TU Wien, Seramik Kaplamaların Yapısını Araştırıyor
Son derece ince seramik kaplamalar, teknik bileşenlerin özelliklerini tamamen değiştirebilir. Kaplamalar, metallerin ısıya veya korozyona karşı direncini arttırmak için kullanılabilmektedir. Kaplama süreçleri, büyük türbin kanatlarının yanı sıra üretim teknolojisindeki aşırı gerilimli aletler için de bir rol oynamaktadır.
TU Wien (Viyana), bu tür kaplamaların stabilitesini belirleyen etmenlerin ne olduğunu araştırdı. Bazıları Hamburg’daki DESY senkrotronunda elde edilen sonuçlar oldukça şaşırtıcı:
Seramik katmanlar metallerden tamamen farklı bir şekilde parçalanıyor.
Malzemenin dayanıklılığını yitirmesi, bu durumda neredeyse hiç rol oynamazken, belirleyici faktörün aşırı yük tepe noktalarının yoğunluğu (stres yoğunluk faktörü) olduğu görüldü. Bu bulgu, gelecekte ince filmlerin direncini ölçmek ve daha da iyileştirmek için kullanılan yöntemi değiştirecektir. Çalışma Acta Materialia’da yayımlanmıştır.
TU Wien Malzeme Bilimi ve Teknolojisi Enstitüsü Uygulamalı Yüzey ve Kaplama Teknolojisi araştırma grubu başkanı Prof. Helmut Riedl, “Birçok uygulamada periyodik yükler büyük bir sorundur. Metal bileşenleri belirli bir kuvvete tekrar tekrar maruz bırakırsanız, mikroskobik ölçekte değişiklikler meydana gelir.”
Bazı atomlar yer değiştirebilir, birbirinin üzerinden kayabilen katmanlar oluşur, küçük çatlaklar gelişebilir ve nihayetinde tüm bileşenin kırılmasına yol açabilir. Bu tür malzeme yorulma etkileri mühendislikte her yerde görülür ve iyi çalışılmıştır. Ancak stres altındaki ince kaplamalara ne olduğu daha az nettir.
Uygulamalı Yüzey ve Kaplama Teknolojisi Araştırma Grubu’nda doktora tezi üzerinde çalışan Lukas Zauner, “Seramik kaplamalar genellikle sadece birkaç nanometre ila 10 μm kalınlığındadır, davranışları katı bir seramik parçasından tamamen farklıdır” diyor.
Bu davranışı en iyi şekilde anlamak için TU Wien’de tamamen yeni ölçüm yöntemleri geliştirildi: Genellikle yapıldığı gibi metal ve seramik kaplamayı birlikte test etmek yerine, araştırma ekibi metali dışarıda bıraktı, tipik olarak ince film teknolojisinde kullanılan çeşitli seramik malzemelerden son derece ince örnekler üretti ve bunları tam olarak tanımlanmış bir şekilde tekrar tekrar, on milyonlarca kez çeşitli yüklere maruz bıraktı.
Sonuç olarak seramiğin atomik yapısının değişip değişmediğini tam olarak öğrenmek
için ekip deney düzeneğini Hamburg’a götürdü: orada, yükleme deneyi sırasında numunenin çeşitli noktalarını incelemek için kullanılabilen DESY’nin senkrotronunda son derece iyi odaklanmış X ışınları mevcuttur. Kristal yapıdaki veya komşu atomlar arasındaki
mesafedeki küçük değişiklikler bile bu şekilde tespit edilebilmelidir.
Ancak bu ölçümler şaşırtıcı bir şekilde şunu gösterdi: Seramik pratikte değişmiyor. Milyonlarca yük döngüsü bile malzemenin yorulmasına yol açmıyor. “Standart seramikler, metallerden bildiğimiz yorulma türüne benzer şekilde belirli kalıplara göre yorulur. Ancak bu son derece ince katmanlar bu davranışı göstermiyor” diyor Helmut Riedl. “Mikro yapıları başlangıçta neyse sonda da aynıdır.”
Bu, ince katmanların dayanıklılığının yalnızca kırılma toklukları tarafından belirlendiği anlamına geliyor: Malzemenin karakteristik bir yük sınırını aşarsanız, katman aniden ve geri döndürülemez bir şekilde yok olur. Bununla birlikte, bu sınırın altındaki tüm yükler bir sorun değildir, seramik tabakayı yaşlandırmazlar, pratikte hiçbir etkileri yoktur.
Helmut Riedl, “Elbette bu, yeni, geliştirilmiş seramik kaplama malzemeleri için araştırma projelerinin tasarlanma stratejisini de değiştiriyor” diyor. “Uzun süreli testler yapmak zorunda değilsiniz, hangi malzemenin hangi kuvvet altında kırıldığını basit bir yük testi ile
bulmak yeterli. Malzemedeki yorulma etkilerini nasıl hafifleteceğiniz konusunda endişelenmeye gerek yok, sadece mümkün olan en yüksek kırılma tokluğuna sahip
malzemeleri bulmak gerekiyor - bu bile kendi başına basit bir görev değil.”
Ekip bunun için şimdiden çok iyi bir aday bulmayı başardı: belirli bir krom diborür formunun testlerde şaşırtıcı derecede dirençli olduğu kanıtlandı. Bu da gelecekte büyük başarı kazanacak araştırmaların önünü açıyor.
Akademik Referans: L. Zauner et al, Assessing the
fracture and fatigue resistance of nanostructured thin films, Acta Materialia (2022). DOI: 10.1016/j.actamat. 2022.118260
Kaynak: https://phys.org/news/2022-11-nanostructured-ceramiccoatings-fatigue.html
