Silisyum karbür takviyeli zirkonya esaslı seramik kompozitlerin sinterlenebilirliği ve mekanik özellikleri
Sinterability and mechanical properties of silicum carbide reinforced zirconia based ceramic composites
Yazar: SELİNAY TOPRAK
Danışman: PROF. DR. BÜLENT AKTAŞ
Harran Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Aşınma = Wear ; Kırılma tokluğu = Fracture toughness ; Silisyum karbür = Silicon carbide ; Sürtünme = Friction ; Zirkonya =

Özet:
Yitriya ile kararlı hale getirilmiş polikristal zirkonya (YSZ), metallere kıyasla yüksek sıcaklıklarda mükemmel özelliklere sahip olması ve yüksek tokluğun yanı sıra yüksek mukavemete, düşük termal genleşme katsayısına sahip olması nedeniyle birçok yapısal uygulamalar için ilginç bir malzemedir. Bu özelikler, birçok farklı yapı türlerinde kullanım için onu iyi bir aday yapar. Ancak YSZ darbelere karşı çok sağlam bir malzeme değildir ve kullanım alanını genişletmek için mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi gereklidir. Bu yüzden, bu çalışmada %8 mol yitriya ile kararlı hale getirilmiş zirkonyanın (8YSZ) yapısal özelliklerine, sertliğine, kırılma tokluğuna ve tribolojik özelliklerine SiC katkısının etkisi taramalı elektron mikroskobu (SEM), X-ışınımı difraksiyonu (XRD), Vickers sertlik cihazı ve pin-on-disk tipi aşınma cihazı kullanılarak araştırılmıştır. 8YSZ ve ağırlıkça %1-15 oranlarında SiC tozları kolloidal işlemle alaşımlanarak numuneler üretildi. Ağırlıkça %1-15 oranlarında SiC katkılı 8YSZ numuneler 1400°C-1500°C sıcaklıklarda 2 saat süre sinterlendi. 1450°C sinterleme sonrası, ağırlıkça %15 SiC katkısı ile 8YSZ'nin relatif yoğunluğu %98'den %63'e düşmüştür. Sinterleme sonrası SiC katkılı 8YSZ numunelerin SEM mikroyapıları 8YSZ matriste %1 oranından sonra SiC'in çözünmediğini ve ikincil faz olarak 8YSZ taneleri etrafında çökeldiğini gösterdi. 8YSZ tane sınırlarında SiC'in ikincil fazlarının bulunması nedeniyle 8YSZ'nin ortalama tane boyutu SiC ilavesiyle 4,34 µm'den 1,95 µm'ye düşmüştür. Ayrıca, Vickers sertlik yöntemiyle ile hem örneklerin sertlikleri hem de kırılma toklukları ölçülmüştür. 8YSZ'ye SiC ilavesi sertlikte bir miktar azalma meydana getirirken kırılma tokluğunda ise 1.65 MPa.m0.5'ten 4.23 MPa.m0.5 değerine artırmıştır. Ayrıca, SiC ilave edilmiş 8YSZ numunelerin aşınma testleri, 8YSZ disk üzerinde WC seramik bilye karşısında kuru kayma sürtünme koşulları altında, oda sıcaklığında, 3N yük 0,1 m/s kayma hızı ve 500 m kayma mesafesinde gerçekleştirildi. Sürtünme ve aşınma testi sonuçları, SiC ilavesi ile 8YSZ'nin sürtünme katsayısında ve aşınma miktarında yüksek miktarda ciddi bir azalma olduğunu gösterdi. Sonuç olarak bu çalışma SiC takviyesiyle 8YSZ seramiklerin mekanik özelliklerinde ve tribolojik özelliklerinde yüksek oranda iyileşmeler olduğunu ortaya koymaktadır.

Abstract:
Yttria stabilized polycrystalline zirconia (YSZ) is an interesting material for many structural applications due to its excellent properties at high temperatures compared to metals, high strength as well as high toughness, low coefficient of thermal expansion. These properties make it a good candidate for use in many different types of structures. However, YSZ is not a very durable material against impacts and its mechanical properties need to be improved to expand its usage area. Therefore, in this study, the effects of SiC additives on the structural properties, hardness, fracture toughness and tribological properties of zirconia (8YSZ) stabilized with 8 mol% yttria were investigated using scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), Vickers hardness device and wear. investigated using the device. Samples were produced by alloying 8YSZ and 1-15% wt SiC powders by colloidal process. 8YSZ samples with 1-15% SiC additives by weight were sintered for 2 hours in the temperature range of 1200°C-1600°C. After sintering at 1450°C, the relative density of 8YSZ decreased from 98% to 63% with 15% by weight SiC additive. SEM microstructures of SiC doped 8YSZ samples after sintering showed that after 1% in 8YSZ matrix, SiC did not dissolve and precipitated around 8YSZ grains as a secondary phase. Due to the presence of secondary phases of SiC at the grain boundaries of 8YSZ, the average grain size of 8YSZ decreased from 4,34 µm to 1,95 µm with the addition of SiC. In addition, both the hardness and fracture toughness of the samples were measured with the Vickers hardness method. The addition of SiC to 8YSZ caused some decrease in hardness and increased fracture toughness from 1.65 MPa.m0.5 to 4.23 MPa.m0.5. In addition, wear tests of SiC added 8YSZ specimens were performed on 8YSZ disc against commercially available WC ceramic ball under dry sliding friction conditions, at room temperature, 3N load, 0,1 m/s sliding speed and 500 m sliding distance. The friction and wear test results showed that the friction coefficient and wear amount of 8YSZ decreased significantly with the addition of SiC. In conclusion, this study reveals that there are high improvements in mechanical properties and tribological properties of 8YSZ ceramics with SiC reinforcement.