Si3N4–Al Sisteminde Basınçsız İnfiltrasyon Tekniğiyle Seramik-Metal Kompozitlerin Üretilmesi

  • Makale
  • Ziyaret: 136
  • seramik-metal
  • Son Güncelleme: 3-05-2017
  •  
    Share on Tumblr       

Yrd. Doç. Dr. Ayşe Kalemtaş / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü - Doğa Bilimleri, Mimarlık ve Mühendislik Fakültesi
Bursa Teknik Üniversitesi

Giriş

Gerçekleştirilen literatür taramaları sonucunda Si3N4– Al sisteminin farklı amaçlar doğrultusunda çalışıldığı ve bu sistemin ilk olarak taramalı ve geçirimli elektron mikroskobu teknikleriyle karakterizasyonunun yapıldığı görülmektedir. Bu çalışmalar özetlendiğinde aşağıdaki sonuçlara ulaşılmaktadır:

• İlk incelemelere Si3N4 seramiklerinin çeşitli Al bazlı alaşımlarla kaynaklama çalışmaları ile başlanmıştır. [1]

• Ardından metal matrisli seramik takviyeli kompozit yapılarda Si3N4 visker ve partikül ilaveleri kullanılmış ve basınçsız infiltrasyon tekniğiyle seramik matrisli kompozitlerin üretimi gerçekleştirilmiştir. [2]

• Son dönemlerde ise seramik matrisli metal takviyeli kompozitlerin üretimi alanında çalışmalara ışık tutmak amacıyla Si3N4–Al sisteminde ıslatma açısını belirlemeye ve seramik matrisli kompozitlerin üretimine yönelik çalışmalar gerçekleştirilmiştir. [3]

Suganuma [1] tarafından yapılan bir çalışmada, Si3N4 ve Al malzemeleri sıkıştırmalı lehimleme yöntemiyle kaynaklanarak, oluşan arayüzeyin mukavemeti ve mikroyapısı incelenmiştir. Bu çalışmada, Si3N4 Al’ye karşı pek reaktif olmadığından kullanılan Si3N4 blokları lehimleme işlemi öncesinde 9500C’de 1 saat hava ortamında oksitlendirilerek yüzeyde ince bir silika (SiO2) tabakası oluşumu sağlanmıştır. Numuneden kaynak arayüzeyine dik olacak şekilde bir tabaka kesilerek bu tabakayla hazırlanan ince kesit numune TEM teknikleriyle incelenmiştir. Oksidasyon sonrasında Si3N4 yüzeyinde oluşan tabaka kalınlığının 10 nm’den ince olduğu belirlenmiştir.

TEM incelemeleri sonucunda iki malzeme arasındaki, ~30–40 nm kalınlığında, arayüzey boyunca sürekli ve gözeneksiz bir tepkime tabakası oluştuğu bildirilmektedir. Si3N4–tepkime tabakası arayüzeyinde Si3N4 kısmında oluşan ve 50 nm’den ince bir kısımda ise Si3N4 kafesinde bozunmalar olduğu belirlenmiştir. Tepkime tabakasından alınan nano kırınım örgüleri yapının amorf olduğunu göstermektedir [1]. Tepkime tabakasının ince kısmından alınan HRTEM fotoğrafıyla her bir nano taneden alınan kırınım örgüsü ve (100) düzlemi Şekil 1’de kısa çizgilerle gösterilmektedir.

