Al2O3 ve ZrO2 katkılı silisyum karbürün sinterlenme davranışlarının incelenmesi ve karakterizasyonu
Investigation and characterization of sintering behavior of Al2O3 and ZrO2 doped silicon carbide
Yazar: UĞUR ÜÇOK
Danışman: DOÇ. DR. FATİH APAYDIN
Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Alüminyum oksit = Aluminum oxide ; Karbür = Carbide ; Refrakter = Refractory ; Silisyum karbür = Silicon carbide ; Sinterleme = Sintering ; Zirkonyum = Zirconium

Özet:
Silisyum Karbür (SiC), yüksek ergime noktası ve termal stabilite refrakter kriterlerini tam olarak karşılayan, kovalent bağlı, düşük yoğunluğa sahip, düşük atomik ağırlıklı temel bileşenlere sahip, korozyon direnci yüksek ve son derece sert ve güçlü malzemelerdir. Silisyum Karbür bazlı malzemeler, soğuk izostatik pres, sıcak pres, reaktif sinterleme ve katı/sıvı faz sinterlemesi gibi yöntemlerle elde edilebilmektedir. 
Refrakter karbürler; yapısal olarak interstisyel karbürler, kovalent karbürler olmak üzere ikiye ayrılırlar. SiC kovalent bağlı karbürler sınıfında yer almaktadır. Yapısındaki güçlü kovalent bağları ve yüksek ergime noktasına sahip olduğundan dolayı tek başına monolitik olarak konvansiyonel metotlarla sinterlenmeleri oldukça güç bir malzemedir. Bundan dolayıdır ki sinterleme sonucunda istenilen yoğunluğa ulaşması ve sıvı/katı faz sinterlemesini hızlandırması için katkı malzemesi ilave edilerek bir kompozisyon oluşturulmalı ya da sıcaklık, basınç gibi ortam koşulları değiştirilmelidir.
Bu çalışmada, farklı bileşimlerde Al2O3 ve ZrO2 katkısı ile elde edilen SiC bazlı numunelere, farklı sıcaklıklarda ve üç farklı sürede atmosferik ortamda sinterleme işlemi uygulanarak, Al2O3 ve ZrO2 katkılarının, farklı sinterleme koşullarında SiC malzeme üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Yüksek saflıkta temin edilen SiC tozuna Al2O3 ve ZrO2 tozları ayrı ayrı olmak üzere ağırlıkça %1-3-5 oranlarında katılarak kompozisyonlar hazırlanmıştır. Elde edilen karışımlar mekanik pres ve ardından soğuk izostatik pres ile şekillendirildikten sonra her bileşim ayrı ayrı olmak üzere, 1400 °C- 1450 °C- 1500 °C sıcaklıklarında, sırasıyla yarım saat, 1 saat ve 2 saat süreyle atmosferik ortamda 5 °C/dk ısıtma hızında ve aynı soğutma hızıyla sinterleme işlemine tabi tutulmuştur. 
Al2O3 ve ZrO2 tozları katkı maddesi olarak kullanılarak farklı oranlarda hazırlanan kompozisyonların farklı sıcaklık ve sinterleme süreleriyle elde edilen numunelerin Arşimet Prensibine göre relatif yoğunlukları ve Vickers Sertliği, basma dayanımı gibi mekanik davranışları incelenmiştir. Sinterleme işlemi sonrasında oluşan ürünlerin XRD, SEM karakterizasyonları yapılmış ve farklı sinterleme koşulları birbirleriyle karşılaştırılmıştır.
Gerçekleştirilen tüm sıcaklıklarda sinterleme süresinin 60 dk'ya çıkmasıyla, Alümina ve Zirkon katkılı her iki kompozitte de relatif yoğunluğun arttığı sinterleme süresinin 120 dk kadar ilerlemesi ile yoğunlukta azalmanın olduğu görülmektedir. SiC tanecikleri içerisindeki Al2O3 ve ZrO2 ilavesinin %1'den %5'e artması ile relatif yoğunlukta artış eğilimi gözlemlenmiştir. 1450 ve 1500 °C sıcaklıklarda sinterleme süresinin 120 dk çıkmasıyla relatif yoğunlukta önemli ölçüde azalma meydana geldiği görülmüştür. 
Karışımlardaki Al2O3 ve ZrO2 miktarının artmasıyla, sinterleşmenin belirginleştiği görülmüştür. Aynı şekilde sinterleme sıcaklığının ve süresinin de artmasıyla sinterlemenin daha iyi gerçekleştiği görülmüştür.
