Kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık sentezi ile üretilen AlCoxCrFeNi yüksek entropili alaşım sistemindeki kobalt oranın değişiminin incelenmesi
Examination of reducing cobalt ratio in AlCoxCrFeNi high entropy alloy system manufactured by self-propagating high temperature synthesis method
Yazar: MELİH YETİŞ
Danışman: DOÇ. DR. CEVAT BORA DERİN ; DR. ÖĞR. ÜYESİ GÜL İPEK SELİMOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Yüksek Entropili Alaşımlar, YEA'lar, son yıllarda alternatif bir ileri malzeme grubu olarak kendini göstermektedirler. Yüksek entropili alaşımlar, içerdiği her bir metalin kendine özgü yüksek derecede sertlik ve mukavemet, iyi süneklik, yüksek korozyon direnci gibi özelliklerini malzeme yapısı içerisinde göstermesine olanak tanımaktadır. Bu sebeple, yüksek entropili alaşımlar, gelecekte yeni nesil mühendislik malzemeleri olmaya aday malzemelerdir.
 
Yüksek entropili alaşımlar, üstün mekanik ve kimyasal özelliklere sahip, eş-atomik ya da eşatomiğe yakın oranlarda beş veya daha fazla ana element içeren ve elementlerin molar oranı %5-%35 arasında değişen katı eriyik alaşımlar olarak tanımlanmaktadır. Yüksek entropili alaşımlar, sahip oldukları eşsiz mekanik ve kimyasal özelliklerden dolayı kullanım alanı olarak geniş bir ölçekte çalışma imkânı sunmaktadır. YEA'ların üretim metotlarından ark ergitme ve mekanik alaşımlama en çok kullanılan üretim yöntemleri olmakla beraber; seçici lazer ergitme (SLM), termal sprey yöntemi, lazer kaplama yöntemi ve magnetron püskürtme yöntemi kullanılarak kaplama olarak üretilmiş YEA türleri de raporlanmıştır. 

Bu yaygın üretim metotlarının yanında, sunduğu maliyet avantajı ve uygulanabilirliğinin görece kolay olması gibi avantajları olan Kendiliğinden İlerleyen Yüksek Sıcaklık Yanma Sentezi, SHS, ile borürler, karbürler, nitrürler, hidrürler, silisitler, karbonitrürler ve intermetalik bileşikler gibi ileri teknoloji malzemeler sentezlenmektedir. SHS tekniğin en önemli özelliği, enerji gereksinimi olmadan sisteme ilk ısının verilmesiyle başlangıç karışımının tutuşması ve reaksiyonun kendiliğinden ilerlemesine olanak sunmasıdır. Bu çalışmanın da dikkat çeken özelliği, yeni nesil malzemeler olarak nitelendirilen YEA'ların, SHS tekniği ile kolay bir şekilde üretilebilmesidir. 
Alternatif bir üretim yöntemi olan Kendiliğinden İlerleyen Yüksek Sıcaklık Yanma Sentezi, SHS, tekniği ile bu çalışmada AlCoxCrFeNi alaşımının kobalt (Co) miktarını belli oranlarda düşürerek (1.00; 0.75; 0.50; 0.25 ve 0.00 mol Co) mekanik yapıya etkisini incelemek ve maliyet avantajı sağlamak amacıyla en uygun kobalt (Co) oranı belirlenmesi amaçlanmıştır. SHS tekniği ile AlCoxCrFeNi yüksek entropili alaşımının üretimi yapılan bu çalışmada, alaşımın elde edilmesi sırasında metal tozu olarak alüminyum (Al) ve metal oksit tozları (Cr2O3, NiO, Fe2O3 ve Co3O4) kullanılmıştır. Numune ürünlerin üretilmesi öncesi, metal ve metal oksit tozlarının FactSage©7.2 termokimyasal modelleme yazılımı sayesinde kütlece oranları belirlenmiştir.

AlCoxCrFeNi yüksek entropili alaşımlarının üretimleri ve X-Ray Fluorescence, XRF analizleri İstanbul Teknik Üniversitesi Metalurji ve Malzeme laboratuvarlarında gerçekleştirilirken; X-Ray Difractometer, XRD ve Taramalı Elektron Mikroskobu, SEM analizleri ise Eskişehir Teknik Üniversitesi Malzeme Bilimi ve Mühendisliği laboratuvarlarında yapılmıştır. XRF analizi sonrası, FactSage©7.2 termokimyasal modelleme yazılımı ile daha önce belirlenen oranların, kompozisyonda yer alan metallerin kütlece oranlarına yakın değerler olduğu belirlenmiştir, bu durum yapılan deneylerin doğruluğunu teyit eder niteliktedir.

