Kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık sentezi yöntemi ile MoAlB ve Mo-MoAlB intermetalik matrisli kompozit üretimi
Production of MoAlB and Mo-MoAlB via self propagating high-temperature synthesis
Yazar: YELİZ KIZILYEL
Danışman: DOÇ. DR. CEVAT BORA DERİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Bu yüksek lisans tez çalışması çerçevesinde MoAlB alaşımları ilk kez MoO3 ve B2O3 metal oksit tozlarından yola çıkılarak metalotermik redüksiyon süreçlerinden olan kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık sentezi (SHS) yöntemi kullanılarak daha ucuz, daha kolay ve saniyelerle ifade edilebilecek bir hızla üretilmiştir. Bunun yanı sıra bu tez çalışması kapsamında ilk kez Mo-MoAlB intermetalik matrisli kompozitleri de aynı yöntem ile üretilmiştir.
Geçiş metallerinin borürleri bilinen en sert ve en iyi refrakter özellik gösteren malzemeler arasında gösterilmektedir ve eşsiz mekanik, termal ve elektronik özelliklere sahiptirler. Fakat yüksek üretim maliyetleri ve düşük oksitlenme direncine sahip olmaları bu nedeniyle kitlesel olarak üretimi ve kullanım alanları sınırlanmaktadır. MoAlB alaşımı MAX fazına oldukça benzeyen katmanlı bir yapıya sahip üçlü bir geçiş metali borürdür. Katmanlı bir yapıya sahip olması, geçiş metali borürü özellikleri ile katmanlar arasına yerleşen Al metalinin fiziksel ve mekanik özelliklerinin bir kombinasyonuna sahip olmasını sağlamaktadır. Bu bağlamda daha az sert fakat sünek, işlenebilir ve yüksek sıcaklık oksitlenme direnci yüksektir. MoAlB ileri teknolojik malzeme sınıfında yer almakla birlikte araştırma ve geliştirmeye açık bir malzeme olmaktadır. 
Bu çalışmada MoAlB ve Mo-MoAlB intermetalik kompozitini SHS yöntemi ile üretimlerini gerçekleştirmek için çalışmalar yapılmıştır. FactSage 7.2 termokimyasal simülasyon programı kullanılarak yapılan deneyleri için gerekli toz miktarları ve oranları hesaplanmıştır. Bunun sonucunda oksit bileşenler (MoO3 ve B2O3) ve redükleyici metal (Al) istenilen kompozisyonda nihai ürüne ulaşmak amacıyla doğru bir şekilde hazırlanmıştır. Reaksiyonun adyabatik sıcaklığı, redükleyici miktarının nihai ürüne etkisi, adyabatik sıcaklığının etkisi ve sitokiyometrik hesaplamalar FactSage termokimyasal simülasyon programı kullanılarak elde edilmiştir. 
Hedeflenen son ürüne ulaşabilmek amacıyla oksit tozları ve redükleyici olarak seçilen metalin toz formunu içeren karışım sitokiyometrik oranlarda hazırlanmıştır. Karışımın bir pota içerisine yerleştirilip küçük bir enerjiyle tetiklenmesi sonucu çok ekzotermik bir reaksiyonun başlaması sağlanmıştır. Karışım üzerinde bir dalga şeklinde ilerleyen reaksiyon çok kısa sürede tamamlanmasıyla istenilen ürüne ulaşılmasına olanak sağlamaktadır. Böylelikle diğer üretim yöntemlerinin uzun işlem süresi, yüksek maliyetli ekipman gereksinimleri ve çevresel zararları gibi dezavantajları ortan kaldırmıştır. 
FactSage termokimyasal simülasyon programı kullanılarak cüruflaştırıcı (CaO) miktarının reaksiyonun adyabatik sıcaklığa etkisi, nihai ürüne etkisi gösterilmiş ve stokiyometrik hesaplamalar yapılmıştır. Cüruflaştırıcı etkisini incelemek amacıyla 5 deney sistemi hazırlanmıştır ve bunun sonucunda en iyi verim elde ettiğimiz cüruflaştırıcı miktarının, cüruf içerisindeki oranının %20 olduğu sonucuna varılmıştır. Mo-MoAlB intermetalik matrisli kompozit çalışmalarında da bu cüruflaştırıcı oranına bağlı kalınmıştır. 
Bunun yanında FactSage termokimyasal simülasyon programı kullanılarak molibden oksit (MoO3) miktarının arttırılması ile elde edilmiş Mo-MoAlB intermetalik matrisli kompozitinin adyabatik sıcaklığı, redükleyici miktarı, stokiyometrik oranları hesaplanmıştır. Beş deney sistemi simülasyonu yapılmış, hazırlanmış ve gerçekleştirilmiştir. Elde edilen numuneler analiz edilmiş ve intermetalik kompozit mikroyapısını en iyi elde ettiğimiz çalışmaların 1.1 mol MoO3 ve 1.4 mol MoO3 içerikli sistemler olduğu anlaşılmıştır. 