Si3N4 tarafında ~30–40 nm kalınlığında bir bölgede bulunan nano β–SiAlON fazının üçlü bölgelerde bile tane sınırı fazı içermediği ve nano kristallerin her birinin doğrudan birbirine bağlandığı belirlenmiştir. Arayüzey bölgelerinden alınan EDX ve EELS görüngeleri incelendiğinde nano kristalin tepkime bölgesinde çok miktarda silisyum ve azotun yanı sıra az miktarda alüminyum ve oksijen saptanmıştır. Bu tepkime tabakasından alınan kırınım örgüleri ve kafes görünümleri, β–Si3N4’ten alınan örgülerle karşılaştırıldığında bunların neredeyse aynı olduğu buna karşın tepkime tabakasının çok miktarda oksijen, alüminyum, silisyum ve azot içermesi nedeniyle bu nano kristalin tepkime ürünün β–SiAlON olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Alüminyum tabakasının karşısındaki amorf tabakada ise benzer miktarlarda silisyum ve alüminyum ile bir miktar oksijen belirlenmesine karşın bu tabakada azotun bulunmadığı belirlenmiştir. Anlatılan tabakaların şematik olarak gösterimi Şekil 2’de sunulmaktadır. [1]

Lehimleme sırasında alüminyum ve oksijen, Si3N4 tanelerine yayınmakta ve burada β–SiAlON nano kristal tabakası oluşmaktadır. Alüminyum tarafında ise alüminyum– silisyum–oksijen içeren amorf bir tabaka oluşmaktadır. Arayüzeylerde oluşan bu tabakaların yoğun olduğu belirlenmiştir. [1]

Sagunama ve arkadaşlarının [1] yaptıkları bu çalışmada gerek gaz ortamından gerekse oksitlendirilmiş Si3N4 tozlarının kullanılması nedeniyle yüzey SiO2 tabakasıyla sisteme oksijen girişi olduğu için Si3N4 ile alüminyumun doğrudan tepkimeye girmesi sonucunda meydana gelen AlN oluşumu ve serbest silisyum açığa çıkması bu çalışmada incelenememiştir.

Basınçsız İnfiltrasyonla Kompozit Üretimi

İlk olarak 1994 yılında Aghajanian ve arkadaşları [2] tarafından gerçekleştirilen bir çalışmada AlN esaslı seramik– metal kompozit yapılar basınçsız infiltrasyon yöntemiyle üretilmiştir. Si3N4 veya Si3N4 + SiC gözenekli seramik peletlere alüminyum infiltrasyon işlemi esnasında aşağıda verilen tepkime ile yapıda AlN ve silisyum fazlarının oluştuğu belirlenmiştir. İnfiltrasyon sonrası kompozit yapılara uygulanan ısıl işlem ile tepkimeye girmeden kalmış olan Si3N4 tanelerinin de tepkimeye girmesi sağlanarak AlN bakımından oldukça zengin kompozit yapılar üretilmiştir.

Si3N4(katı) + 4Al(sıvı) 4AlN(katı) + 3Si(katı)

Bu çalışmada içyapı tayinleri taramalı elektron mikroskobu incelemeleriyle gerçekleştirilmiştir. Uygulanan ısıl işlem sonrası sistemde azalan alüminyum ve Si3N4 miktarlarıyla eş zamanlı olarak yapıda ince taneli AlN tepkime ürünü miktarında da bir artış meydana geldiği görülmüştür (Şekil 3 ve 4). Ancak içyapının daha ayrıntılı bir incelemesi bu çalışmada yapılmamıştır.

Kawai ve Park [4] tarafından gerçekleştirilen bir çalışmada ise gözenekli Si3N4’e ergiyik haldeki alüminyum infiltre edilerek Al–Si3N4 kompozit yapıları üretilmiştir. Bu çalışmada infiltrasyon işlemi 8000C’de 90 MPa basınç altında gerçekleştirilmiştir. İnfiltrasyondan sonra Al ile Si3N4’ün arayüzeydeki tepkimenin sonucunda Si ve AlN oluştuğu ve tamamen yoğun kompozit yapıların üretildiği rapor edilmektedir.

