Kapat

Tantal Alaşımları ve Yüksek Sıcaklık Davranışları

Tantal, atom numarası 73, atom ağırlığı 180,88, yoğunluğu 16,6 olan, 3017 °C’de eriyen ve siyah bir toz durumunda elde edilen bir elementtir. Simgesi Ta olup, 1802’de İsveç’te keşfedilmiştir. Baz metaller grubuna dahil sert ve dövülebilir bir elementtir. Kimyasal özelikleri niyobyuma benzer. 100 C°’nin altındaki organik ve inorganik asitler karşısında korozyona olağanüstü bir şekilde dayanıklıdır. Bu durum, ana metali kaplayan tantal filmin özelliğinden kaynaklanmaktadır. Tantal oksit tabakası aynı zamanda elektrolitik kapasitörler için dielektrik malzeme olarak kullanılır.

97

Tungsten, sahip olduğu yüksek ergime sıcaklığı (3695 K) yüksek termal iletkenlik (173 W/m/K oda sıcaklığında), yüksek püskürtme eşiği, düşük tritium muhafazası ve düşük korozyon eğilimiyle füzyon reaktörlerinde kullanılan önemli malzemelerden biridir. Oluşabilecek çatlakları önlemek amaçlı Tantal ile çok tabakalı bir yapı elde edilerek Ta/W kalınlıklarının oranlarıyla farklılık gösteren daha tok bir malzeme elde edilmeye çalışılmıştır. Çalışma sonucunda Ta/W çok tabakalı yapının W/W yapısına göre çok daha iyi sonuçlar verdiği, Ta/W oranı < 0.62 olduğunda makroskopik çatlaklar görülüğü, Ta/W oranı ≥ 0.62 olduğunda ise çoklu çatlakların ortaya çıktığı görülmüştür. Çoklu çatlakların ortaya çıktığı yapının hasarı dağıttığı ve tokluğu önemli derecede artırdığı saptanmıştır.

99

Şekil 1. Ta/W oranının artmasıyla çatlak davranış görüntüsü

11

Şekil 2. Ta/W oranlarının yüksek büyütmede görüntüsü

12

Şekil 3. İki tür çatlak oluşum görüntüleri (a) tTa/W = 0.53, (b) tTa/W = 1

Tantal ve niyobyum, tüm çevresel şartlarda olağanüstü derecede pasifliği olan 2 malzemedir. Her iki malzeme de yüksek sıcaklıklarda sağladıkları sünek davranışlar sayesınde kolayca üretilebilir ve işlenebilir. Pratik ölçülerde pasifliğe bakarsak Tantal  bir çok uygulamada (soy metaller arasında) görev alabilir. Niyobyum daha ucuz olmasına rağmen Tantal’a göre daha düşük korozyon direnci olduğundan dezavantaja sahiptir.(yine de bir çok metale göre çok çok iyi direnç sağlar.)

Her iki metal de klorür, bromür ve iyodürlerde oyuk korozyonuna dirençlidir. Bunlara rağmen her iki malzemenin de yüksek sıcaklık oksidasyonuna karşı direnci düşüktür.

Ultra yüksek sıcaklık seramikleri(UHTC); sahip oldukları yüksek sertlik, aşınma direnci yanında çok yüksek sıcaklıklarda çalışma atmosferine olan dayanımları nedeniyle özellikle uzay ve havacılık sektörlerinde kullanım potansiyeli yüksek olan ileri teknolojik seramik esaslı malzeme sınıfıdır. UHTC genel olarak 4. ve 5. grup metal (M:Ta, Ti, Hf gibi) elementlerinin karbürlü(MC), nitrürlü(MN), oksitli (MO) ve borürlü (MB) bileşiklerinden oluşmaktadır. Tantalyum Karbür (TaC)esaslı seramikler, hem yüksek sıcaklık dirençleri ve kararlılıkları hem de yüksek sıcaklıklarda üstün mekanik özellikleri nedeniyle en fazla ilgiyi üzerine çeken refrakter asıllı bir seramik malzemelerden bir tanesidir.

Tantalyum Karbür bileşiğinin kimyasal formülü TaCx (0,4<x<1) olan Tantal (Ta) ve Karbon (C) ikili kimyasal bileşiklerinin oluşturduğu bir ailedir. Son derece sert, gevrek, metal gibi elektrik iletkenliğine sahip refrakter esaslı bir seramiktir. Bilinen en yüksek ergime sıcaklığına (3800 °C) sahiptir. TaC /Hf veya W takviyesiyle üçlü alaşım kompozisyonunun ergime sıcaklığını 4215 o C seviyesine çıkarmak mümkündür

.

