Plazma Püskürtme

Plazma, eşit sayıda serbest elektron ve pozitif iyon bulunduran, genellikle maddenin dördüncü hali olarak adlandırılan yoğunlaştırılmış bir gazdır. Başka bir ifadeyle plazma terimi; içerisinde molekül, atom, iyon, elektron ve kuantum bulunduran malzemenin iyonize edilmiş halini ifade eder. Plazmanın başlıca iki önemli avantajı vardır. Birincisi, bilinen bütün malzemeleri eritebilecek derecede yüksek sıcaklık elde etmenin mümkün olması, ikincisi ise diğer malzemelere daha iyi ısı transferi sağlamasıdır. Plazma püskürtme tekniğinin yüksek işlem sıcaklığı, ergime noktası yüksek metal ve alaşımlarla çalışmaya olanak sağlamaktadır. Ayrıca, asal ortamlarda kullanılabilmesi yöntemin avantajlarındandır. Toz formunda ve belirli tane boyutlarında üretilen tüm malzemeler bu işlemde başarıyla kullanılabilmektedir. Plazma püskürtme yöntemiyle gerçekleştirilen seramik kaplamalar birçok metalden daha iyi aşınma ve erozyon direncine sahiptir. Dizel

motorları da dahil, erozyon ve aşınma dirençli uygulamalarda yaygın olarak kullanılırlar. Bununla beraber, alevle püskürtmedeki kadar olmasa da, plazma spreyle oluşturulan kaplamalar, oluşan gözenekler nedeniyle korozyon için yetersiz kalabilmektedir. Bu yöntemle gerçekleştirilen ince bir kaplama sayesinde belirtilen özellikler elde edildiği gibi, ana malzemenin üstün özelliklerinden tokluk ve kolay şekillendirilebilme özellikleri de korunmaktadır. Böylece plazma sprey kaplama, metal ve seramiklerin üstün özelliklerinin yeni bir malzemede toplanmasına olanak sağlamaktadır.

Plazma püskürtme yöntemi diğer termal püskürtme yöntemleri ile karşılaştırıldığında oldukça esnek ve çok çeşitli kaplama malzemelerinin kullanıldığı bir yöntemdir. Plazma püskürtme yönteminin yüksek sıcaklıkları sıvı bölgesine yakın aralıklarda çalışma olanağı sağlamaktadır. Yüksek frekanslı bir kıvılcımla elde edilen elektrik arkı plazma püskürtme yönteminin enerji kaynağını oluşturur. DC plazma tabancalarında ark, bir lüle içerisindeki silindirik tungsten bir katotla, buna dik bakır bir anot arasında oluşturulur. Bu lülelerde argon, helyum, azot gazları veya bu gazların karışımları kullanılmaktadır. Bu gazlar ark üzerinden geçtiğinde, katodik kaynaktan gelen elektronlarla gaz molekülleri ve/veya atomları arasında reaksiyonlar başlar ve sonuçta gaz iyonize olarak bir plazma oluşturur. Ark üzerinden geçerek ısıtılmış olan gazlar dik ve yatay yönde genleşerek lüle çıkışına doğru hızlanır. Bunu atom ve moleküllerin ekzotermik reaksiyonu takip eder. Oluşan ısı ve radyasyon nedeniyle merkez bölgesindeki sıcaklık 10000 K’e kadar ve hatta bu sınırın üzerine çıkabilir. Plazmanın enerji içeriği ve sıcaklığı, büyük oranda kullanılan gaz ya da karışımlarının fiziksel özelliklerine bağlıdır. Kullanılan toz kaplama malzemesi bir taşıyıcı gaz ile akışkan hale getirilir ve yüksek enerjili plazma jetinin içerisine enjekte edilir. Enjeksiyon noktası plazma yakıcısının tasarımına bağlıdır. İçeride ya da dışarıda yer alan toz kanalları plazma jet eksenine göre çeşitli açılarda yerleştirilebilir. Partikül hızları işlem tasarımına, plazma gazlarına ve kaplama malzemesine göre 300-700 m/s arasında değişmektedir. Radyal ve eksenel yöndeki hızlarla toz malzemesinin özellikleri (boyut dağılımı, yoğunluk vb.) birleşince plazma jeti boyunca farklı yörüngelerde partiküller oluşur. Bu durum tozların davranışına etki eder (Bunshah, 1989). Şekil 2.13’te yatay toz enjeksiyonlu plazma püskürtme şematik olarak gösterilmiştir (Salman ve diğ., 2006).