 

Weisensel ve arkadaşlarının [5] yaptıkları bir çalışmada şerit dökümle üretilen gözenekli Si3N4 şeritlere alüminyum eriyiği infiltre edilerek çok tabakalı AlN/Si–Al kompozit yapıları üretilmiştir. Bu çalışmada çok katlı AlN/ (Al–Si) kompozit yapıların üretimi esnasında meydana gelen tepkimelere bağlı olarak elektron mikroskobuyla mikroyapıda meydana gelen değişimler süreç koşullarına bağlı olarak incelenmiştir.

 

Peng ve ark. [6] tarafından gerçekleştirilen bir çalışmada ise gözenekli Si3N4 seramik peletlere Al alaşımlarını yüksek basınçlı döküm tekniğiyle emdirerek Si3N4–Al kompozit yapılarını üretmişlerdir. Bu çalışma da ağırlıklı olarak taramalı elektron mikroskobu incelemeleriyle sınırlı kalmıştır. Ancak, ağırlıkça %1 oranında magnezyum içeren alaşım kullanıldığında alüminyum fazının dağılımının heterojen olduğu belirlenmiştir. Şekil 5’te Si3N4–Al–Cu–Si kompozit yapısının geçirimli elektron mikroskobu ve HRTEM fotoğrafları sunulmaktadır. Bu çalışmada, 1650°C’de 4 saatte üretilen kompozit yapıda küresel a–Si3N4 tanelerinin çubuksu β–Si3N4 tanelerine dönüştüğü ve Si3N4–Al arayüzeyinde amorf bir Al– Cu–Si–O–Y tabakası bulunduğu belirlenmiştir. Bileşim ve mikroyapının tam olarak açıklanabilmesi için ayrıntılı çalışmalar yapılması gerekliliğine vurgu yapılmıştır.

 

Kalemtaş ve ark. tarafından gerçekleştirilen çalışmalarda basınçsız infiltrasyon yöntemi kullanılarak Si3N4-Al sisteminde, Si3N4 ve Al arasında meydana gelen tepkime sonucu yüksek seramik hacim kesrine (> hacimce %50) sahip, hafif (2,9 g/cm3) ve yoğun (> %99) AlN esaslı seramik–metal kompozitlerin üretimi gerçekleştirilmiştir. [7,8] Söz konusu çalışmalarda XRD ile gerçekleştirilen faz analizleri sonucunda (Şekil 6) üretilen kompozitlerde ana fazların AlN, Si, Al olduğu, kullanılan alaşımın türüne bağlı olarak da CuAl2 fazının da sistemde oluşabileceği belirlenmiştir. Kalemtaş ve ark. tarafından gerçekleştirilen çalışmalarda başlangıç tozu olarak kullanılan a-Si3N4 fazının infiltrasyon sürecinde tamamıyla tüketildiği belirlenmiştir.

Basınçsız infiltrasyon tekniğiyle Si3N4–Al sisteminde Kalemtaş ve ark. tarafından gerçekleştirilen çalışmalar sonucunda üretilen, AlN–Al–Si kompozit malzemelerinin içyapı incelemeleri bu malzemelerin oldukça ince bir yapıya sahip olduğunu ve yığınsal yoğunluk ölçümleriyle tutarlı bir şekilde, genel olarak yapının oldukça yoğun olduğunu göstermiştir. [8] Tepkimeler sonucu oluşan yeni fazların tane boyutunun nano metre mertebesinde olduğu ve bu kompozit malzemelerde, hem kırılgan hem de sünek kırılma davranışının gerçekleştiği kırık yüzey SEM incelemeleriyle belirlenmiştir (Şekil 7). Üretilen AlN–Al–Si kompozit malzemelerinde oldukça yüksek oranda Si fazı bulunmaktadır. [8]