Şekil 4. Ta-C ikili denge diyagramı.a

3

Şekil 5. Farklı karbürlerin (a) ve (b) özgül ısılarının ve termal genleşme oranlarının sıcaklığa bağlı değişimi

c

Şekil 6. TaC için izotermal oksidasyon eğrilerinin eğrilerinin zamanla değişimi (1 atm basınç ve 750-850 °C)

Çalışmada elementlerin direk reaksiyonuyla elde edilmiş TaC tozlarının, vakum altında ağırlıkça %4 Co ile birlikte 2000 °C’de sıcak preslenmesiyle elde edilen numuneler kullanılmıştır. Minimum eğme mukavemeti değeri TaC 0,81 molar oranında elde edilen 690 MPa değeridir. Bu değer literatürde bulunan en yüksek değer olarak kabul edilmektedir.

Şekil 7. C/Ta oranına göre enine kopma mukavemeti

Sünek-gevrek geçiş sıcaklığının bileşikteki C miktarıyla değişimi sergilenmektedir. Şekilden görüldüğü üzere C molar oranının artışıyla geçiş sıcaklığı lineer olarak artış göstermektedir. C oranının düşük olduğu bileşimlerde kafeste bulunan boşluklar nedeniyle dislokasyon hareketi kolaydır. C molar oranı azaltılarak malzemenin gevrek karakterini de kontrol etmek mümkündür. Bu davranış aynı zamanda bileşiğin deformasyon davranışını anlamamıza da yardımcı olmaktadır. e

Şekil 8. TaC bileşiğindeki C miktarının, sıcaklıkla sünek-gevrek geçişine etkisi

KULLANIM ALANLARI

TaC karakteristik özellikleri sayesinde birçok kullanım alanına sahiptir.

Tane boyut kontrolü: WC esaslı bileşiklerde ve Sermetlerde tane büyümesini engeller ve sertlik artışına neden olur.

Termal şok direnci: Roket nozullarında ve uzay uygulamalarında termal yöntemlerle kaplanarak nozulun termal şok direncini artırmada kullanılır. Düşük termal özellikleri sayesinde, kaplamalar yüksek sıcaklıklarda yüzeye rahatça tutunabilmektedir.

Oksidasyon direnci: Karbon-karbon kompozitlere uyumludur ve üstlerinin kaplanması halinde oksidasyon direncini arttırır.

Tribolojik özellikler: Yüksek sıcaklıklarda yapılarını korumaları, termal şok dirençleri ve inert özellikleri sayesinde aşınmaya karşı kullanılabilirler. Sürtünme katsayısı düşük olduğu için çelik veya alüminyum yüzeylere kaplanarak ana malzemeyi koruduğu belirtilmiştir. Kesici takımlarda kaplama olarak: Takım çeliklerinin yüzeylerine kaplanmasıyla tribolojik özelliklerinde artış sağlanmıştır.

Uzay ve havacılık uygulamalarında: Yüksek sıcaklık oksidasyon direnci, termal şok direnci, faz stabilitesi açısından TACx avantaj sağlamaktadır.

 

 

KAYNAKÇA

  1. S.B. Lyon, Corrosion of Tantalum and Niobium and their Alloys, Reference Module in Materials Science and Materials Engineering Shreir’s Corrosion 2010, Volume 3: Corrosion and Degradation of Engineering Materials Pages 135–2150
  2. Ekrem ALTUNCU, Sevim Gökçe ESEN, Ultra Yüksek Sicakliğa Dayanikli Seramik Malzemeler: Tantalyum Karbür (Tac), Havacilik Ve Uzay Teknolojileri Dergisi Ocak 2015 Cilt 8 Sayi 1 (67, 74)
  3. Ying Zhang, Taoyuan Ouyang, Dawei Liu, Yan Wang, Jingyuan Du, Cheng Zhang, Shuaijie Feng, Jinping Suo, Effect of thickness ratio on toughening mechanisms of Ta/W multilayers, Journal of Alloys and Compounds Volume 666, 5 May 2016, Pages 30–37
  4. Schultz B. C., Processing and Characterization of Tantalum-Hafnium Carbide, The Universty of Alabama, (2011).

Sizin için önerdiklerimiz:

Ahmet Seisoğlu

Metalurji ve Malzeme Mühendisi

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir