Plazma SpreyPlazma Sprey Kaplama Yntemi :Plazma, eit sayda serbest elektron ve pozitif iyon bulunduran, genellikle maddenin drdnc hali olarak adlandrlan younlatrlm bir gazdr. Plazmann balca iki nemli avantaj vardr. Birincisi, bilinen btn malzemeleri eritebilecek derecede yksek scaklk eldesinin mmkn olmas, ikincisi ise dier malzemelere daha iyi s transferi salamasdr. Plazma sprey tekniinin yksek ilem scakl, ergime noktas yksek metal ve alamlarla almaya imkan salamaktadr. Ayrca, inert ortamlarda kullanlabilmesi yntemin avantajlarndandr. Toz formunda ve belirli tane boyutlarnda retilen tm malzemeler bu ilemde baaryla kullanlabilmektedir. Plazma sprey yntemiyle gerekletirilen seramik kaplamalar birok metalden daha iyi anma ve erozyon direncine sahiptirler ve dizel motorlar da dahil erozyon ve anma direnli uygulamalarda yaygn olarak kullanlrlar. Bununla beraber, alevle spreydeki kadar olmasa da, poroziteler nedeniyle plazma spreyle oluturulan kaplamalar korozyon iin yetersiz kalabilmektedir.1
Plazma sprey kaplama yntemi, metallerin eitli tozlarla kaplanarak anmaya, oksitlenmeye, korozyona ve sya dayankl hale getirilmesinde yaygn olarak kullanlan bir termal sprey kaplama yntemidir. Bu yntemle gerekletirilen ince bir kaplama sayesinde belirtilen zellikler elde edildii gibi, ana malzemenin stn zelliklerinden tokluk ve kolay ekillendirilebilme zellikleri de korunmaktadr. Bylece plazma sprey kaplama, metal ve seramiklerin stn zelliklerinin yeni bir malzemede toplanmasna imkan salamaktadr.
Plazma Kaplama Sistemi :Plazma sprey tekniindeki ana dnce; pahal olmayan bir ana malzeme zerine ince ve koruyucu deeri yksek bir tabaka meydana getirmektir. lem, iyonize olmu bir gaz iinde erimi olan toz formundaki malzemenin, kaplanacak yzeye ok hzl bir ekilde pskrtlmesi eklinde uygulanmaktadr.
2
Plazma kaplama sistemi :
Sprey tabancas (plazma fleci), G nitesi, Gaz besleme nitesi, Toz besleme nitesi, Soutma nitesi ve Kontrol nitesinden meydana gelmektedir.
3
Plazma Kaplama Sistemi ekil 1
4
Sprey tabancas, kaplama sisteminin en nemli alma nitesidir ve ekil 2 'de ematik olarak verilmitir. Anot olarak saf Cu ve katot olarak da %2 ThO2 katkl W'n kullanld tabancada plazma, bu iki elektrot arasndaki elektrik arknda plazma gazlarnn iyonizasyonuyla elde edilir. Kullanlan plazma gazlan, katottun etrafndan ve ayn zamanda nozul grevini de gren anodun ierisinden geirilir. Doru akm ark, genellikle yksek frekans ak ile balar ve elektrotlar ile devam eder. Katot boyunca verilen plazma gaz, bu ark iersinde stlmakta ve plazma scaklna erien gaz, nozul anottan plazma alevi olarak pskrtlmektedir. Ark akm ve voltaj: anot/katot dizayn, gaz ak hz ve gaz bileimi gibi deikenlere bal olarak deimektedir. Ark genelde, anot-katot temasyla atelenir. Uygulamada ntr plazma gerektii iin, anot bo bir nozul eklinde dizayn edilmi ve ark devresinin nozul iinde tamamlanmas salanmtr. Bylece, serbest halde elde edilen plazma, elektrik akmn iletmemektedir. Kaplama ileminde gerekleen btn olaylar (disosasyon, iyonizasyon, plazma hali gibi) sprey tabancas ierisinde meydana gelmektedir.5
ekil 2 Plazma sprey tabancasnn ematik grn
6
Tabancaya beslenen plazma gazlan, yksek gerilim veya yksek frekans yardmyla tututurulur. Plazma gazlar, kaplama tozlan, alma voltaj ve ark ile ilgili btn ayarlamalar kontrol nitesinde manuel olarak veya bilgisayar yardmyla yaplr. Plazma spreyle retilen kaplamalarn zellikleri ile g nitesinin kapasitesi arasnda nemli bir iliki mevcuttur. Plazma sprey ileminde ana malzeme zerine pskrtlen partikllerin hz, g kaynann gcne baldr. Konvansiyonel kaplama sistemlerinin gc 40 kW iken gnmzde 80 ve 120 kW'lk sistemler kullanlmakta ve bu sayede partikl hz artrlarak porozitesi dk, stn mekanik zellikli youn kaplamalar elde edilmektedir. Plazma gazlarn oluturan N2, Ar, H2 ve He'un ilem parametrelerine uygun karmlar ve ak hzlar, gaz besleme nitesinde ayarlanr. Bu ekilde plazma huzmesinin scakl, bykl ve arkn stabilizasyonu kaplama tozlarna bal olarak kontrol edilmi olur.7