Si3N4–Al Sisteminde Islatma

Si3N4’ün yüzeyinde oda sıcaklığında hava ortamında birkaç dakika içerisinde 0,5–3 nm kalınlığında bir Si2N2O tabakası oluşur [9,10]. Azot esaslı seramiklerden AlN, BN ve Si3N4 karşılaştırıldığı zaman en az kararlı olan Si3N4 olup sıvı Al ile temas etmesi durumunda kararlılığı daha da azalmaktadır. AlN’nin termodinamik kararlılığı Si3N4’den daha yüksektir. Bu nedenle Al, Si3N4 ile tepkimeye girerek AlN oluşturabilir. Si3N4 yüzeyindeki Al’nin sıcaklığa bağlı olarak temas açısındaki değişim incelendiğinde, belli bir sıcaklığa kadar ıslatmaz bir sistem söz konusu iken daha sonra sistemin ıslanır hale geldiği belirtilmektedir [11,13]. Düşük sıcaklıklarda hem Al hem de Si3N4’ün oksitlenmeleri sonucunda yüzeylerinde oluşan oksit tabakaları nedeniyle yüksek ıslatma açıları söz konusu iken yaklaşık 11000C’de 900’den çok daha küçük bir ıslatma açısı elde edilmiştir. Bu da Al ile Si3N4’ün bu sıcaklıkta doğrudan temas ettiğini göstermektedir. Sistemin ıslatmazdan– ıslatır hale geçmesi 950–1000°C aralığında gerçekleşmektedir.

 

Si3N4’ün alüminyum tarafından ıslatılmasına yönelik olarak yapılan çalışmalar SiC/Al sisteminde yapılan çalışmalarla karşılaştırıldığında oldukça sınırlı kaldığı görülmektedir [3]. Genelde Si3N4 altlıkların saf alüminyum ile ıslatma davranışı incelenmiş olmakla birlikte, yeni yapılan bazı araştırmalarda Al–Mg ve Mg–Al–Zn (AZ91) [14,15] ve Ag–Cu ve Ag–Ti alaşımlarının [16]kullanıldığı görülmektedir. Wang ve ark. [14] "damla düşürme” tekniğiyle Al–Mg alaşımları kullanılarak Si3N4–Al sisteminde Mg içeriğinin ıslatma açısına olan etkisini incelemiştir. Al–%5 Mg alaşımıyla 9000C’deki ıslatma açısını 55° olarak ölçmüş ve bu açının sıcaklığa bağlı olarak 25°’ye kadar düştüğünü belirlemişlerdir [14].

Si3N4 ile çalışılan sistemlerde de magnezyumun ıslatma davranışını olumlu yönde etkilediği ve magnezyum kullanılan sistemlerde azot gazı ortamında çalışılmasının daha uygun olduğu belirtilmektedir [2,17,18]. Wang ve arkadaşları [15] tarafından gerçekleştirilen bir çalışmada 8500C’lik sabit emdirme sıcaklığında alüminyum alaşımlarının magnezyum içeriğine bağlı olarak ıslatma açıları ölçülmüştür. Magnezyum içeriği arttıkça ıslatma açısının belirgin bir şekilde düştüğü belirlenmiştir (Tablo 1). Mg içeriğinin artmasıyla ıslatma açısının düşmesi iki temel etkiye bağlanmaktadır [15]:

• Arayüzeye veya yüzeye absorblanan magnezyumun yüzey gerilmesini düşürmesi,

• Magnezyumun seramik–metal arayüzeyinde kütle aktarımını hızlandıran kimyasal tepkimelerin gerçekleşmesine katkıda bulunması.

Magnezyumun alüminyum alaşımı içerisinde çok fazla miktarda bulunması (> %10) da ıslatmayı kötüleştirdiği için istenmeyen bir durumdur. [15] Fazla magnezyum varlığında çok miktarda oluşan özellikle MgO, Mg2Si ve Al2O3 gibi tepkime ürünlerinin eriyik vizkozitesini artırması sebebiyle ıslatmayı kötüleştirdiği bildirilmektedir. [15]

Kaynaklar

1. Suganuma, K., "Strength and microstructure of silicon nitride/aluminum interface fabricated by squeeze cast brazing,” J. Eur. Ceram. Soc., 11, 43–49, 1993.

