Plazma püskürtme yöntemi ile BN, B4C ve SiC takviyeli alüminyum kaplamaların üretimi, karakterizasyonu ve aşınma davranışının incelenmesi
Investigation of production with plasma spray method, characterization and wear behaviour of BN, B4C and SiC reinforced al coatings
Yazar: SELDA KAYRAL
Danışman: DOÇ. DR. SALİM ŞAHİN ; PROF. DR. FATİH ÜSTEL
Celal Bayar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Aşınma = Wear ; Kaplama = Coating ; Karakterizasyon = Characterization ; Plazma püskürtme = Plasma spraying

Özet:
Bu çalışmada, farklı takviye malzemeleri ilave edilmiş alüminyum matrisli kompozit kaplamalar atmosferik plazma püskürtme yöntemi kullanılarak, paslanmaz çelik altlıklar üzerine püskürtülmüştür. Matris malzemesi olarak, Metco Sulzer firmasına ait Metco 52C-NS kodlu Al-12Si tozu ve takviye malzemesi olarak ise SiC, B4C ve h-BN kullanılmıştır. Her bir takviye malzemesi ağırlıkça %25 ve %50 oranında matris malzemesi içerisine ilave edilmiştir. Kaplama işlemi yapılmadan önce, toz karışımlarına mekanik alaşımlama işlemi uygulanmıştır. Bu karışım tozlarının, karakterizasyon işlemleri yapılmıştır ve kaplamalar püskürtülmüştür. Kaplama işlemi tamamlandıktan sonra, kaplamaların sırasıyla yüzey pürüzlülük ölçümleri, gözeneklilik ve takviye oranlarının ölçümleri yapılmış, daha sonra kaplama kalınlığı, mikrosertlik, içyapı incelemeleri, aşınma ve SEM ve XRD analizleri gerçekleştirilmiştir. Yapılan aşınma testlerinde, kuru ve saf sulu ortam olmak üzere iki farklı ortam kullanılmıştır. Testler, kuru ortam için, 2N, 5N ve 10N yük altında ve 50m, 100m, 150m ve 200m kayma mesafelerinde; sulu ortam için, 2N ve 5N yük altında 100m ve 200m kayma mesafelerinde yapılmıştır. Kayma hızı 10 cm/s olarak belirlenmiştir. Karşı eleman olarak, Ø6 mm alümina bilya kullanılmıştır. Aşınma kayıpları, ağırlık ve hacim kaybı cinsinden hesaplanmıştır. Ardından, kaplamanın aşınma yüzeylerinden ve karşı elemanın temas yüzeylerinden stereo mikroskop görüntüsü alınmış ve SEM ve EDX analizleri yapılmıştır.Yapılan testler sonucunda, kaplama içeriğindeki takviye oranı arttıkça yüzey pürüzlülüğünün düştüğü görülmektedir. Kaplamaların üst yüzeyinden yapılan kantitatif faz analizinde, takviye oranı arttıkça, kaplamadaki gözeneklilik artmaktadır. Kaplamada içeriğindeki SiC takviyesi oranı, kaplama işleminden önceki toz karışım oranından daha düşüktür. Bunun nedeni, yüksek sıcaklıkta SiC partiküllerinin buharlaşmasıdır. B4C takviyesinin kaplamaya birikmesinde herhangi bir sorun ile karşılaşılmamıştır. Kaplamanın kesitinden yapılan mikrosertlik testlerinde, takviye oranı arttıkça sertlik değerleri artış göstermiştir. En yüksek sertlik değerine %50 B4C ilave edilmiş kaplamalarda ulaşılmıştır. h-BN takviyeli kaplamalarda en kötü mekanik özellikler elde edilmiştir. Çalışmada kullanılan BN'ün hegzagonal yapıda olması nedeniyle bu sonuca varılmıştır.Aşınma testlerinde, en iyi aşınma dayanımına sulu ortam aşınmasında ulaşılmıştır. %50 B4C içeren kaplamalar, sulu ortam için, en iyi aşınma dayanımını vermiştir. Aşınma dayanımlarında, kuru ortama göre, 10 kata varan oranda iyileşmeler kaydedilmiştir.Bunun nedeni su ortamında karşı elemanla kaplama arasında oluşan Si(OH)4 kolloidal jel oluşumundan kaynaklanmaktadır. Bu yapının oluşumu da kolorimetrik analiz yapılarak ispat edilmiştir.

Abstract:
In this study, aluminium matrix composite coatings with different reinforcement materials were sprayed on stainless steel substrates by using atmospheric plasma spraying method. Metco 52C-NS coded Al-12Si powder of Metco Sulzer company was used as matrix material and SiC, B4C and h-BN were used as reinforcement materials. Each reinforcement materials were added into matrix material 25%wt and 50%wt. Before coating process, mechanical alloying was proceeded to powder mixtures. Charecterization of these powder mixtures was made. Then coatings were sprayed. After the surface roughness, porosity and reinforcement rates of coatings were measured, coating thickness, microhardness, microstructure investigation, wear tests, SEM and XRD analysis were made.Two different conditions (dry sliding and distilled water) were used in wear tests. Tests were maintained with 2N, 5N and 10N loads and sliding distances of 50m, 100m, 150m and 200m for dry sliding and with 2N and 5N loads and sliding distances of 100m ve 200m for distilled water. Sliding speed was 10 cm/s. Ø6 mm alumina balls were used as counter material. Wear loss was calculated in terms of weight and volume. Stereo microscope photographs was taken from wear surfaces and contact points of counter material and SEM-EDX analysis was made.According to the results of the tests, it was observed that surface roughness had been decreasing by the increase at the rate of reinforcement in content of coating. In quantitative phase analysis made by using the surface of coatings, porosity had been increased by reinforcement rate. The rate of SiC reinforcement in the content of coating were less than the rate before coating process. That arised from the vaporization of SiC particles at the high temperatures. Differences were not encountered in B4C reinforced materials, as in SiC reinforced materials. In the micro hardness tests made by using cross section of coatings, hardness increased by the increasing rate of reinforcement. The highest hardness value was reached in the coatings with 50% B4C reinforced. The worst mechanic values was reached in the h-BN reinforced coatings, because BN used in the study had hexagonal structure.The best wear resistance was measured in wear tests which was in distilled water and especially with 50% B4C reinforced coatings. In distilled water condition, the results were better up to 10 times than in dry conditions. This was the result from forming Si(OH)4 colloidal gel between the counter material and coating in distilled water condition. This gel formation was proved by colorimetric analysis.