Al-Ni Ötektik Alaşımının Kontrollü Katılaştırılması

... konulu sunumlar: "Al-Ni Ötektik Alaşımının Kontrollü Katılaştırılması"— Sunum transkripti:

1 Al-Ni Ötektik Alaşımının Kontrollü Katılaştırılması
H. Kayaa, U. Böyüka, E. Çadırlıb, N. Maraşlıc aErciyes Üniversitesi Eğitim Fakültesi İlköğretim Bölümü-KAYSERİ bNiğde Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi Fizik Bölümü-NİĞDE cErciyes Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi Fizik Bölümü-KAYSERİ Özet Al-Ni ötektik alaşımı, %99.99 saflıktaki Al ve Ni metallerinin vakumlu eritme fırınında eritilmesinden sonra, önceden hazırlanan sıcak döküm fırınındaki grafit potalara dökülmesi ile hazırlanmıştır. Hazırlanan bu numuneler, sabit katılaştırma hızı, V (8,32 mm/s), farklı sıcaklık gradyentlerinde, G ( K/mm) ve sabit sıcaklık gradyenti, G (4.02 K/mm) farklı katılaştırma hızlarında, V (8, mm/s) Bridgman tipi doğrusal katılaştırma fırınında aşağıdan yukarıya doğru kontrollü olarak katılaştırılmıştır. Yapı parametresi olan ötektik mesafe l’ nin katılaştırma parametreleri (G, V) arasında nasıl bir bağıntı olduğu doğrusal regrasyon analizi ile tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlar daha önce benzer alaşım sistemi için yapılan deneysel çalışmalarla ve Jackson-Hunt ötektik teorisi ile karşılaştırılmıştır. Bu çalışmada yapılan deneysel ölçümlerden yapılan hesaplamalar sonucunda, Al-Ni ötektik alaşımı için l2V= mm3/s bulunmuştur. Aynı alaşım sistemi için Jackson-Hunt ötektik teorisinden hesaplanan l2V = mm3/s sonucu elde edilmiştir. Sonuç olarak, bu çalışmada elde edilen deneysel sonuçlar, daha önce yapılan benzer deneysel sonuçlar ve Jackson-Hunt modelinden elde edilen sonuçlar oldukça iyi uyum içindedir. 1.Giriş Sıvı fazdan katı faza geçiş ve katı-sıvı arayüzey yapısı üzerinde son elli yıldır fizikçiler, malzeme bilimcileri, uygulamalı matemetikçiler ve özellikle son yıllarda nümerik analizciler yoğun bir şekilde çalışmaktadırlar. Çok fazlı alaşımlar üzerinde yapılan çalışmalar güncelliğini korumakta, yeni teori ve bulgularla çalışmalar sürdürülmektedir[1-8]. Ötektik katılaştırma, ötektik yapı-primer faz ilişkisi ve çok fazlı kompozit malzeme üretimi üzerinde çalışmalar devam etmektedir. İlk kapsamlı model, Jackson and Hunt [1] tarafından, lamelsel ve çubuksal ötektikler için verilmiştir. İleri sürülen bu modelde, lamelsel (levha) veya çubuk (rod) biçimindeki ötektiklerin kararlılığı için gerekli şartlar, aşırı soğuma (DT ), büyüme hızı (V) ve ötektik mesafe (lE) arasındaki ilişkileri oldukça iyi açıklanmaktadır. DT için bulunan bağıntı, DT= K1lEV+K2 / lE (1) şeklindedir. Burada K1 ve K2 sistemin fiziksel parametreleridir ve değerleri, şeklinde verilmektedir [1]. Burada ma ve mb sırasıyla, ötektik sıcaklıktaki a ve b likudus eğimlerinin büyüklükleridir. Co , a ve b fazlarının bileşim farkıdır. fa ve fb sırasıyla a ve b fazlarının hacim kesirleridir. i Gibbs-Thomson katsayılarıdır. qi açıları (i = a, b ) şekil 1’ de gösterilmektedir. δ parametresi lamelsel büyütme için 1’e, çubuksal büyütme için (fα)1/2 ’ye eşittir [5]. Eşitlik 2’ deki P ise, Peclet sayısı olarak bilir ve aşağıdaki gibi tanımlanır. 2- DENEY VE METOT Al-Ni ötektik alaşımına ait numuneler, %99.9 saflıktaki Al ve Ni metalleri grafit bir pota içerisine konularak, sekil 2 deki vakumlu eritme fırınında eritilmesiyle elde edilmiştir. Homojen bir alaşımın elde edilebilmesi için, eriyik en az beş kez karıştırılmış ve daha önceden sıcak döküm fırını içerisine yerleştirilmiş olan grafit numune potalarına dökülmüştür. Elde edilen numuneler sırası ile birer birer şekil 4’ deki Bridgman tipi doğrusal katılaştırma fırınına yerleştirilmiş ve şekil 5 deki deney düzeneği kurulmuştur. Numune etrafında homojen sıcaklık dağılımı elde edebilmek için, numunenin etrafında kalın duvarlı silindirik grafit bulunmakta ve sabit sıcaklık gradyenti elde edebilmek için de etrafında su ceketi bulunan sabit su seviyeli soğutma kazanı yerleştirilmiştir. Kararlı termal şartlar sağlandıktan sonra numune argon atmosferi altında soğutucu kısma doğru çekilerek doğrusal olarak katılaştırılmıştır. Numuneler yaklaşık sabit katılaştırma hızında farklı sıcaklık gradyent değerlerinde ve sabit sıcaklık gradyenti ve farklı katılaştırma hızlarında yaklaşık olarak cm kadar katılaştırıldıktan sonra aniden su havuzuna çekilerek “quench” yapılmıştır. 