Sinterleme nedir? Nasıl yapılır?

Sinterleme prosesi genel anlamda bir toz partikülüne ya da toz karışımlarına termal enerji uygulandığında, boşluklu yapısını azaltarak katı hale getirmeyi sağlayan bir sıkıştırma metodudur. Malzeme üretiminde oldukça yaygın olan bu yöntem çok eski zamanlara dayanmaktadır. Sinterleme işleminde temel olaylar, yoğunlaşma ve tane büyümesidir. Sinterlemeyi anlamak ve malzeme üretmede kullanmak için, öncelikle iki temel olgu olan termodinamik ve kinetiğin temelleri bilinmelidir.

Başka bir deyişle sinterleme, metal veya seramik tozlarına belli bir ısı uygulayarak yoğunluk kontrollü malzemeler ve bileşenler üretmektir. Yoğunlaştırma işlemi basınç ve/veya elektrik akımı uygulanması ile yapılmaktadır. Sinterleme adı verilen bu işlemde kullanılan sıcaklık ya katı hal sinterlemesi ya da sıvı faz sinterlemesi ile meydana gelmektedir. Ergime sıcaklığının altında bir sıcaklık seçildiği zaman yapıda sıvı faz sinterlemesi meydana gelir. Sinterleme işlemi sırasında, model şekli bozulmadan yoğunlaştırılması sağlanan malzemede çekilme meydana gelir. Çekilme çok yüksekse, nihai numunenin boyutlarını kontrol etmek zorlaşmaktadır.

Sinterlemede sıcaklık ve zaman en önemli parametrelerdir. Yapıdaki poroziteler artan sıcaklıkla azalırken malzemenin yoğunlaşmasını sağlar. Ayrıca, yoğunlaştırma işleminin yüksek sıcaklıkta daha hızlı gerçekleştiği ve bu olguların kütle taşınması prosesiyle ortaya çıktığı bilinmektedir. Bu nedenle, bu taşıma ve indirgenen yüzey alanı parçacıkların bağlanması ve gözeneklerin elimine edilmesiyle sonuçlanır.

Sinterlemede, partiküller birbirine atomik difüzyon yolu ile tutunur. Partiküller birbirine temas ettiği bölgelerde tane sınırı büyümesi meydana gelir. Sinterlemenin itici gücü, katı-buhar ara yüzey alanı ve parçacıkların birbirine temas ettiği bölgelerin arayüz enerjisinin azaltılmasıdır. Böylece iki toz partikülü birleşir. Birleşen bu iki toz partikülü yeni bir büyük parçacık oluşturur ve bu parçacağın çapı başlangıçtaki parçacığın 1,26 katıdır. γ spesifik yüzey enerjisi yoğunluğu olarak isimlendirildiğinde, A ise kompaktın toplam yüzey enerjisi olarak belirtildiğinde, toz kompaktının toplam arayüz enerjisi ise γA olarak adlandırılmaktadır. Toplam enerjinin indirgenmesi aşağıdaki formül ile açıklanabilir;

Δ(γA) = ΔγA + γΔA

Arayüzey enerjisinin değişimi (Δγ) densifikasyondan ve tane büyümesinden gelen arayüz alanındaki değişimden kaynaklanmaktadır. Katı hal sinterlemesi, Δγ katı/buhar arayüzeyinin katı/katı arayüzey değişimi ile ilişkilidir. Aşağıdaki şekilde şematik olarak gösterildiği gibi, toplam arayüzey enerjisindeki azalma sinterlemenin temel olgusu olan yoğunlaşma ve tane büyümesi sayesinde gerçekleşmektedir.

Sinterleme ile ara yüzey enerjisinin azaltılması

Sinterleme sırasındaki kütle taşınımı mekanizması iki şekilde meydana gelir; yüzey taşınımı ve kütle taşınımı mekanizmaları. Yüzey taşınımında sinterleme sırasında herhangi bir çekilme ya da yoğunlaşma olmaz, fakat bulk taşınımında çekilme ya da yoğunlaşma meydana gelebilir.

Sinterlemenin başlangıcında, parçacıklar arasında meydana gelen atomik difüzyon ile kütle taşınımına ilişkin adım adım büyüyen boyunlar meydana gelir. Birim hacmindeki artan yüzey alanı sayesinde toz partiküllerinin boyutları sinterlemedeki itici gücü daha fazla azaltır ve bu durum toplam katı-buhar ara yüzey enerjisinin arttırılmasını sağlar. İlk adım, parçacıkların birbirleriyle kaynaşması nedeniyle çok önemlidir. Bu adım kütle taşınımının kinetiği gerçekleşirken meydana gelmektedir. Boyun yarıçapları partikül yarıçapının 0,4-0,5 katına denk geldiğinde bu sürecin tamamlandığı düşünülmektedir. Birinci adımda başlangıç yoğunluğunun teorik yoğunluğun %50-60’ına eşit olduğu varsayılmaktadır. Bu durumda ise teorik yoğunluk %3-5’lik lineer çekilmeyle yaklaşık %65 olmaktadır.