ekil 3
8
Plazma Kaplama Teknolojisinin Fiziksel Esaslar :Plazma, eit sayda serbest elektron ile iyon bulunduran ve genellikle maddenin 4. hali olarak adlandrlan younlatrlm bir gazdr. Langmuir'e gre ise plazma terimi; ierisinde molekl, atom, iyon, elektron ve kuantum bulunduran malzemenin iyonize edilmi halini ifade eder. Plazma oluturmak amacyla yaygn olarak kullanlan gazlar tek atomlu Ar ve He ile iki atomlu N2 ve H2'dir. Bu gazlara ait temel fiziksel ve kimyasal zellikler Tablo 1 'de verilmitir. Plazma oluturucu olarak hangi gazn seilecei, plazma alevi iin arzulanan scaklk ve hz deerleri ile kaplama malzemesi ve ana malzemenin kararllklarna baldr. Plazma gazlan tek tek kullanlabildikleri gibi ounlukla belli oranlarda karmlar halinde kullanlrlar. Burada ama, plazma alevinin entalpisini ve hzn artrmaktr. Ar+H2 ve Ar+N2 sistemleri, yaygn olarak kullanlan gaz karmlardr.9
Tanm zellikleri, toz partikllerinin ekli ve boyutuyla ilikilidir. Toz boyut dalm mmkn olduunca niform, ekli ise kresel olmaldr. nk, plazma alevinde daha ince tozlar buharlamaya, iri tozlar ise tam olarak ergimemeye neden olurlar, sprey tozlarnn tamamen eriyebilmesi, ancak plazma tabancasnn anot ile katodu arasndaki ark blgesine beslenmeleri ile mmkn olur. Gnmzde kullanlan sistemlerin byk bir ksmnda toz, reaktif olmayan bir gaz vastasyla, nozul dnda plazma alevine radyal olarak enjekte edilmektedir. Plazma gazlarnn temel ve kimyasal zellikleri aada Tablo 1de belirtilmitir :
10
zellikArRelatif molar arlk zgl arlk (0 C, 100 kpa) (kgm3) Isl iletkenlik katsays (0 C) (W/mK) zgl s kapasitesi (20 C) (kj/kgK) Lyonizasyon potansiyeli (V) lk kademe Son kademe Scaklk (K) Ark voltaj (V) Ark girii (kW) 39.944 1.783 0.01633 0.511
Plazma Gazlar He N24.0002 0.1785 0.14363 5.233 28.016 1.2505 0.0238 1.046
H22.0156 0.0898 0.1754 14.268
15.7 27.5 14000 40 -----
24.05 54.01 20000 47 50
14.5 29.4 7300 60 65
13.5 ----5100 62 12011
Plazma alevinin eksenine dik olarak enjekte edilen bir toz partikl birok faktrn belirledii bir hareket mekanizmasna sahiptir. Ana malzemeye doru hareket halindeki partikl alevi, belli al konik bir ekle sahiptir. Bu a; plazma alevine partikllerin beslenme hznn, partikl boyutunun, plazma alev hz ile dalmnn bir fonksiyonudur. Ayrca, plazma tabancasyla ilgili olan tabanca tipi, toz besleyici ve ark randman gibi faktrlerde partikllerin plazma alevindeki hareket mekanizmasn etkiler. Plazma alevine beslenen toz partiklleri, alevin sl ve kinetik etkileri sayesinde erir ve ana malzeme yzeyine pskrtlr. Plazma alevinden toz partiklne s transfer mekanizmas ok kompleks bir olaydr ve bugne kadar tam olarak anlalamamtr. Plazma alevinde eriyen toz partiklleri, yksek kimyasal aktiviteye sahiptirler. Dolaysyla, partikller ile ortam atmosferini oluturan gazlar arasnda; gaz adsorbsiyonu, kimyasal etkiler, oksit tabakalarnn oluumu ve difzyon ilemleri gibi birok karlkl etkileim mekanizmas sz konusudur. Plazma alevindeki erimi partikller ana malzeme yzeyine arpt zaman kinetik enerjileri sl ve deformasyon enerjisine dnr. Partikller ana malzemeyle temas ettiklerinde slarn yzeye aktarp hzla sour ve katlarlar. Partikllerin o andaki davranlar scaklklarna, hzlarna ve souma oranlarna baldr.