3- Sıcaklık Gradyenti,Katılaştırma Hızı ve Ötektik Mesafelerin Ölçümü Numune içerisindeki sıcaklık gradyentleri, şekil ’ de gösterilen kontrollü katılaştırma fırınındaki numune içerisinde ısı akışına paralel olacak şekilde, yaklaşık 3’er cm aralıklarla yerleştirilen 3 adet K-tipi termal çift ile ölçülmüştür. Katılaştırma hızı ise numune içerisindeki termal çift’ ler yardımı ile ölçülmüştür. Aralarında belli mesafe bulunan iki termal çiftin sırasıyla ötektik sıcaklığı kaydetmesi için geçen zamanlar kronometre ile ölçülerek, mesafenin zamana oranı ile hesaplanmıştır. Sabit katılaştırma hızında farklı sıcaklık gradyentinde ve sabit sıcaklık gradyentinde farklı katılaştırma hızlarında elde edilen numunelerin quench edilmiş katı-sıvı arayüzeyine yakın bölgelerinin (3-4 mm) hem boyuna hemde enine kesitlerinden seçilen alanlarda fotoğrafları çekilmiştir. Hem boyuna hemde enine olan lamelsel mesafeler “kesişim yöntemi” [13] ile ölçülmüştür. Ölçümlerde istatistiksel güvenirliliği artırmak için her bir numunede boyuna kesit üzerinde en az 4-6 bölgede ötektik mesafe, enine kesit üzerinde ise en az 20 farklı bölgede (farklı tane arayüzey yapıları olduğundan) yaklaşık olarak ötektik mesafe ölçülmüştür. 4. Conclusions Bu çalışmada Al-Ni, ötektik alaşım sistemine ait mikroyapı parametresi olan ötektik mesafeler (l), katılaştırma parametrelerine (G ve V) göre değişimi incelenmiştir. Yapılan araştırmalardan aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir. 1-Enine kesitten alınan ölçümlerin güvenirliliği, boyuna kesitten alınan ölçümlerin güvenirliliğinden daha yüksektir. Çünkü boyuna kesit üzerindeki mikroyapı parlatma düzlemine bağlı olarak değişim göstermekte kimi yerlerde oldukça genişlemektedir. 2-Katılaştırma parametreleri (G ve V) nin artan değerlerine göre mikroyapı parametresi (l)’ nin değerleri azalmaktadır. Yani numune ne kadar hızlı katılaştırılırsa lameller arası mesafe de o oranda küçülmektedir. 3-Bu çalışmada Al-Ni ötektik alaşım sistemi için, sıcaklık gradyenti (G) ve katılaştırma hızına (V) bağlı olarak elde edilen deneysel sonuçlar daha önce yapılmış benzer çalışmaların sonuçlarıyla uyumlu olduğu tesbit edilmiştir. 4-Al-Ni ötektik alaşım sistemi için elde edilen l2V deneysel değerleri Jackson-Hunt modelinden hesaplanan teorik değerlerle oldukça iyi uyum sağlamaktadır. 5-Bu çalışmada, lameller arası mesafenin (mikroyapının), katılaştırma parametrelerinin değiştirilmesi ile kontrol edilebileceği gözlenmiştir. Teşekkür Bu çalışma, Erciyes Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi (Proje No: FBA ) tarafından desteklenmiştir. Araştırmacılar Erciyes Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimine teşekkür eder. Kaynaklar 1J.N.Clark, R.Elliott,J.Cryst.Growth, 33, , (1976) 2. B.Toloui, A.Hellawell, Acta Metall., 24, , (1976) 3. S.Khan, R.Elliott,J.Mat.Sci., 31, , (1996). 4. A.Ourdjini, J.Liu, R.Elliott, Mat.Sci. and Tech., 10, , (1994). 5. S.C.Gill, W.Kurz,Acta Metall., 41/12, , (1993). 6. J.Liu, R.Elliott, Met.Trans., 26A, , (1995) 7. R.M.Jordan, J.D.Hunt,Met.Trans., 2, , (1971) 8-K.A.Jackson, J.D.Hunt, Trans. Met.Soc.AIME, 236, , (1966). Şekil 2. Doğrusal katılaştırma fırınının blok diyogramı 2 a b c Figure 6 (a) Aşırısoğumanın (DT) ötektik mesafelere (l) göre değişimi (V sabit) (b) Aşırısoğumanın (DT) ötektik mesafelere (l) göre değişimi (G sabit), (c) Ölçülen ötektik mesafelerin (l) J-H Moldelinden hesaplanan ötektik mesafelerle (l) karşılaştırılması. Şekil 1. Üçlü noktada kontak (temas) açıları ve ötektik yapının şematik Gösterimi [31] 3