and Zr respectively on the Cr: CrN graded (~200nm) coating as the transition layer were optimized depending on the process parameters. TiBN: Adhesion value reached 112N in La-hBN coatings. While the highest adhesion value was 58N in TiBCN:Nb coatings, it was obtained as 125N in TiBCN:Zr coatings It was determined that the addition of Zr to the TiBCN coating, instead of adding Nb, significantly increased the adhesion values of the coating films. Corrosion properties were found to be higher in TiBN: La-hBN coatings compared to the others.
Results: As a result of the study, the addition of Zr to TiBCN coatings increased the coating adhesion values more. TiBN: Since good adhesion and corrosion values are obtained in La-hBN coatings, it is promising for industrial and defense industry engineering applications.