İkinci aşamada, kütle, partiküller arasındaki küçük bölümlere tekabül eden boyunlara doğru taşınır ve tanelerin arasında kalan poroziteler birbirine bağlanmış şekilde kanal biçimini alır. Bu aşamada poroziteler boyun vermeyi sağlayan tane sınırlarına yerleşir ve sonunda boyun verme bölgeleri birbirlerinde ayrılır ve kapalı gözenekler elde edilir. Gözenekler küresel hale geldikten sonra boyunlar birbirlerinin üzerlerinde büyümeye başlar. Küreselleşme ile birlikte yüzey difüzyonu önemlidir, ayrıca teorik yoğunluğun yaklaşık %90’dır ve düzgün bir boşluk yapısı gözlemlenmektedir. Porozitelerin yok olması, tane sınırları, hacim difüzyonu, tane büyümesi ve yoğunlaşmanın başladığı bu aşamada tane sınırlarındaki difüzyon önemli rol oynamaktadır. Tane sınırınlarındaki boşluklar ortadan kaybolurken tane sınırında olmayan porozitelerde bir değişkenlik gözlemlenmemektedir. Bu adımda diğer aşamalara göre daha uzun bir proses yaşanmaktadır.

Sinterlemenin son aşamasında, küçük gözenekler gözükmeyecek bir şekilde azalmakta ve çok iyi bir sinterleme işlemi ile hepsi ortadan kalkmaktadır, böylece teorik yoğunluk elde edilmektedir. Genel olarak, azalan yüzey alanı nedeniyle, ilk yüzey enerjisi daha azdır; bu nedenle sinterlemenin son adımı yavaş olmaktadır. Bu adımda sintereleme boyunca boşluklar kapanır ve hem birbirlerini hem de tane sınırlarını bırakarak küresel bir forma geçmeye çalışmaktadırlar. Buna ek olarak son adımda tane irileşmesi hızlanır ve istenen son duruma gelinerek sinterleme meydana gelmektedir.

Tane sınırında bulunan ve kütle taşınım yolu ile sınırlanan gözenekliliklerin azalması ya da küçülmesi aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.

Sinterleme sırasında, üç parçacık arasında çeşitli büyüme ve çeşitli difüzyon mekanizmaları.

Yukarıdaki şekilde hacim, yüzey ve tane sınırı difüzyonu, ayrıca buharlaşma, yoğunlaşma ve plastik akış gözlemlenmektedir.

Yüzey taşınımı sırasında buharlaşma ve yoğunlaşma düşük kararlılıkta meydana gelirken yüzey difüzyonu ve hacim difüzyonu düşük sıcaklıklarda gerçekleşmektedir. Diğer bir yandan, bulk taşınımı sırasında sadece başlangıç yoğunluğunun yüksek olduğu kompakt halde olan karışım tozunda plastik akış meydana gelmektedir. Bunun yanı sıra birçok kristal formda olan malzemelerde tane sınırı difüzyonu olurken amorf malzemelerde ise hacim difüzyonu ve viskoz akışı meydana gelmektedir.

Sinterleme mekanizmaları şu şekildedir;

  • Yüzey difüzyonu
  • Kafes difüzyonu
  • Buharlaşma-yoğunlaşma
  • Tane sınırı difüzyonu
  • Kafes difüzyonu
  • Dislokasyonlar boyunca difüzyon

Sinterlemenin amacı oluşacak nihai ürünün teorik yoğunluğunun en az % 95’ine ulaşmasını sağlamaktır. Yapıdaki yoğunluğun artmasıyla malzemelerin performansı artmaktadır. Şekil verme metodolojileri kullanılarak yüksek ve homojen bir ham malzeme elde edilir ve bu sayede sinterleme sırasında gözenekliliği gidermek daha kolay olmaktadır. Seramik malzemelerin üretiminde kullanılan sinterleme teknikleri basınçsız sinterleme ve basınç destekli sinterleme olarak iki kısımda incelenmektedir. Basınç destekli sinterlemeler sıcak presleme, sıcak izostatik presleme ve spark plazma sinterleme olarak üçe ayrılır.