12
Plazma alevindeki hareket esnasnda yzey gerilimi nedeniyle kresel ekle sahip olduklar dnlen erimi partikller, ana malzeme yzeyine arptklarnda sl ve kinetik enerjilerini kaybederek deforme olurlar ve sonra 5-15 kalnlnda lameller eklinde katlarlar. Deformasyon miktar ve dolaysyla lamellerin ekli: erimi partikllerin viskozitesi ve slatlabilirlii, toz granlitesi ve ana malzeme yzeyinin karakteri gibi birok faktre baldr. Plazma alev scaklnn ok yksek olmas ile mevcut fiziksel ve kimyasal ilemler, erimi malzemede birok dnme neden olur. Toz partikllerinin ortam ve plazma gazlan ile reaksiyonunun sonucu olarak, kaplama tabakalarnda olduka yksek oranlarda oksit olumaktadr. Ayrca az miktarda N2 'da bulunur.13
Plazma Sprey Kaplamalarn Temel zellikleri :Plazma sprey kaplamalar, ayn tozdan retilmi kompakt malzemelere gre birok farkl zellie sahiptir. Bu kaplamalarn O2 ve N2 ierikleri yksek, younluk ve plastisiteleri ise dktr. Plazma alevinde eriyen partikller, yzey gerilimlerinin sonucu olarak kresel ekillerde bulunur. Ergimi partikller, sv damlacklar halinde ana malzeme yzeyine arpt anda katlaarak lamelli bir kaplama tabakas meydana getirirler. Plazma kaplamalarda katlama hz l O6 C/s olup, souma hzna bal olarak kristalin veya amorf yaplarda katlama olur. Kaplamalarn yaps heterojen olup, yan kararldr ve genellikle birbirine yapm halde bulunan farkl boyutlu tanelerden meydana gelir. Erimi partikllerin oluturduu kaplamalar, tabakal bir yapyla karekterize edilir.14
Porozite, plazma sprey kaplamalarn karakteristik bir zelliidir ve yapsal gstergesidir. Viskozitesi yksek tozlar ve yksek gl plazma niteleri kullanlarak daha youn bir kaplama tabakas elde edilebilir. Gevrek ve sert tozlardan elde edilmi kaplamalar yksek porozite oranlarna sahiptirler. Ancak, uygun toz granlitesi ve sprey parametreleri seildiinde, sert tozlardan bile youn bir kaplama eldesi mmkn olmaktadr. zellikle, kaplamalarn mekanik zellikleri zerine olumsuz bir etkiye sahip olan yksek porozite miktar, termal izolasyon ve filtrasyon gibi uygulamalar iin arzu edilen bir durumdur. Yksek poroziteli kaplamalar, uzun sprey mesafesi ve iri taneli tozlar kullanlmak suretiyle kolaylkla elde edilebilir. Plazma kaplamalarda iki tip porozite mevcuttur. Birincisi, keltilmi partikller arasndaki boluklarn tam olarak doldurulamamas nedeniyle yapdaki kusurlarla birlemi iri (ak) porozitedir. Dieri ise, kaplamalarn doal bir zellii olan ince porlar (mikro boluklar)'dr. Plazma sprey kaplamalarn younluu, ayn tozlardan yaplm kompakt malzemelerin younluundan dktr ve genellikle teorik younluun %85-93' arasnda deiir.15
Kaplamann ana malzemeye yapmas, plazma sprey kaplamalarn en nemli zelliklerinden birisidir. Yapma, mekanik olarak (genellikle seramik esasl kaplamalar), Vander Waals kuvvetleri (genellikle metal esasl kaplamalar) ve difzyon ilemleri ile gerekleir. Ana malzeme ile metalik, balanma gstermeyen seramik kaplamalar, krlgan yaplar nedeniyle, metal esasl kaplamalara nazaran daha dk yapma mukavemetine sahiptirler. Btn kaplamalarda yapma mukavemeti, artan kaplama kalnl ile birlikte der. Plazma sprey kaplamalarda, kaplama ilemi esnasnda kaplamann atlamasna veya ana malzemeden ayrlmasna yol aan basma ve ekme i gerilmeleri meydana gelmektedir. Bu i gerilmelere; sprey malzemesinin niform olmayan dalm, kaplama ile ana malzeme arasndaki termal genleme farkll, ana malzemenin niform olmayan bir ekilde stlmasyla yine ana malzemenin ekil ve boyut zellikleri neden olmaktadr. Ara tabaka uygulamas ve sprey esnasnda ana malzemenin n stlmas veya soutulmas ile bu i gerilmeler azaltlabilir. Kaplamann mukavemetini etkileyen temel parametre kaplama kalnldr. Artan kaplama kalnl, i gerilmeleri artracandan, kaplamann ana malzemeden ayrlmasn kolaylatrmakta, yani mukavemeti drmektedir. Ayrca, kaplamann elastisite modlndeki artlar ile yksek porozite ve oksit ierikleri, mukavemeti olumsuz ynde etkileyen dier parametrelerdir .16
