Samaryum Katkılı Bakır-Zirkonyum-Aluminyum Bazlı Metalik Cam ve Nanokompozitlerinin Üretilmesi ve Geliştirilmesi

Abstract

Bu proje, hem iyi cam yapabilme hem de birçok çok bileşenli metalik camın temelini oluşturması özellikleri ile dikkat çeken Cu-Zr sistemini temel almaktadır. Proje, Cu-Zr bazlı Cu-Zr-Al-Sm amorf ve amorf/kristal nanokompozit alaşım sistemlerinin üretilmesi, geliştirilmesi ve mikroyapı-mekanik özellik ilişkisinin tayin edilmesi ve kontrolü üzerine yoğunlaşmıştır. Bu bağlamda, cam oluşturma kabiliyeti (COK) en yüksek alaşım sistemleri, Cu-Zr-Al-Sm elementlerinin miktarları değiştirilerek tasarlanmıştır. Kompozisyonları tayin edilen metalik cam ve metalik cam nanokompozitleri, yüksek saflıktaki Cu, Zr, Al ve Sm elementlerinden, argon gazı altında ark ergitme tekniği kullanılarak üretilmiş ve yüksek soğutma hızına ulaşılarak amorf yapının oluşturulabilmesi için emme döküm tekniği ile farklı çaplardaki bakır kalıplara dökülmüştür. Alaşımların kinetik modellemesi de yapılarak çekirdeklenme ve büyüme kristallenme mekanizmaları incelenmiştir. Metalik cam nanokompozitleri, ayrıca kısmi kristallendirme yöntemi ile de üretilmişlerdir. Üretilen metalik cam ve metalik cam nanokompozitleri X-ışını kırınımı (XRD), diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC), taramalı elektron mikroskobu (SEM), sertlik ve basma testleri kullanılarak incelenmiştir. Yapılan çalışmalar, Sm miktarının artması ile COK değerinin arttığını ve en yüksek COK değerinin Zr47.5Cu38Al9.5Sm5, Zr50Cu37Al10Sm3 ve Zr50Cu35Al10Sm5 alaşımlarında olduğunu göstermiştir. Kompozisyonları ve içerdikleri Sm miktarı değiştikçe metalik camların kristallenme eşik enerjilerinin ve izotermal koşullarda kristallenme mekanizmalarının değiştiği gözlemlenmiştir. Emme döküm sırasında çapı daha düşük olan çubukların soğuma hızının daha yüksek olması ve çap büyüdükçe soğuma hızının azalması nedeni ile 3 mm çaplı alaşımlarda kısmi amorf/kısmi kristal yapının oluştuğu gözlenmiştir. Basma testi sonuçları, alaşımların kırılma mekanizmalarında farklılık olduğunu göstermiştir. 3mm çapındaki Zr50Cu35Al10Sm5 çubuğu 45°’ye yaklaşan bir açı ile kırılmış ve kırılma yüzeyinde bulunan damarsı yapı ve nehir benzeri desenli bölgeler, sünek ve gevrek iki farklı kırılma tipinin varlığını göstermiştir. Zr50Cu37Al10Sm3 ve Zr47.5Cu38Al9.5Sm5 çubuklarında kırılma kayma bantları üzerinde hızlı bir şekilde gerçekleşmiş ve klivaj tipi ile gevrek kırılma meydana gelmiştir. Sünekliği en yüksek alaşım Zr50Cu35Al10Sm5 iken kırılma mukavemeti en yüksek olanlar Zr47.5Cu38Al9.5Sm5 ve Zr48.5Cu38.5Al10Sm1 metalik cam nanokompozitleridir.

Among the binary metallic glasses, Cu-Zr system has been known as one of the best glass former system and serves as a basis for many multicomponent BMG composites. This project focuses on synthesis and development of Cu-Zr-Al-Sm amorphous and amorphous/crystalline nanocomposite alloys, and the investigation and the control of the relationship between microstructure and mechanical properties. In this respect, the alloy systems with high glass forming ability (GFA) were designed by varying the concentrations of the Cu, Zr, Al, Sm elements. The selected alloys were produced by vacuum arc melter using highly pure elements and then cast into copper molds with different diameters via suction casting to obtain higher cooling rates during solidification. The crystallization kinetics and devitrification mechanisms of the alloys were investigated. Metallic glass composite alloys were synthesized via partial crystallization as well. The MG and MGCs were investigated using X-ray diffraction (XRD), differential scanning calorimetry (DSC), scanning electron microscopy (SEM), harness and compression tests. The analysis reveals the increase in GFA with Sm concentration and the highest GFA achieved in Zr47.5Cu38Al9.5Sm5, Zr50Cu37Al10Sm3 and Zr50Cu35Al10Sm5 MGs. The kinetic modeling reveals the dependence of crystallization kinetics and mechanisms on the MG composition and the Sm content. The MG rods with a diameter of 3 mm deviates from MG to MGC character as the cooling rate required to achieve amorphous structure decreases with increasing the diameter of the suction cast rods. The compression test results reveal different fracture mechanisms for alloys. Zr50Cu35Al10Sm5 rods were fractured with a shear angle closed to 45° and the fracture surface consists of vein-like and river-like patterns regarding a combination of brittle and ductile fracture. The fracture mechanisms of Zr50Cu37Al10Sm3 and Zr47.5Cu38Al9.5Sm5 alloys reveal brittle fracture with cleavage mode. Zr50Cu35Al10Sm5 MGC has the highest ductility while Zr47.5Cu38Al9.5Sm5 and Zr48.5Cu38.5Al10Sm1 MGCs show the highest fracture strength.