Termal Bariyer Kaplama Malzemeleri

Termal bariyer kaplama işlemlerinde, kaplanacak olan malzemenin çalışma koşulları ve tasarımı dikkate alınarak, uygun kaplama malzemesinin seçimi, hedeflenen amaçlara ulaşma konusunda büyük önem arz etmektedir. Kaplama malzemelerin sahip olması gerekli özellikler şu şekilde sıralanabilir:

 Yüksek termal genleşme katsayısı

 Yüksek ergime noktası

 Yüksek oksidasyon direnci

 Yüksek aşınma ve korozyon direnci

 Yüksek mekanik mukavemet

 Düşük termal iletkenlik

 Yüksek termal şok dayanımı

Termal kaplama malzemesi olarak kullanılabilecek ve yukarda bahsedilen özelliklerin hepsini sağlayan birkaç tane TBK malzemesi mevcuttur. Bu malzemeler ile yapılan kaplamalar, kaplama parametrelerinin de uygun seçilmesi ile optimum seviyede gerçekleşmektedir. Termal bariyer kaplama malzemesinin düşük ısıl iletkenliğe sahip olması en temelde beklenen değerdir. Termal genleşme katsayısının nispî olarak büyük olması tercih edilmesinin nedeni taban malzeme olarak kullanılan malzeme ile ısıl çevrim süreci içerisinde, termal genleşme katsayısı kökenli stresi azaltmaktır.

Termal bariyer kaplama malzemesi olarak seramik maddelerin kullanımı ön plana çıkmaktadır. Seramik, farklı bileşimdeki kristal ve cam yapılı fazları içeren ve genellikle poroziteye sahip olan malzemelerdir. İyonik ve kovalent bağ yapısına sahip olan seramik malzemelerin, yüksek sıcaklıktaki mukavemet ve sertlikleri, korozyona karşı dirençleri

17

(özellikle şiddetli korozif ve oksitli atmosferde) ve yorulma dirençleri yüksektir. Bu özellikleri ile seramik malzemeler, aşınmanın etkili olduğu uygulamalarda kullanılan bir malzeme grubunu oluşturmaktadır.

Seramik malzemeler ideal hammadde gibi görülmesine rağmen, gevrek yapıya ve yüksek maliyete sahip olma nedeniyle, ana üretim malzemesi olarak tercih edilmemektedir. Bu nedenle malzemeleri seramik kaplamak daha verimli bir yöntem olarak benimsenmektedir.

2.4.1. Krom

Krom (Cr) elementi, 1,857°C'de erir ve 2,672 °C'de kaynar, parlak, sert, refrakter bir metaldir. Krom, metaller arasında olağan değildir, çünkü cevherleri ve kimyasal bileşikleri, saf metal hazırlanmadan çok önce kullanılmıştır. 1800'lü yılların başlarında, deri tabaklama için pigmentler ve kimyasal maddeler yapmak için kullanılıyorlardı ve 1879'da çelik üretme fırınlarının astarlanması için refrakterler olarak başarıyla kullanıldılar. Şekil 2.8’ de Krom elementinin fiziksel görünümü gösterilmektedir.

Şekil 2.8. Krom

Krom metal, 1797'de Fransız kimyager Louis-Nicolas Vauquelin tarafından keşfedildi; Ertesi yıl metali şu andaki adını vermek için Vauquelin'e parlak renk tonuyla uyandıran bir kromat minerali olan kroit veya karbon kurşunuyla karbon indirgeyerek metali izole etti (Yunan kromozomundan "renk"). Demir içeren krom ilk olarak 19. yüzyılın ortalarında üretildi ve çelik üretiminde bir alaşım maddesi olarak ilk defa krom kullanmak 1860'lı yıllarda Fransa'da gerçekleşti. Henri Moissan, 1893 yılında elektrikli bir fırında krom cevheri ve karbonunu eritti ve ferrokrom üretti; bu, değişen pazarlar, teknoloji ve

hammaddelerin etkisi altında sürekli olarak evrimleşmiş olsa da, alaşımı üretmenin modern ticari yönteminin temelini oluşturmuştur. 1898'de Alman bir kimyager olan Hans Goldschmidt, krom oksidin alümotermik indirgemesi ile saf krom üretti; düşük karbonlu ferrokrom üretmek için silikotermik işlem 1907'de geliştirildi. Krom metal 1854 yılında elektroliz ile üretildi, ancak bu yöntem bir yüzyıl sonrasına kadar geniş bir ticari kabul görmedi[32].