Numune ürünlerin üretimi sonrası, ürünlerin faz ve sertlik analizlerinin yapılması için tüm numuneler bakalite alınmıştır. Bakalite alınan numune ürünlerin parlatma işlemleri sonrasında düzgün ve pürüzsüz yüzeyler elde edilmiştir. Ayrıca, SHS ile üretilen numune ürünlerin, alüminyum metali içermesinden dolayı oldukça hafif bir alaşım olduğu görülmüştür.
YEA numunelerinin XRD analizleri sonrası mikro yapılar incelenmiş ve kobalt (Co) oranı düşük olan numune ürünlerde Hacim Merkezli Kübik, HMK, yapıların pikleri saptanmıştır. Kobalt (Co) miktarı arttıkça, kobalt metalinin Yüzey Merkezli Kübik, YMK, kafes yapısına sahip olması ve atomik yarıçapının Alüminyum (Al), Nikel (Ni), Demir (Fe) ve Krom (Cr) elementlerinin atomik yarıçaplarından daha büyük değerde olmasından dolayı AlCoxCrFeNi alaşım sistemi için XRD analizleri incelendiğinde YMK yapılar ortaya çıktığı görülmüştür.
  
Taramalı Elektron Mikroskobu, SEM, analizlerinde ise hızlı soğumalar meydana gelmesinden dolayı mikro yapılarda dendrit kolları görülmüştür. Kobalt (Co) miktarı arttıkça dendrit kolları daralmış ve mikro yapı daha homojen bir yapıya dönüşmüştür. SEM/EDS analizleri sonucunda ise koyu bölgelerin Al – Ni bakımından zengin olduğu ve görece açık renk bölgelerin Cr – Fe açısından zengin kompozisyona sahip olduğu saptanmıştır. 
Numune ürünlerin mekanik davranışları incelenmek istendiğinde Vickers mikrosertlik değerleri belirlenmiştir. Beklenildiği üzere, alaşım sistemindeki kobalt (Co) oranının artışıyla mikro yapıda YMK kafes yapılarının kendini göstermesi sebebiyle, mikro sertlik değerleri azalış eğilimi göstermiştir ancak 0.50 mol Co içeren alaşım numunesinde beklentiye aykırı bir eğilim söz konusudur ve bunun sebebi mikro yapıda A2 (disordered) ve B2 (ordered) faz yapılarına rastlanmamasıdır. 
 
Günümüzde, teknolojinin kısa bir zaman içersinde inanılmaz seviyelere ulaşmasıyla birlikte, üretim yöntemlerinin ticari olarak maliyet avantajı yaratması en önemli kriterlerdendir. İkincil metal üretimlerinin bile ciddi maliyet unsuru olduğu bugünlerde, sadece hammaddede yapılan iyileştirmelerin, maliyet avantajı sunmada yetersiz kalmaktadır. Bu nedenle, sürekli olarak alternatif malzemeler ve alternatif üretim yöntemleri denenmektedir. Bu fikir ile yürütülen söz konusu bu çalışmada, bilinen ancak YEA'lar için henüz çok fazla kullanılmayan bir teknik olan SHS tekniği üzerine literatür araştırması yapılmıştır. Çalışma sonrasında, laboratuvar ortamında ürün (YEA) üretilmesinin mümkün olduğu görülmüştür. Yapılan çalışmalar sonucunda, ileri malzeme türlerinden biri olan AlCoxCrFeNi yüksek entropili alaşımının, laboratuvar ortamında kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık yöntemi, SHS, ile literatür çalışmalarıyla karşılaştırıldığında ilk kez üretildiği görülmüştür.

Abstract:
High Entropy Alloys, HEAs, is the new concept of advanced materials in literature in decades. Regardless one basic element, HEAs, is the candidate for being new generation engineering materials in which all elements may show their specific properties such as hardness, strength, ductility. This is the reason that HEAs may be the candidate for advanced materials in future. 

HEAs are loosely defined as solid solution alloys that contain more than five principal elements in equal or near equal atomic percent (at. %). Normally, the atomic fraction of each component is between 5% and 35%. Recently, high-entropy alloys (HEAs) have attracted increasing attentions because of their unique compositions, microstructures, and adjustable properties such as higher yield strength, better ductility and higher corrosion resistance that why the new concept of materials works on HEAs. Beyond common used manufacturing metods as vacuum arc melt and mechanical alloying, several methods have been reported as selective laser melting (SLM), thermal spray method, laser cladding and magnetron sputtering. 

