New Generatıon Materıal (Metallic Glasses)
Aydın KARABULUT, Nil TOPLAN
SAÜ. Mühendislik Fakültesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü
ÖZET
Belirli bir kafes modeli oluşturamayan atomlar ve moleküller kısa mesafe düzenine sahip amorf katıları oluşturabilirler. Bu tür katılar metalik camları, polimerleri ve jel malzemelerini içermektedir. Teknolojinin gelişmesine paralel olarak metalik camların gelişmesi ile birlikte mekanik, manyetik, elektronik ve optik özellikler gibi üstün özelliklere sahip yeni malzemeler üretilebilir. Bu makale, Amorf malzemelerde metalik camların kullanım alanlarına ve gelişimine odaklanmaktadır. Bu çalışmada, metalik camlar mekanik özellikleri, korozyon direnci ve kullanım alanlarına yer verilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Amorf malzemeler, Metalik camlar, Sıvı metal, Mekanik özellikler
ABSTRACT
The atoms and molecules that are not organized in a specific lattice pattern could generate amorphous solid which materials may have short range order. Such solids include metallic glasses, polymers, and gel materials. With the development of metallic glasses in parallel to the development of the technology, new materials with superior properties such as mechanical, magnetic, electronic and optical properties could be produced. This paper focuses on the areas of usage and development of metallic glasses in amorphous materials. In this study, the metallic glasses have been given place to mechanical properties, corrosion resistance and areas of use.
Keywords: Amorphous Materials, Metallic Glasses, Liquid Metal, Mechanical Properties
1- Giriş
Metalik camlar (MC), mukavemet ve akma dayanımı, yüksek aşınma ve korozyon direnci, mükemmel esneklik ve akma dayanımının yanı sıra manyetik özellikleri de dâhil olmak üzere çekici ve heyecan verici özellikleri ile malzemenin yeni bir sınıfıdır. Kristal yapı düzenine sahip olmayan bu malzemeler; ani uzama ve darbelerde enerjiyi aldığı enerjiyi absorplamayıp tekrar geri yansıtan amorf malzemelerdir. Bununla birlikte birçok uygulamada metalik camların kırılgan olmadığı anlaşılmıştır. Ayrıca sünekliği sayesinde yavaşça kırılmadan uzayabilme kabiliyetine sahiptirler. Şekil 1 de görülen gerilme-% elastik limit eğrisinde metalik camlar diğer yaygın kullanılan malzemelerle karşılaştırılmıştır [1].
Şekil 1. Çelik, Titanyum, Polimer, Silika ve metalik camların ortalama dayanım değerleri [2]
2. Metalik Camların Tarihi Gelişimi ve Üretimi
Dünya genelinde birçok alanda kullanılan metalik camları 1960’larda Duwez ilk olarak Au-Si alaşımını sıvı fazdan hızlı soğutarak elde etmiştir. Sonrasında farklı metaller ve bileşimler için denenen bu yöntemde <1 mm altında metalik cam üretilebilmiştir. Metalik amorf camların üretiminde 1 mm< kalın metalik cam olarak geçmektedir. Denenen farklı bileşim sistemlerinde ise 1 mm’nin üzerine çıkılması başarı ile sonuçlanmıştır [3]. Amorf metal üretiminde kristal yapının oluşmaması için kritik soğuma oranı kristal yapının oluşum çizgisinin hemen önündedir. Bu çizgi kristal bölgeye girmeden Tg camsı geçiş sıcaklığına düşmelidir. Şekil 2 de kristal yapı oluşumu ve amorf yapı oluşumu için TTT eğrileri görülmektedir. Bu eğrilerde 1 ile gösterilen kısım kristal yapı oluşumunu ifade ederken 2 ile kodlanan eğri ise amorf yapı oluşumunu göstermektedir. Şekil 2.’ yi çeliklerdeki TTT (Süre-sıcaklık-Dönüşüm) diyagramına benzer bir şekilde yorumlamak mümkündür [4].