2.4.2. Krom Oksit

Krom (III) oksit, Cr2O3 formülüne sahip inorganik bileşiktir. Krom oksit, metal

kromun tek istikrarlı oksididir. Alkali ve asitler içerisinde çözünmeyen parlak ila koyu yeşil kristalin bir tozdur. Güney Afrika, Asya, Türkiye ve Küba'da mayalanan mineral Kromitten üretilmektedir[33].

Kromun en yaygın oksidasyon halleri +6, +3 ve +2'dir. Bununla birlikte, +5, +4 ve +1 durumlarının birkaç kararlı bileşimi bilinmektedir. Krom çoğu ticari açıdan değerli oksijen bileşiklerini oluşturur, bunların en önemlisi kromun +6 oksidasyon durumunda olduğu krom trioksit veya kromik asit, CrO3 olarak adlandırılan krom oksittir. Kromik asit

başlıca krom kaplama için kullanılır, aynı zamanda seramikte bir renklendirici olarak da kullanılmaktadır. Bir başka önemli oksijen bileşiği, kromun ses oksit veya kromik oksit olarak da bilinen krom oksit, Cr203, ki burada krom, +3 oksidasyon durumundadır. Karbon

veya kükürt varlığında sodyum dikromatı kalsine ederek hazırlanır. Krom oksit, yeşil bir tozdur ve yoğun olarak bir pigment olarak kullanılır; kimyasal ve ısı direnci gerektiğinde Guignet'in yeşil olarak bilinen hidrat formu kullanılır[32].

2.4.3. Krom Oksit Kaplama

Yüksek sıcaklık altında çalışan hareketli makine elemanlarının en büyük problemlerinin başında, sürtünme ve sürtünmeden kaynaklı aşınmalar gelmektedir. Malzemelerin kaplanarak aşınmaya karşı gösterdiği direnci arttırmak ve bu şekilde mekanik özelliklerini geliştirmek günümüzde etkili korunma yöntemlerinden olmuştur.

Cr2O3, belirli bir eşik yoğunluğun üzerinde krom içeren alaşımlar, oksitleyici

çevrelere maruz kaldığında, koruyucu bir Cr2O3 tabakası oluşturan ve çeliklerin

19

Krom oksit (Cr2O3) kaplamalar kimyasal inertlik, mekanik dayanım, sertlik ve optik

özellikler gibi çok iyi özelliklere sahiptir ve sonuç olarak korozyona karşı koruma, aşınma direnci, elektronik ve optik gibi birçok uygulamada yaygın olarak kullanılmaktadır[35].

Plazma ile püskürtülmüş Cr2O3 kaplamanın kalınlığı 50 µm ve sertliği yaklaşık 14.7

GPa olarak ölçülmüştür, 200 nm kalınlığında RF-püskürtmeli krom oksit kaplaması, stokiyometrik olarak Cr2O3'e yakınken, iyi çizilme direnciyle kombine 30 GPa sertlik elde

edilmiştir[36].Tablo 2.1’ de Cr2O3 ‘e ait fiziksel özellikler verilmektedir.

Tablo 2.1. Cr2O3 ‘e ait fiziksel özellikler[37]

Malzeme Yoğunluk Sertlik Vickers (VH) Termal İletkenlik (cal • cm-1 _{• sec}-1 _• K-1₎ Kopma Mukavemeti (psi) Termal Genleşme ( ̊C–1) (20–1400 ̊C) Erime Noktası (K) Cr2O3 5210 kg/m3 2955 kg/mm2 0.0239-0.0788 >38x10 3 _{9.55 x 10}–6 ₂₂₇₉