2. Aghajanian, M.K., Biel, J.P. and Smith, R.G., "AlN matrix composites fabricated via an infiltration and reaction approach”, J. Am. Ceram. Soc., 77, 1917–1920, 1994.

3. de la Pe˜na, J.L. and Pech–Canul, M.I. "A reactive wetting and spreading of Al–Si–Mg alloys on Si3N4/ Si substrates”, Mater. Sci. Eng. A, 491, 461–469, 2008.

4. Kawai, C. and Park, J.J., "Mechanical and thermal properties of Al–Si3N4 composites fabricated by the infiltration of molten al into a porous Si3N4 ceramic with network”, J. Mater. Sci. Lett., 20, 385- 388, 2001.

5. Weisensel, L., Mueller, F., Travitzky, N. and Greil, P., "Microstructure and mechanical properties of AlN/Al–Si multilayer composites fabricated by reactive melt infiltration technique”, J. Mater. Sci. Lett., 22, 721–724, 2003.

6. Peng, L.M., Cao, J.W., Noda, K. and Han, K.S., "Mechanical properties of ceramic–metal composites by pressure infiltration of metal into porous ceramics”, Mater. Sci. Eng. A, 374, 1-9, 2004.

7. Kalemtas, A., Topates, G., Bahadir, O., Kaya Isci, P. and Mandal, H., "Thermal Properties of Pressureless Melt Infiltrated AlN−Si−Al Composites”, Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 23, 1304-1313, 2013.

8. Kalemtaş, A., Arslan, G. and Kara, F., "Basınçsız Sızdırma Yöntemiyle AlN–Si–Al Seramik-Metal Karma Malzemelerinin Üretimi”, Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 14, OZ5756, 353-356, 2014.

9. Maguire, H.G. and Augustus, P. D., J. Electrochem. Soc., 119, 791,1972.

10. Raider, S. I., Flitsch, R., Aboaf, C. A. and Pliskin, W. A., "Surface oxidation of silicon nitride films”, J. Electrochem. Soc., 123, 560-565, 1976.

11. Ljungberg, L. and Warren, R., "Wetting of silicon nitride with selected metal and alloys,” Ceram. Eng. Sci. Proc., 10, 1655–1666, 1989.

12. Naka, M., Kubo, M. and Okamoto, I., "Wettability of silicon nitride by aluminium, copper and silver,” J. Mater. Sci. Lett., 6, 965, 1987.

13. Nicholas, M. G., Mortimer, D. A., Jones, L. M. And Crispin, R. M., "Some observations on the wetting and bonding of nitride ceramics”, J. Mater. Sci., 25, 2679–2689, 1990.

14. Wang, S. R., Geng, H. R. ve Wang, Y. Z., "Fabrication and machinability of Si3N4–Mg–Al–Zn (AZ91) composites”, Mater. Sci. Technol., 22, 223–226, 2006.

15. Wang, S.R., Wang, Y.Z., Wang, Y., Geng, H.R. and Chi, Q., "Microstructure and infiltration kinetics of Si3N4/Al–Mg composites fabricated by pressureless infiltration”, J. Mater. Sci., 42, 7812–7818, 2007.

16. Klein, R., Desmaison–Brut, M., Ginet, P., Bellosi, A. and Desmaison, J., "Wettability of silicon nitride ceramic composites by silver, copper and silver copper titanium alloys”, J. Eur. Ceram. Soc., 25, 1757–1763, 2005.

17. Farid, A. and Shi–ju, G., "Development of Si3N4/ A1composite by pressureless melt infiltration,” Trans. Nonferrous Met. Soc., 16, 629–632, 2006.

18. Zhao J.Z., Gao J.Q. and Jin Z.H., "Preparation of AlN matrix composites using an infiltration and reaction approach,” Materials Chemistry and Physics, 97, 506–510, 2006.