Her iki kompozit karışımında, sinterleme süresinin 30 dk dan 60 dk ya çıkmasıyla genel olarak sertlik değerinde artma gözlemlenirken sinterleme süresinin 120 dk çıkmasıyla sertlik değerinde yeniden azalma görülmüştür. 60 dk'dan sonra sinterleme süresi arttıkça, sertlik değerinin düştüğü gözlenmiştir. Bununla birlikte, Al2O3 ve ZrO2 katkısı arttıkça sertlik değerinin arttığı gözlemlenmiştir. Sinterleme sıcaklığı arttıkça, sertlik değerinde azalma meydana gelmiştir. Özellikle 1500 °C'de sinterlemede sinterleme süresinin artmasının sertlik değerini azalttığı görüşmüştür.
Basma dayanımı sonuçları da sertlik değeri grafikleriyle uyuşmakta olup, 1400, 1450 ve 1500 °C'de sinterlenen Al2O3 ilaveli ve ZrO2 ilaveli SiC esaslı kompozit malzemenin basma mukavemeti grafiğine göre, sinterleme süresinin artırılması, basma dayanımına olumsuz etki yaptığı gözlenmiştir. Ayrıca sinterleme sıcaklığının artması da basma mukavemetine olumsuz bir etki yapmıştır.

Abstract:
Silicon Carbide (SiC) is a covalent bond, low density, low atomic weight basic components, high corrosion resistance, extremely hard and strong materials that fully meet the high melting point and thermal stability refractory criteria. Silicon carbide based materials can be obtained by methods such as cold isostatic press, hot press, reactive sintering and solid/liquid phase sintering. 
Refractory carbides divided into interstitial carbide sand covalent carbides as structurally. SiC is in the class of covalently bonded carbides. Due to its strong covalent bond sand high melting point, it is a very difficult material to be sintered monolithically by conventional methods. For this reason, a composition should be created by adding additive so ambient conditions such as temperature sand pressure should be changed in order to reach the desired density as a result of sintering and to accelerate the liquid/solid phase sintering. 
In this study, the effect of Al2O3 and ZrO2 additives on SiC material under different sintering conditions were investigated by applying the sintering process in atmospheric environment at different temperatures and for three different times to SiC-based samples obtained with the addition of Al2O3 and ZrO2 in different compositions. Compositions were prepared by adding Al2O3 and ZrO2 powders separately, at % 1-3-5 by weight, to the SiC powder supplied in high purity. After the mixtures obtained are shaped by manual mechanical press and then with cold isostatic press, each composition at 1400 °C, 1450 °C and 1500 °C temperatures for half an hour, 1 hour and 2 hours in atmospheric environment is sintered at a heating rate of 5 °C/min and the same cooling rate. 
Relative densities according to Archimet principle and mechanical behaviors such as Vickers hardness and compressive strength of the compositions prepared at different rates by using Al2O3 and ZrO2 powders as additives on the samples obtained at different temperatures and sintering times were investigated. XRD and SEM characterizations of products formed after the sintering process were made and different sintering conditions were compared with each other.
It seems that relative densities of both composites which prepared by adding Al2O3 and ZrO2 powders increased with sintering time to 60 min at all temperatures and with sintering time increased to from 60 to 120 min, relative densities of both composites decreased. An increasing trend in relative density was observed with addition of Al2O3 and ZrO2 in the composites based SiC from % 1 to % 5. It was observed that the relative density decreased significantly with the sintering time increased to 120 min at 1450 °C and 1500 °C. If it was observed that amount of Al2O3 and ZrO2 in the composites mixture increase, sintering amount is increase. Likewise sintering increased with increasing time and temperature.
While both of composites Vickers hardness values increase with sintering time increase to from 30 min to 60 min generally, a decrease was observed with sintering time increase from 60 min to 120 min. In addition to amount of Al2O3 and ZrO2 increased, the hardness value decreased. However, as Al2O3 and ZrO2 additives increased, the hardness value increased. As sintering temperatures increased, the hardness value decreased. It was observed that as sintering time increased, the hardness value decreased especially at 1500 °C.
Results of compression strength test are in agreement with the hardness value graphs, it was observed that increasing the sintering time has a negative effect on the compressive strength according to compressive strength graphs of Al2O3 and ZrO2 doped silicon carbide material which sintered at 1400 °C, 1450°C and 1500 °C.