Bor katkılı yüksek entropi alaşımlarının ark ergitme ile üretimi, karakterizasyonu ve kaynaklanabilirliği
Production, characterization and weldability of boron doped high entropy alloys by arc melting
Yazar: İREM BURCU ALGAN ŞİMŞEK
Danışman: PROF. DR. ADEM KURT
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Yüksek entropili alaşım (YEA), birbirine eş ya da eşe yakın oranda, beş ya da daha fazla esas elementten oluşan ve birçok farklı süreçle üretilebilen yeni nesil bir malzeme grubudur ve üçlü bir faz diyagramında YEA'ların kompozisyon çizgileri, geleneksel alaşımların tersine diyagramın tam merkezinde yer alır. Bu durum alaşımın termodinamik yapısını, mikroyapıyı, oluşacak fazların türünü, fiziksel ve mekanik özelliklerini tamamen değiştirir. Bu tez çalışmasında, YEA'ların sentez-yapı-özellik-performans ilişkilerinin aydınlatılması amacıyla, geleneksel/mikrodalga sinterleme ve vakum ark ergitme (AE) teknikleri kullanılarak, eşmolar FeNiCoCrCuBx (x=1,2,3,4 ve 5) YEA'lar üretilmiş, % atomik bor katkı oranı ile sinterleme yönteminin, mikroyapı ve mekanik özelliklerde meydana getirdiği değişiklikler incelenmiştir. Son aşamada tungsten inert gaz yöntemiyle kaynaklanabilirlikleri tayin edilmiştir. Analizler sonucunda, tüm YEA'ların dendritik mikroyapılarında üç farklı yüzey merkezli kübik (YMK) katı çözelti fazı içerdiği belirlenmiştir. Geleneksel sinterlenen YEA'larda dendritler arası bölgedeki küresel ve Cu-zengin YMK fazların boyutlarının, bor katkı oranı ile arttığı ve topaklaştığı ancak mikrodalga sinterlenenlerde bu durumun gerçekleşmeyerek daha düzenli ve homojen bir mikroyapı oluştuğu gözlemlenmiştir. Bor katkı oranının artmasıyla birlikte üç nokta eğme dayanımı ve uzamasının mikrodalga sinterlenen YEA'larda arttığı; geleneksel sinterlenen YEA'larda ise % 3 bor oranından sonra azaldığı belirlenmiştir. En yüksek dayanım (3150 MPa) ve uzama (0,19 mm/mm) değerleri, mikrodalga sinterlenen % 5 bor katkılı YEA'da elde edilmiştir. AE öncesinde mikrodalga yöntemiyle sinterlemenin, YEA'ların katılaşma süreçlerinde olumlu etkiler yaratarak daha kararlı fazların oluşmasını sağladığı sonucuna varılmıştır. Son olarak kaynaklı birleştirmeleri yapılan YEA'ların mikroyapılarında kırılgan bir faz oluşmadığı ancak % bor katkı oranı ile artan sertlik sonucu dayanımın azaldığı gözlemlenmiştir. YEA'ların kaynaklanabilirliklerinin iyi olduğu ve uygun ısıl işlemler ile birlikte mekanik özelliklerin geliştirilebileceği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
High entropy alloy (HEA) is a new generation material group that consists of five or more principal elements in equal or equimolar proportions and can be produced by many different processes and in a ternary phase diagram, the composition lines of HEAs are in the center of diagram unlike the conventional alloys. This situation completely changes the thermodynamic structure, microstructure, type of phases, and thus its physical and mechanical properties of the alloy. In this study, equimolar FeNiCoCrCuBx (x=1, 2, 3, 4, and 5 at. %) HEAs were produced by using conventional/microwave sintering and vacuum arc melting techniques in order to determine the synthesis-structure-property-performance relationships. The effects of boron ratio and sintering method on microstructure and mechanical properties of HEAs were examined, and then the weldability were determined by tungsten inert gas method. As a result of experimental studies, it was determined that all HEAs contain three different face centered cubic (FCC) solid solution phases in dendritic microstructure. The size of spherical and Cu-rich FCC phase increased and the phases agglomerated in inter-dendrite region with the increasing boron addition in conventional sintered HEAs. However, this situation didn't occur in microwave sintered HEAs and more regular and homogeneous microstructure formed. While the three-point bending strength and elongation of microwave sintered HEAs increased with the boron addition rate, this increase up to 3 at. % for conventional sintered HEAs. The highest strength (3150 MPa) and elongation (0.19 mm/mm) values were obtained in 5 at. % boron doped and microwaved sintered HEA. It has been concluded that microwave sintering process before vacuum arc melting creates positive effects on solidification and provides to form more stable phases. According to results of welded HEAs, there is no intermetallic phase were observed in the microstructure, however, the hardness that increased with boron addition decreased the three-point strength. It was concluded that the weldability of HEAs is good and mechanical properties can be improved with convenient heat treatment.