Şekil 2. Şematik Süre- Sıcaklık – Dönüşüm diyagramı (T-T-T)[4]
Metalik cam üretiminde kullanılan alaşım sistemine veya metale bağlı olarak elde edilen çubuk çaplarının ortalama değerleri Şekil 3’ te görülmektedir [5]. Şekil 3-a’daki değerler incelendiğinde; 1997 yılında Paladyum (Pd) metalinin alaşım sistemine girmesi ile, Pd40Cu30Ni10P20 bileşiminden 72 mm çapında çubuk malzeme üretilmiştir. Şekil 3-b’de üretilen alaşımın fotoğrafı görüntülenmektedir [6].
Ergimiş sıvı metal bileşiminden kritik soğuma hızının altındaki bir hızla üretilen amorf metallik camlar katılaşırken hacimsel büzülmeye uğrayamazlar. Genel olarak sıvı metal alaşımı yavaş soğuduğunda kristal düzene girerken, alaşım soğudukça hacimsel büzülmeye maruz kalmaktadır. Ancak metal alaşımları kritik soğuma hızında soğutulduğunda atomlar kristal düzene geçemediği için yapıda hacimsel küçülme gerçekleşememektedir. Ayrıca kristal düzene geçemeyen malzemelerde tane sınırı oluşamayacaktır [7].
Şekil 3. a) Farklı alaşım sistemlerinde elde edilen metalik cam çubukların maksimum çap kalınlıkları[5]
b) Pd40Cu30Ni10P20 bileşim sistemi kullanılarak üretilen metalik cam (Su ile soğutma)[6]
3. Metalik Camların Korozyon Dayanımı
Tane sınırı olmayan metal alaşımlarında aşınma ve korozyon direnci daha yüksek olmaktadır. Bunun en güzel örneğini Fengxiang Qin 2007 yılında yapmış olduğu çalışmada hanks’in çözeltisini kullanarak elektronegatiflik değerlerini hesaplamıştır. Elde edilen sonuçlara göre Ti6Al4V bileşiminin elektronegatiflik değeri -4,1, saf Titanyumun -3,4, metalik cam olan Ti40Zr10Cu36Pd14 bileşimi ise -0,6 elektronegatiflik değerine sahip olduğunu bulmuştur. Yapılan çalışmada korozyon direncinin ne kadar iyi olduğunu göstermektedir [8].
Tablo 1’de kritik soğuma hızını yakalayabilmek için soğutma sıvısı olarak su kullanılan çalışmalar verilmiştir. Metalik camların mükemmel aşınma ve korozyon dirençlerinin olduğu, ayrıca elastik modül ve akma dayanımındaki yüksek sonuçlar metalik camları bütün dünyada kullanımını cazip kılmaktadır.
Tablo 1. Su soğutma sistemi kullanılarak üretilen metalik camların kritik soğuma eğrileri, çubuk çapları ve kullanılan bileşim sistemlerinden bazı örnekler
4. Metalik Cam Kullanım Alanları
Metalik camlar endüstride uzay ve havacılık, savunma sanayi, otomotiv, spor malzemelerinde ve biyomedikal malzeme gibi birçok alanda kullanılmaktadır. Yapılan çalışmalar incelendiğinde soğuk kalıba dökülen metalik camın farklı katmanlarda (dışarıdan içeriye doğru) amorf yarı amorf ve kristalin tabakalar oluşturulabilmektedir. Şekil 4’te ticari olarak kullanılan metalik camlardan birer örnek bulunmaktadır.
Ticari olarak, golf ve beyzbol sopaları tenis raketlerinde aldığı enerjinin neredeyse tamamını ileterek sporcunun daha az yorulmasını, elektrik trafolarında, güneş panelleri, rüzgâr panelleri ve PLC ile çalışan cihazların bazılarında enerji tasarrufu amacı ile kullanılmasının yanı sıra radyoaktif ışımalardan korunma amaçlıda kullanılmaktadır.
Şekil 4. (a) Ticari golf sopalarının dış şekilleri Zr-Al-Ni-Cu dökme metalik camlar (b)Genesis uzay gemisi ve onun güneş kolektörü ve rüzgar panel malzemeleri Zr-Nb-Cu-Ni-Al dökme metalik camlar [20].