SHS uygulamaları sonucunda elde edilen ürünlere karakterizasyon çalışmaları amacıyla XRD, AAS analizleri yapılmıştır.  Elde edilen ürünlerin mikroyapıları SEM ile incelenmiştir. EDS analizi ile mikroyapı içerisinde ki fazlar tayin edilmiştir. 
Gerçekleştirilen çalışmalar sonucu, kendiğinden ilerleyen yüksek sıcaklık yöntemi ile MoAlB ve Mo-MoAlB intermetalik kompozit üretimlerinin başarı ile gerçekleştiği görülmüştür.

Abstract:
In this study, MoAlB and MoAlB containing molybdenum alloys were produced for the first time via simple and low-cost aluminothermic self-propagating high temperature synthesis (SHS) method from their oxides (MoO3, B2O3).
In the available literature MoAlB was produced by single crystals by crystal growth method, hot pressing method and spark plasma sintering method. However, SHS method is faster and cheaper in comparison to other methods. 
Binary transition metal borides and carbides are among the hardest and most refractory materials. Many of binary transition metal borides have unique combination such as mechanical, electronic, and thermal properties. Therefore, they are crucial in the production of wear resistant coatings, primary battery electrodes, chemical catalysis, and high-temperature structural materials. However binary transition metal production is a costly process and it has poor oxidation resistance when, heated in air. Consequently, their application area is limited.
MAX phases, which have the formula Mn+1AXn (M = early transition metal, A = Al, and X = C or N) and space group P63/mmc, are layered hexagonal crystal structures. The unit cells consist of M6X-octahedra with the X-atoms filling the octahedral sites between the M-atoms. MAX phases have combination of both ceramic and metallic properties. For example, like ceramics, they have low density, high strength, good corrosion and high temperature oxidation resistance; on the other hand, they are electrically conductive, relatively soft and readily machinable, thermal shock resistant, and mechanically rigid and plastic at high temperatures.
Inspired by the success in development of MAX phases, nanolaminated ternary borides MAB phases (M is transition metal, A is Al, and B is boron), which are formed by the interleaving of one or two Al layers into transition metal borides sublattice, were proposed. MAB phases are close structural analogs to MAX phases, the MAB phases are expected to possess excellent properties, such as damage tolerance and thermal shock resistance. 
MoAlB has similar crystal structure with MAX phases, while MoAlB is a binary transition metal boride. MoAlB is a material that is resistant to the oxidation at high temperature.  Because of its unique crystal structure, Al atoms diffuse to surface, where the Al atoms react with O atoms to form a shielding layer of alumina. The alumina layer protects all surface. And MoAlB is a high-tech material because of its unique properties. MoAlB is a material is opened to development. MoAlB was produced via single crystals by crystal growth method, hot pressing method and spark plasma sintering method. MoAlB is ternary transition metals boride and MoAlB has a crystal structure which is similar to MAX phases. 
The SHS process is an energy- and cost-saving processing method for synthesizing a wide variety of materials, including intermetallic compounds, alloys and advanced ceramics, as well as their composites. Experimental studies are consisting of three stages including thermochemical simulation, the SHS process and the product analyse. In the first stage, Stoichiometric ratios, adiabatic temperature had calculated via FactSage 7.2 thermochemical software programme. 
For the experiment MoO3 (76.19% pure and contains 3% Fe and particle size < 63 μm), B2O3 (99.50% pure and particle size <150 μm) and Al (99.7 % pure and particle size <45 μm) CaO (99% pure and particle size <63 μm) are used. B2O3 was obtained by calcination of 99.5% pure boric acid (H3BO3, Eti Holding Inc.) in a nickel crucible 800oC for 2 h followed by milling and sieving.
In order to reach the targeted end product, the oxide powder and the mixture containing the powdered form of the MoO3 powder, B2O3 powder, and Al powder and CaO powder mixture were prepared as reducing agent in a stoichiometric ratio. Following the process of mixing the powders with a mixture for a half hour, after they are dried in the oven for half hour too. 
After the mixing process, 150 g of the powder mixture was charged into the Cu crucible and compacted. W resistance wire was placed on the mixture surface the crucible. Following this step, the reaction performed by go passing electricity into the resistance wire. In the end, the SHS products obtained were discharged, crushed and milled. 
MoAlB compound were produced by SHS production technique with prepared powders.  CaO was added according to FactSage simulation programme to increase the yield of the MoAlB compounds. CaO was decreased the viscosity of slag. Experimental were prepared as CaO ratio in the slag %5, %10, %15, %20, %25. When the ratio of CaO in the slag was 20%, maximum yield was obtained. 
To obtain optimum flux ratio for the best slag metal separation 5 different experiment organized and optimum result was obtained from 20 %wt. in slag CaO value. For the production of Mo-MoAlB, 5 different experiment were conducted, and the optimum result is obtained from 1.1 mol MoO3 and 1.4 mol MoO3 in powders system value. 
XRF, XRD, AAS, SEM and EDS were analysed on the samples.