Besides all methods, Self-Propagating High Temperature Synthesis, SHS, which is enable to manufacture advanced materials as borides, carbides, nitrides, hydrides, silicids, carbonitrides and intermetalic compounds, presents such advantages behalf of cost effectiveness and easier to take place. The most significant property of SHS is that enable no external energy but just needs first flame, thanks to exotermic reacxtion principle. SHS production method is a mode of combustion process and first step of the process can be started with initiation of the powder mixtures by using different techniques (such as flux ignition, laser ignition, heated gas, heating coil, furnace, etc.) to produce a combustion wave. During SHS reactions, reaction temperature can reach up to 4000 °C, propagation velocity of the combustion wave can be between 0,1-15,0 cm/s and heating rate can be up to 106 °C/s. Moreover, this thesis have attracted on both new concept of advanced materials are HEAs and SHS method.  

There are two basic explanations regarding high entropy alloys to understand concept entirely. First, entropy configuration points out at least five pricipal elements to provide higher entropy, then later valance electron concentration notes that there is charactesitic behavior for both BCC and FCC structure: smaller than 6.87 is BCC while bigger than the value of 8.00. According to this approach, specimens were detected as BCC type means higher stregth and hardness value than FCC one. 
Composition and processing determine structure and microstructure, which in turn determine properties. Therefore, As compositions of high-entropy alloys (HEAs) are entirely different from those of conventional alloys because four core effects of HEAs give unique properties to HEAs which are: higher entropy effect, sluggish diffison, severe lattice distortion and cocktail effects.
The objective of this thesis, to examine mechanical behaviour and to provide cost effectiveness by reduced amount of Co ratio (1.00; 0.75; 0.50; 0.25 and 0.00 mole) in AlCoxCrFeNi alloy system manufactured by SHS technique is an alternative method by the help of using raw materials; metal (aluminum) and metal oxides powders (Cr2O3, Fe2O3, NiO and Co3O4) used in SHS method. By means of thermochemical modelling, molar weights of metal and metal oxides were determined by FactSage©7.2 software programme. All raw powder materials were combined and heated in furnace to get rid off moisture about 30 min. Then, powders mixed in turbulamixer around 30 min. and mixture was charged into copper crucible, and initial flame run by power supply. While both manufacturing of AlCoxCrFeNi and XRF analysis were taken place in Istanbul Technical University, XRD and SEM analysis in Eskisehir Technical University. After XRF analysis, confirmation of metal molar weights were detected, so it means that all experiments have been emerged in adiabatic conditions. 
After production step, all samples were put into bacalite and forwarded polishing one to obtain finer and smoother surfaces. Presence of aluminum means all products may have been named as lightweight alloys. 

BCC microstructure peaks were detected including reduced amount of Co after XRD analysis. Due to the fact that Co metal is FCC stabilizer and has bigger atomik size than others, FCC type lattice was detected in XRD analysis. 
Because of faster colling rate, dendrite structures were observed in SEM analysis. Microstructure has been getting homogenized when Co ratio was increased and dendrite arms were narrowed. Examination of EDS analysis, relatively darker zone referred richer phase which was Al – Ni while brighter zone was Cr – Fe.  
 
In the case of mechanical behaviour of HEA samples, Vickers hardness values were determined. As expected, with increased of Co ratio in alloys, as FCC structure was arised, alloy showed decreasing trend in hardness; however the alloy comprised 0.50 mole Co ratio exhibited behave conflictingly because of no A2 and B2 phases were determined in microstructure. AlCoxCrFeNi HEAs show similar morphologies; moreover, the morphology difference between the ID and DC regions reduced as the Co content decreases. 

Cost reduction ways are getting more and more essential item in today, especially technological development has reached to top simultaneously in short time. Even seconder metal production is getting high cost, just in cost reduction on substances is not enough to provide profit for manufacturers. Hence, alternative materials and manufaturing methods have been tried and should be tried near future consistently. This research based on that idea consists of manufacturing HEAs by the help of SHS although SHS method may be used to obtain another materials. 
 
All in all, one of the advanced materials is HEA, AlCoxCrFeNi, was manufatured by self – propagating high temperature synthesis method for the first time when compared in literature.