Tez Arşivi

Hakkımızda

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özete göre tezleri arayabilirsiniz.


İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İleri Teknolojiler Anabilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı

Alloying of aluminum surfaces with cathodic arc copper and copper surfaces with cathodic arc aluminum plasma

Alüminyum yüzeylerin katodik ark bakır ve bakır yüzeylerin katodik ark aluminyum plazma kullanılarak alaşımlandırılması

Teze Git (tez.yok.gov.tr)

Bu tezin tam metni bu sitede bulunmamaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi tarama bölümünde 293697 tez numarasıyla arayabilirsiniz.

Özet:

In this study, a new approach for modification of surfaces with the help of cathodic arc plasma and its bias voltage dependent interaction with the substrates was introduced. Modification of surfaces with this new cathodic arc physical vapor deposition (CA-PVD) approach was realized by sequential deposition of copper and aluminum targets (at low bias voltages,-150V) and bombardment (at high bias voltages,-1000V) on the surfaces of aluminum and copper substrates, respectively. The possibility of surface alloying and the effects of the duration of the deposition-bombardment stages of the CA-PVD approach on surfaces of pure copper, pure aluminum and aluminum alloys with high and low iron contents were investigated. In addition, the possibility of adjusting the composition and ratio of the intermetallics by tuning the durations of deposition and bombardment stages of the process was investigated. The experiments were carried out by limiting the temperature below 500°C and without a temperature limitation.The above-mentioned CA-PVD technique was applied to pure aluminum substrates by using copper cathodes. According to XRD, SEM and EDS analyses, the surfaces of the substrates modified below 500°C consisted of intermetallic rich surface layers composed of ?-Al, ?-Al2Cu and ?2-AlCu phases. The types and amounts of those phases varied depending on the bombardment duration during the CA-PVD process. As the bombardment period was increased, the copper rich surface layer experienced successive solid-state transformations by taking aluminum continuously into its structure resulting in the formation of more Al-rich phases.The surface modification of pure aluminum substrates with copper plasma without a temperature limitation resulted in the formation of ?-Al and ?-Al2Cu eutectic mixture at the modified surfaces of the substrates. A limited amount of hypereutectic microstructure was also formed in the vicinity of copper droplets.Similarly, surfaces of aluminum alloys with iron contents of 0.3 and 1 wt.% were modified with CA-PVD using copper cathodes. In the experiments conducted below 500°C, the modified surfaces of both 0.3wt.% and 1.wt% Fe containing aluminum alloys were composed of intermetallic rich structures. XRD, SEM and EDS investigations showed that the modified surfaces of Al-0.3wt.% Fe substrates consisted of ?-Al2Cu and ?2-AlCu intermetallic phases and ?-Al, the types and amounts of which depended on the bombardment duration of the surface modification process. Successive solid state transformations towards aluminum rich phases, due to the application of longer deposition durations, also took place during the surface modifications of Al-0.3wt.% Fe substrates. The modified surface of the Al-1wt.% Fe substrate consisted of ?-Al2Cu and ?-Al7Cu2Fe phases. The heating and enhanced diffusion effects during the bombardment stage of the CAPVD process led to iron diffusion from bulk towards the surface resulting in the formation of ?-Al7Cu2Fe phase.In the experiments conducted above 500oC, melting and resolidification of the copper deposited substrate surface took place at -1000V and -150V bias voltages, respectively. A eutectic-like microstructure, containing ?-Al, ?-Al2Cu phases, and iron containing ternary structures were obtained. It was found that the enrichment of iron in the surface took place through the enhanced role of the process on the diffusion of iron from bulk to the surface.Finally, surfaces of high purity copper substrates were modified using aluminum plasma. In the experiment involving long total bombardment duration, the modified zone mainly consisted of a mixture of martensitic ß1-AlCu3 and (Cu) solid solution, which was accompanied by ?1-Al4Cu9 intermetallic phase. However, in experiments that involved short total bombardment duration and higher amount of aluminum per cycle the modified surface predominantly consisted of ?1-Al4Cu9 intermetallic phase, accompanied with martensitic ß1-AlCu3 at the substrate- modified zone interface.The mechanisms behind these modifications were extensively discussed within the light of physical metallurgical principles and the potential of this surface modification technique for surface alloying and for the production of intermetallic rich surfaces were shown.

Summary:

Bu çalışmada, taban malzeme yüzeylerinin katodik ark plazma kullanılarak modifiye edilmesini hedefleyen yeni bir fiziksel buhar biriktirme (FBB) yöntemi sunulmuş ve katodik ark plazmanın taban malzeme ile etkileşimleri, tabana uygulanan bias voltajın etkileri dikkate alınarak incelenmiştir. Bu yöntem, bakır ve aluminyum iyonlarının sırasıyla aluminyum ve bakır taban malzemeleri üzerine ardışık olarak kaplanması (düşük bias voltajında, 150V) ve bombardımanı (yüksek bias voltajında,-1000V) ile gerçekleştirilmiştir. Bu teknik ile taban malzeme yüzeyini alaşımlandırma ihtimali ve kaplama-bombardıman aşamalarının bakır, aluminyum ve yüksek ve düşük demir içeren aluminyum alaşımları üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Ek olarak, proses sırasında kaplama ve bombardıman sürelerini ayarlayarak yüzeyde oluşacak fazların kompozisyon ve oranlarının kontrol edilebilirliği araştırılmıştır. Deneyler, sıcaklık 500°C'nin altında tutularak ve herhangi bir sıcaklık sınırı uygulanmaksızın gerçekleştirilmiştir.Yukarıda bahsedilen KA-FBB tekniği saf aluminyum taban malzemeler üzerinde bakır katod kullanılarak denenmiştir. XRD, SEM ve EDS analizleri sonuçlarına göre, 500°C'nin altında yapılan deneylerde taban malzemelerinin yüzeylerinde, ?-Al, ?-Al2Cu and ?2-AlCu fazlarını içeren intermetalikçe zengin yapılar oluşmuştur. Bu fazların çeşit ve miktarlarının yüzey işlemi sırasında uygulanan bombardıman süresine bağlı olarak farklılık gösterdikleri tespit edilmiştir. Bombardıman süresi uzadıkça, bakırca zengin yüzey katmanı aluminyum atomlarını yapısına alarak bir dizi katı hal dönüşümüne maruz kalmış ve sonuç olarak yüzeyde aluminyumca zengin fazlar oluşmuştur.Taban malzemesi olarak saf aluminyumun kullanıldığı ve sıcaklık sınırı uygulanmaksızın gerçekleştirilen deneylerde ise yüzeyde ?-Al and ?-Al2Cu ötektik karışımı oluşmuştur. Ek olarak, bakır dropletlerin etrafında az miktarda hiper-ötektik ayrışmalar tespit edilmiştir.Ağırlıkça %0.3 ve %1 demir içeren aluminyum alaşımlarının yüzeyleri de bakır katod kullanılarak KA-FBB tekniği ile modifiye edilmiştir. 500°C'nin altında yapılan deneylerde, her iki taban malzemenin yüzeyinde de intermetalikçe zengin yapılar oluştuğu gözlemlenmiştir. XRD, SEM and EDS incelemeleri, ağırlıkça %0.3 demir içeren taban malzemesinin yüzeyinin, tür ve oranları uygulanan bombardıman süresine bağlı olarak değişen ?-Al2Cu, ?2-AlCu ve ?-Al fazlarından oluştuğunu göstermiştir. Bu deneylerde de, yukarıda bahsedilen uzun bombardıman süresinin yol açtığı katı hal dönüşümleri gerçekleşmiştir. Ağırlıkça %1 demir içeren taban malzemesinin yüzeyinde ise ?-Al2Cu and ?-Al7Cu2Fe fazlarının oluştuğu tespit edilmiştir. KA-FBB prosesinin bombardıman aşaması sırasında ortaya çıkan ısıtma etkisi taban malzemenin halihazırda yapısında bulunan demirin yüzeye doğru yayınmasına ve dolayısıyla ?-Al7Cu2Fe fazının oluşmasına yol açmıştır.Ağırlıkça %0.3 ve %1 demir içeren aluminyum alaşımları üzerinde gerçekleştirilen ve herhangi bir sıcaklık kısıtlaması uygulanmayan deneylerde ise yüksek (-1000V) ve düşük (-150V) bias voltajı uygulandığında taban malzeme yüzeyleri sırasıyla erimiş ve katılaşmışlardır. Numune yüzeylerinde ?-Al ve ?-Al2Cu fazlarını içeren ötektik benzeri yapılar ve demir içeren üçlü fazlar elde edilmiştir. Yüzey işlemi sırasındaki bombardıman etkisi yüzeyin erimesine ve tabanda bulunan demirin yüzeye doğru daha etkin yayınmasına yol açarak yüzeyde ciddi bir demir zenginleşmesine sebep olmuştur.Son olarak yüksek safiyetteki bakır taban malzemelerin yüzeyleri aluminyum plazma kullanılarak modifiye edilmiştir. Toplam bombardıman süresi uzun olan deneyde yüzeyde martensitik ß1-AlCu3 yapısı ve (Cu) katı çözeltisi oluşmuştur. Bu fazlara ek olarak yapıda çok az miktarda ?1-Al4Cu9 intermetalik fazı da bulunmaktadır. Daha kısa toplam bombardıman süresi uygulandığında ve her döngüde numunenin üzerine kaplanan aluminyum miktarı arttırıldığında yüzeyde ağırlıklı olarak ?1-Al4Cu9 intermetalik fazı oluşmuştur. Numune-modifiye edilmiş yüzey arayüzeyinde ise martensitik ß1-AlCu3 fazının oluştuğu gözlemlenmiştir.Bahsedilen yüzey modifikasyonlarının oluşum temelindeki mekanizmalar, fiziksel metalurji prensipleri kullanılarak tartışılmış ve bu yüzey modifikasyon tekniğinin yüzey alaşımlandırma ve intermetalikçe zengin yüzey oluşturmadaki potansiyeli ortaya konmuştur.