5. Döküm Yöntemi İle Üretilen Golf Sopasının Analizi
Günlük hayatta hobi olarak yapılan sporlardan biride Golf’tür. Golf sopalarının uç kısımları kontrollü atmosfer altında hazırlanan bileşim ergitilerek dökülmektedir. Kullanılan kalıplar sıvı azot veya su ile soğutularak dökülen metalik cam bileşiminin soğuması sağlanmaktadır. Yapılan araştırmalar sonucunda üretilen metalik camların sadece dış yüzeylerinin cam olması kullanım alanı açısından yeterli olabilmektedir. Choi ve Hong üretmiş oldukları golf sopasının farklı alanlarından XRD ve DSC analizleri ile inceleme yapılmıştır.
Şekil 5. a) Golf sopası ve XRD alınan bölgeler, b) a, b, c, d, e, bölgelerinin XRD paternleri [21]
Şekil 5-a’da golf sopasının resmi ve XRD alınan bölgelerin isimleri bulunmaktadır. Şekil 5-b’de ise XRD analizleri üst üste yerleştirilerek gösterilmiştir. XRD analizleri incelendiğinde en üst yüzey (a) ile golf sopasının yatay yüzeyi (b) haricinde kalan yüzeyler tamamen bileşik oluşturmuştur. Analizlerden de anlaşılacağı gibi Döküm sırasında oluşturulan kompozisyonun bileşik oluşturmasından kaçınılmalıdır.
Şekil 6-a’da a bölgesinden alınan numune ile DSC analizleri 5 K/dk., 10 K/dk. ve 20 K/dk. hızlar ile yapılmıştır. Şekil 6-b’de ise d bölgesinden alınan numune ile DSC analizleri 5 K/dk., 10 K/dk. ve 20 K/dk hızlar ile incelenmiştir. Grafikler incelendiğinde (a) bölgesinde elementel halde bulunan kompozisyonun (metalik camın) 5 K/dk. hızlarda 670 K de bileşik ekzotermik (ısı veren) bir pik oluştuğu görülmektedir. 20 K/dk da ise 700 K de ekzotermik pik görülmüştür. Bunun sebebi ısıtma rejiminden kaynaklanmaktadır. Ayrıca Bu piklerin oluşması yapıda bileşik bulunmamasından kaynaklanmaktadır. Grafikte verilen d bölgesinin analizinde ise 740 K de bir küçük pik görülmüştür. Bunun sebebi yapıdaki fazların hepsinin tam bileşik oluşturmamasından kaynaklanmaktadır [21].
Şekil 6. a) Golf sopasının a bölgesinden alınan, b) Golf sopasının d bölgesinden alınan DSC analizleri [21]
6. Sonuçlar
Metalik camların yüksek mekanik özellikleri ve yüksek bio uyumlulukları nedeniyle birçok alanda kullanıma açık malzemelerdir. Kullanım alanlarında kompozit zırh uygulamaları gece görüş cihaz ve kılıfları, protez malzemeleri, ameliyat gereçleri, mikro elektronik malzemelerde ve savunma sanayiinde kullanılan bir çok ekipman ve cihazlarda kullanılmaktadır. Bu tür ürünlerin tek tek üretiminde maliyeti oldukça yüksek seri üretimde ise maliyeti düşmektedir. Geleceğin malzemesi olarak tanımlanan metalik cam alaşımlarını geliştirmek ve dezavantajlarını gidermek amacıyla çok kapsamlı farklı araştırmalar yapılmaktadır. Günümüzde metalik camlarda gelinen nokta da bu malzemelerin araçlarda kullanımını mümkün kılmayan özellikler bulunsa da, bu malzemelerin özelliklerinin hızla geliştiriliyor olması yakın gelecekte otomotiv sektöründe de alternatif malzemeler arasında yer alacağını göstermektedir.