Sertlik, plazma sprey kaplamalarn dier nemli bir zelliidir ve kullanlan kaplama tozuna bal olarak 200-1500 HV arasnda deiir. Kaplama tabakalarnn sertlii; porozite, tabakann heterojen yaps ve uygulanan yk deerine baldr. Yksek scaklklarda alan roket nozullar ve gaz trbinlerinin yanma odalarnda kullanlan seramik kaplamalarn gsterdii termal genleme davranlar, bu tip uygulamalarda, kaplamalardan beklenen performansn elde edilmesinde bilinmesi gerekli en temel zelliktir. Genellikle metalik ana malzemenin termal genleme katsays, seramik kaplamann termal genleme katsaysndan daha byktr. Termal genleme katsaylar arasndaki fark ne kadar kkse, kaplama-ana malzeme uyumu o derece iyi olmaktadr. Kaplama ana malzeme sistemi dnldnde, termal genleme davran asndan iki durum sz konusu olabilir. () kaplama > () ana malzeme () kaplama < () ana malzeme17
lk durumda, kaplama-ana malzemeye oranla daha fazla genleeceinden, ekme ykleri altnda kalacak ve eilecektir. Bu ise kaplamada atlak oluumuna neden olur. Dier durumda, ana malzemenin termal genleme katsaysnn daha byk olmas nedeniyle, ana malzemeye termal olarak uyum salayamayan seramik kaplama krlganlaacaktr. Kaplamalarn kullanm potansiyelini azaltan bu tip termal uyumsuzluklar, ara tabaka uygulanmas veya ok katmanl kaplamalar oluturulmasyla giderilebilir. Plazma sprey kaplamalarda s transferi; metal partikllerinin elektronlar, metal olmayan malzemeler iin partikllerdeki latis veya foton termal iletkenlii, kaplamada mevcut porlardaki yaylm fotonlar ve hapsedilen gazn sl iletkenlii sayesinde gerekletirilir. Kaplamalarn termal iletkenlik katsaylar, kompakt malzemelere nazaran daha dktr. Kaplamalarn dk veya minimum termal ve elektrik iletkenlik deerleri, baz uygulamalar iin gereklidir. Bu zellikler temel olarak sprey artlar tarafndan belirlenir.18
Yzey Hazrlama :
Yzey hazrlama, kaplama ileminin en ok dikkat edilmesi gereken kademelerinden birisidir. Kaplamann ana malzemeye gerektii gibi balanmas, ancak kaplanacak yzeyin iyi bir ekilde hazrlanmasyla mmkndr. Bu mekanik balanmann yannda, partikllerin ana malzeme ile mikro kaynamas ve kimyasal ba oluumu gibi dier balanma mekanizmalar da mevcuttur. Btn bu balanma mekanizmalar, temas alannn artrlmasn ve yzeyin aktivasyonunu gerektirir. Gl bir kaplama-ana malzeme ba oluturmak iin gerekli artlar; yzey zerindeki nem, ya ve oksit filmlerinin kaldrlmas ve uygun bir yzey przllnn salanmasdr. Uygulanacak kaplamann cinsine ve kalnlna bal olarak seilen birok yzey hazrlama yntemi mevcuttur. Mekanik ileme, zellikle merdane ve aft gibi dairesel ekilli makine paralarnn yzeylerinin oluk eklinde przlendirilmesinde kullanlan bir metottur. Ana malzemenin tala kaldrlabilecek kadar yumuak olmasnn zorunlu olduu mekanik ilemede; ok sert, krlgan ve kompleks geometrili yzeylerin hazrlanmas mmkn deildir. Bu metot, zellikle 500 mnin zerindeki kaln kaplamalar iin uygundur.19
