Dinamik
termokimyasal yöntemle TiB2+B4C kompozit toz üretimi / Production of B4C + TiB2 composite powder via dynamic / carbothermal reduction
Yazar: YUNUS EMRE VATANDAŞ
Danışman: PROF. DR. ALİ OSMAN KURT
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Savunma ve Savunma Teknolojileri = Defense and Defense Technologies

Özet:
Teknik seramikler, ülkemizin önemli araştırmaları arasında yer alan, maliyetin geri planda olduğu ve performansın ön plana çıktığı savunma, havacılık ve uzay uygulamaları gibi alanlarda kullanılmaktadır. Bor karbür (B4C), karbür esaslı teknik seramik malzemelerinden olup düşük yoğunluk, yüksek erime noktası ve mukavemeti nedeniyle birçok uygulama için tercih edilen önemli bir malzemedir. Titanyum diborür (TiB2) ise borür esaslı teknik seramik malzemelerden olup yüksek sıcaklık dayanımı nedeniyle kullanım alanı oldukça fazladır.

Her iki malzemenin (B4C, TiB2) gerek kaliteli hammadde tozlarının teminindeki zorluklar ve gerekse şekilli parça üretimindeki bazı kısıtlar nedeniyle yaygın kullanılabilirlikleri sınırlanmaktadır. Hammaddelerinin tozlarının pahalı olmasının dışında şekilli parça üretimlerinde basınçlı veya vakumlu pahalı zor sinteleme süreçlerinin kullanılma zorunluluğu vardır. Bu malzemelerin monolitik (tek) fazda sinterlenmesi son derece zordur. Sinterlemede gözeneksiz yapı elde edebilmek, çok yüksek sıcaklıklara (1800°C'yi aşan sıcaklıklara) çıkılmasını gerektirmektedir. Bu nedenle sıvı faz sinterleme veya çok fazlı (kompozit formda) sinterlemeleri önemli oranda üretim avantajı sağlamaktadır. Bu nedenle bu tozların sinterlenebilirliği sağlayacak nitelikte (örneğin kompozit formda) üretilmelerinin önemli faydalar sağlayabileceği değerlendirilerek bu tez başlanılmıştır.

Bu çalışmada kompozit formda B4C-TiB2 tozunun yenilikçi bir yöntem olan dinamik / karbotermal indirgeme (DKTİ) yöntemi kullanılarak üretimi araştırılmıştır. B4C-TiB2 kompozit sisteminde TiB2, bu sistemin sinterlenmesini kolaylaştırmaktadır. Bu nedenle bu çalışmada B4C – TiB2 kompozit tozunun tek aşamalı olarak ve ticari olarak üretilen tozlara kıyasla daha ince taneli yapıda ve ekonomik olarak üretilebilirliği üzerine odaklanılmıştır. Bu kapsamda, B4C - TiB2 ikili toz karışım sistemi, bor oksit (B2O3), karbon karası (C), titanyum oksit (TiO2) ve minör katkılar ile çekirdekleştirici etkisi yapan B4C tozları kullanılarak farklı parametrelerde argon atmosferi altında tek aşamalı olarak DKTİ yöntemi ile üretilebilmiştir. DKTİ ile kompozit formda toz üretimi ilk kez ve B4C ve TiB2 ikili sistemi için denenmiş ve başarılı sonuçlara ulaşılmıştır.

Abstract:
Technical ceramics materials are used in defense, aviation and aerospace applications where cost is secondary and the performance is among the most important. Boron carbide (B4C) is a carbide based technical ceramic powder and is preferred for many applications due to its low density, high melting point and strength. Titanium diboride (TiB2), is made of boride-based technical ceramic materials and has found usage area because of its high temperature resistance. 

However, both materials are expensive to obtain and are not easily accessible due to existing production technologies, this limiting their widespread use. Apart from the raw materials, another reason for these materials being expensive is the necessity to use expensive sintering processes and it is extremely difficult to sinter them in the monolithic phase. The ability to achieve a non-porous structure requires to have very high temperatures (temperatures above 1800°C). 

In this study, an innovative method, dynamic / carbothermal reduction (DCR) and in addition carbothermal reduction (CR) was used in synthesizing B4C - TiB2 composite system, where TiB2 facilitates sintering of this system. Therefore, this study focuses on production of high quality (high purities, fine and uniaxial grains of homogeneous size distributions) of B4C - TiB2 composite powder. In this context, the B4C - TiB2 binary system was produced by using single-stage DCR technique under argon atmosphere at different parameters using boron oxide (B2O3), carbon black (C), titanium oxide (TiO2) and with minor amount of B4C additives. Powder production in composite form has been tried with DCR method for the first time for B4C and TiB2 binary composite powder system and successful results have been achieve.