7. Referanslar
[1] D.J. Magagnosc, R. Erhbar, G. Kumar, M.R. He, J. Schroers, D.S. Gianola, Tunable Tensile Ductility in Metallic Glasses Sci Rep. 2013; 3: 1096. Published online, Jan 21, 2013.
[2] http://www.its.caltech.edu/~vitreloy/development.htm Erişim: 26.01.2015
[3] C. Suryanarayana, A. Inoue “Bulk Metallic Glasses”, Taylor and Francis Group syf 26-34 (2011)
[4] C. Suryanarayana, A. Inoue “Bulk Metallic Glasses”, Taylor and Francis Group syf 52 (2011)
[5] C. Suryanarayana, A. Inoue “Bulk Metallic Glasses”, Taylor and Francis Group syf 38 (2011)
[6] C. Suryanarayana, A. Inoue “Bulk Metallic Glasses”, Taylor and Francis Group syf 159 (2011)
[7] C. Suryanarayana, A. Inoue “Bulk Metallic Glasses”, Taylor and Francis Group syf 17 (2011)
[8] Fengxiang Qin, Masahiro Yoshimura, Xinming Wang, Shengli Zhu, Asahi Kawashima, Katsuhiko Asami and Akihisa Inoue, Corrosion Behavior of a Ti-Based Bulk Metallic Glass and Its Crystalline Alloys, Materials Transactions, Vol. 48, No. 7 (2007) pp. 1855 to 1858.
[9] Chen, H.S. (1974). Thermodynamic considerations on the formation and stability of metallic glasses. Acta Metall. 22: 1505–1511.
[10] 20. Drehman, A.J., A.L. Greer, and D. Turnbull (1982). Bulk formation of a metallic glass: Pd40Ni40P20. Appl. Phys. Lett. 41: 716–717.
[11] Kui, H.W., A.L. Greer, and D. Turnbull (1984). Formation of bulk metallic glass by fluxing. Appl. Phys. Lett. 45: 615–616.
[12] Inoue, A., T. Zhang, N. Nishiyama, K. Ohba, and T. Masumoto (1993). Preparation of 16 mm diameter rod of amorphous Zr65Al7.5Ni10Cu17.5 alloy. Mater. Trans., JIM 34: 1234–1237.
[13] Peker, A. and W.L. Johnson (1993). A highly processable metallic glass: Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22.5. Appl. Phys. Lett. 63: 2342–2344.
[14] Inoue, A., N. Nishiyama, and T. Matsuda (1996). Preparation of bulk glassy Pd40Ni10Cu30P20 alloy of 40 mm in diameter by water quenching. Mater. Trans., JIM 37: 181–184.
[15] Inoue, A., N. Nishiyama, and H.M. Kimura (1997). Preparation and thermal stability of bulk amorphous Pd40Cu30Ni10P20 alloy cylinder of 72 mm in diameter.
[16] Shen, T.D., Y. He, and R.B. Schwarz (1999). Bulk amorphous Pd–Ni–Fe–P alloys: Preparation and characterization. J. Mater. Res. 14: 2107–2115.
[17] Amiya, K. and A. Inoue (2001). Preparation of bulk glassy Mg65Y10Cu15Ag5Pd5 alloy of 12 mm in diameter by water quenching. Mater. Trans. 42: 543–545.
[18] Guo, F., S.J. Poon, and G.J. Shiflet (2003). Metallic glass ingots based on yttrium. Appl. Phys. Lett. 83: 2575–2577.
[19] Schroers, J. and W.L. Johnson (2004). Highly processable bulk metallic glassforming alloys in the Pt–Co–Ni–Cu–P system. Appl. Phys. Lett. 84: 3666–3668.
[20] X.K. Xi, Preparation of Mg-based bulk metallic glasses and their fracture behaviors, thesis Institute of Physics, CAS, 2005.
[21] Y.C. Choi, S.I. Hong, Mechanical properties and microstructure of commercial amorphous golf club heads made of Zr–Ti–Cu–Ni–Be bulk metallic glass Materials Science and Engineering: A, Volumes 449–451, 25 March 2007, Pages 126–129