Şekil 2.13 Yatay toz enjeksiyonlu plazma püskürtme yöntemi (Salman ve diğ., 2006)

Plazma püskürtme yönteminde termal enerji bir elektrik arkıyla 40-80 kW arasında güç oluşturmakta ve partiküller hızlı bir şekilde kaplanacak yüzeye yönlendirilmektedir. Bu yöntemde 16000 oC’ye kadar ulaşan çok yüksek sıcaklıklar meydana gelmektedir. Kaplama malzemesi genellikle toz olmakta ve elde edilen kaplamalar yüksek bağlanma mukavemeti göstermektedir (Stokes, 2006).

Plazma alevindeki erimiş partiküller ana malzeme yüzeyine çarptığı zaman kinetik enerjileri ısı ve deformasyon enerjisine dönüşür. Partiküller ana malzemeyle temas ettiklerinde ısılarını yüzeye aktarıp hızla soğur ve katılaşırlar. Partiküllerin o andaki davranışları sıcaklıklarına, hızlarına ve soğuma oranlarına bağlıdır. Plazma alevindeki hareket esnasında yüzey gerilimi nedeniyle küresel şekle sahip oldukları düşünülen ergimiş partiküller, ana malzeme yüzeyine çarptıklarında ısı ve kinetik enerjilerini kaybederek deforme olurlar ve sonra 5-15 μm kalınlığında lameller şeklinde katılaşırlar. Deformasyon miktarı ve dolayısıyla lamellerin şekli, ergimiş partiküllerin viskozitesi ve ıslatılabilirliği, toz granülitesi ve ana malzeme yüzeyinin karakteri gibi birçok faktöre bağlıdır. Plazma alev sıcaklığının çok yüksek olması ile mevcut fiziksel ve kimyasal işlemler, ergimiş malzemede birçok dönüşüme neden olur. Toz taneciklerinin ortam ve plazma gazları ile reaksiyonunun sonucu olarak, kaplama tabakalarında oldukça yüksek oranlarda oksit oluşmaktadır. Ayrıca az miktarda azot gazı da bulunur. Plazma püskürtme yöntemi ile refrakter bileşiklerle kalın ve sert yüzeyli kaplamalar hızlı bir şekilde yapılabilmektedir. Alevle püskürtme ile karşılaştırıldığında tanecik hızları çok yüksek olduğundan kaplama katı yüzeye çok iyi bağlanmakta ve yoğunluğu da daha yüksek olmaktadır. Plazma püskürtmede bir soy gazın kullanılması yüksek saflık getirmekte ve oksit içermeyen kaplamaların yapılmasına olanak sağlamaktadır. Plazma püskürtme; yataklar, vana yuvaları, uçak motorları, maden makineleri ve zirai araçlar gibi aşınma ve korozyon direnci aranan yüzeylerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Şekil 2.14’de toz beslemenin

plazmaya dikey olarak yapıldığı bir sistem şematik olarak gösterilmiştir (Stachowiak ve Batchelor, 1996).

Plazma püskürtme yönteminde Şekil 2.15’deki gibi tel biçimindeki kaplama malzemesi kullanımı da mümkündür. Geniş bir aralıkta yüksek ergime noktalı malzemelerin ve oksit seramikler gibi ısıya dayanıklı malzemelerin üstünlüğünden yararlanmak için çokça toz biçimindeki kaplama malzemesi de kullanılmaktadır. Bu yöntem ile; 70 MPa’dan fazla bağ mukavemetli % 2-5 boşluklu ve % 2-5 aralığında oksit bileşenli kaplamalar üretilebilmektedir.

Şekil 2.14 Dikey toz beslemeli plazma püskürtme (Stachowiak ve Batchelor, 1996)

Plazma püskürtme yöntemi, ergime sıcaklığı ne olursa olsun yüksek kaliteli kaplamaların üretimini sağladığından; makine parçalarının yüzey özelliklerinin değiştirilmesinde veya iyileştirilmesinde başarı ile kullanılmaktadır. Bunun yanında; yüksek ergime noktalı malzemelerde kaplamaları yenilemek amacıyla, özel karakteristiklerin gerekli olduğu uygulamalar da kullanılmaktadır. Buna karşılık plazma püskürtme yöntemi, çelik yapılar üzerine korozyona dirençli kaplamalar oluşturmak için ekonomik değildir (Ulutan, 2007).

Şekil 2.15 Tel püskürtmeli plazma sprey kaplama