Elektrospark (Elektro Kıvılcım) Kaplama Yöntemi

1768 yılında İngiliz bilim adamı J. Priestley elektrik yükünün hareketiyle meydana gelen kıvılcımların metallerin yüzeyinde eroziv bir etkisi olduğunu fark etmiştir. Fakat bu olayın yüzey özelliklerine olumlu bir etkisi olduğunu ancak 1924 yılında H.S. Rawdon tarafından yapılan çalışmalar sonucunda öğrenilmiştir.

1957 yılında da N.C. Welsh, çelik malzemelerin yüzeyleri üzerinde sürtünme ile oluşturulan ısınmanın yüzeyler üzerindeki etkisini incelemek isterken H.S. Rawdon’un daha önceden gözlemlediği aynı sonuçla karşılaşmıştır. Sürtünme sonucunda oluşan ısıl etkiyi simule etmek amacıyla elektrik kıvılcımlarının termal özelliklerinden faydalanmıştır. N.C. Welsh ilerleyen çalışmalarında elektrospark’ın, azot ve karbon gibi elementlerin kolayca absorbe edilebildiğini, atmosfer veya yağlayıcıların olduğu farklı ortam şartlarında gerçekleştirilmesi durumunda yüzeylerin karakteristiğinde oldukça fazla bir artış meydana geldiği gözlemlemiştir.

Batı ülkelerinde, bahsedildiği üzere elektrospark alanında çalışmalar genellikle yüzey sertleştirme işlemi olarak uygulanırken, gerçek anlamda elektrospark deposition (ESD) ile kaplama işlemi olarak kullanılması ilk kez Rusya’da yapılmıştır. 1943 yılında ilk kez B.R. Lazarenko tarafından elektrospark yöntemi ile metal parçaların işlenmesi işlemlerini ve metal yüzeylerin bir depozit tabaka ile kaplanması çalışmalarını yapmıştır. Bununla birlikte elektrospark kaplama tekniğinin temellerini oluşturmuştur.

ESD Kaplama İşlemi ve Karakteristiği

Elektrospark deposition (ESD) kaplama işlemi metal yüzeylerinin fiziko-kimyasal özelliklerini geliştirmek amacıyla dielektrik bir ortamda (gaz, atmosfer vb.) yapılmaktadır. Birbirlerine tekrarlı olarak temas ettirilen elektrot (-) ve altlık (+) çifti arasında RC esaslı elektrik devresi yardımıyla bir takım anlık yüksek akımlı kıvılcımların meydana getirilmesi neticesinde oluşur. Elektrottan kopan parçacıklarının ergimiş damlacıklar halinde altlık malzemeye transferiyle yüzeyde birikme elde edildiği bir kaplama yöntemidir. Bu işlemi en basit haliyle çok kısa zaman içerisinde oluşturulan mikro ark olarak tanımlanır.

Her bir yüksek akıma sahip elektrik pulsları (sinyal), elektrot arasındaki boşlukta “spark” kıvılcım ismi verilen çok kısa süreli mikro arkı oluşturmaktadır. Her kıvılcım sonrasında ergimiş hale gelen elektrot parçası çok küçük bir kütlede, elektrottan ayrılarak altlık malzeme yüzeyine transfer olur ve onun üzerinde katılaşarak depolanır. Kısa süreli yüksek akımlı pulsları oluşturabilmek için, öncelikle gerekli olan elektrik yükünün depolanması gereklidir. Yüksek sığaya sahip kapasitansın oluşturduğu bir yükleme devresi ve bu yüklemenin elektrot ile altlık malzeme arasındaki boşlukta (IEG) transfer olması için bir boşaltma devresi gereklidir. Periyodik bir şekilde yükleme, boşaltma ve kıvılcım oluşumunun gerçekleştirilebilmesi için elektrot ile altlık malzemesi arasında kontrollü bir şekilde temasın sağlanması gereklidir.

Bunun için ise şekilde görüldüğü gibi elektrik akım şiddetinin pulslarını uygulanma süresini ve frekansını ayarlayabilen bir puls jeneratörüne ve bir osiloskop cihazına ayrıca teması belli bir frekansta gerçekleştirmesini sağlayan titreşimli veya eksenel dönen bir elektrot tutucuya ihtiyaç vardır. ESD kaplama yönteminde kaplanan altlık malzeme yüzeyine uygulanan akımın çok kısa süre içerisinde olması nedeniyle kütle transferi olabildiğince hızlı gerçekleşerek altlık yüzeyinde lokal alaşımlama tamamlanır ve hızlı soğuma gerçekleşir. Burada her bir kıvılcım oluşumu arasındaki zamanın, spark’ın uygulanma zamanına göre daha fazla olmasının da önemli bir etkisi vardır.

Ayrıca altlık malzemenin sıcaklığında neredeyse hiç değişimin olmaması, ısıdan etkilenen bölgenin en aza indirilmesini sağlar. Malzeme yüzeyine transfer olan toplam ısı miktarı çok az olması nedeniyle ve boyutlarının buna oranla büyük olması nedeniyle parçanın metalürjik ve fiziksel özellikleri açısından etkilenmesi ihmal edilebilecek düzeydedir. Bir başka deyişle malzemenin kaplama tabakası dışındaki bölümlerinde mikroyapısal olarak herhangi bir değişiklik olmaz. Kaplanan bölgenin sıcaklığının oldukça hızlı azalmasından dolayı kaplamada yüksek yoğunluk ve dayanıma sahip olan ince taneli bir yapı oluşur. Sonuç olarak, elektrospark kaplamalar iyi düzeyde aşınma direncine ve korozyon direncine sahiptirler. Ayrıca altlık malzeme üzerine mükemmel yapışma özelliklerinden dolayı iyi bir metalürjik bağ yaparlar.