retimleri veya kullanmlar sonucu yzeylerinde ya ve gres bulunan makine paralarnn kaplanmasnda birok problemle karlalr. Ana malzemenin gzenekli bir yapya sahip olduu durumlarda ise, gzeneklere dolan ya kaplama esnasnda buharlar ve kaplama tabakalarnn yapma mukavemetini nemli lde drr. Ana malzeme yzeyinden yalar uzaklatrmak iin uygulanan en yaygn yol, kimyasal zcler kullanmaktr. Mineral yalar, paralarn ykanmas veya aseton gibi kimyasal zcler kullanlmasyla kaldrlabilir. zerlerinde mevcut olan ya, gres ve paslardan temizlenmi ana malzeme yzeyleri, bir andrc kullanlarak przlendirilir. Kumlama ad verilen bu metot, plazma sprey ynteminin kefinden bu yana srekli olarak kullanlm ve halen de kullanlmaktadr. Kumlamada andrc olarak dkme demir veya elik griti, SiC ve Al203 kullanlr. Ana malzemenin kimyasal bileimi ve sl ilem koullar, andrcnn trn, boyutunu ve ilem basncn belirler. Yumuak ana malzemeler iin elik veya dkme demir gritler yeterli olurken, sert ana malzemeler Al2O3 veya SC kullanlr. Kumlamada kullanlan havann ve kumlama malzemesinin kuru olmas gerekir. Aynca, kumlama malzemelerinin daha nce baka bir ama iin kullanlmam olmas, yasz ve temiz olmas da nemlidir. stenen yzey przllne, keskin keli kumlama malzemeleriyle ulalmaktadr. Kumlanm ana malzemenin yzeyi przsz dalgal olmamal, keskin deiimli (pikli) olmaldr. Dier taraftan ar kumlama, piklerin krelmesine ve yzeyde kum artklarnn kalmasna neden olmaktadr.20
n Istma Ve Soutma :Plazma sprey kaplama yntemi, souk bir ilem olarak bilinmesine ve ou uygulamalarda ana malzemenin n stlmasna ihtiya duyulmamasna ramen, n stmann gerekli olduu birok durum da sz konusudur. Ana malzemenin stlmas iin balca neden vardr: Ana malzemeden nemi kaldrmak, Balanmay gerekletirmek, Malzemeler arasndaki farkl termal genlemeleri dengelemek n stma scakl, kullanlan ana malzemeye bal olarak 80-320 C arasnda deiir. Kaplama esnasnda ana malzeme, yksek s transferi nedeniyle an snabilir. Birok soruna neden olan bu problemi ortadan kaldrmak iin, kaplama esnasnda ana malzeme basnl havayla soutulur.21
Kaplama leminin Gerekletirilmesi :Yzey hazrlama, maskeleme, alma parametrelerinin ayarlanmas, lm aletlerinin hazrlanmas, kaplanacak parann ilk boyutunun llmesi ve gerekli gvenlik nlemlerinin alnmasndan sonra bir sprey tabancas yardmyla kaplama ilemi gerekletirilir. Yzeyleri hazrlanm paralar, plazma alevine dik olarak yerletirilir ve sabitlenirler. Youn ve iyi kaliteli bir kaplama eldesi iin, sprey tozlarnn ana malzeme yzeylerine dik olarak arpmas gerekmektedir. Sprey ilemi esnasnda plazma tabancas, elle (manuel) veya otomatik olarak kontrol edilir. El kontroll tabancayla yaplan kaplama ileminde kaplama kalitesini, dorudan tabancay kullanan kiinin el becerisi belirler. Her zaman birtakm problemlere neden olan bu insan faktrnn yerine tabancann yatay ve dikey hareket edebilen sistemlere veya br robota balanmas, uygun bir zm olarak grlm ve uygulanmtr.
22
Plazma Kaplama Yntemleri :nert plazma gazlan kullanlmasna ramen atmosferik artlarda yaplan plazma sprey kaplama ilemi: kaplama alevindeki hareketleri, ana malzemeye arpmalar ve soumalar esnasnda erimi partikller iin oksitleyici artlar oluturur. Bu durum partikllerin tam erimemesine, oksitlere, ar poroziteye, karbon ve dier alam elementlerinin yanmas ile zayf balanma gibi kaplama hatalarna neden olur. Belirtilen problemleri en aza indirmek iin gelitirilen en etkili yol, plazma sprey ileminin koruyucu atmosferlerde yaplmasdr. ekil 4 te plazma sprey yntemleri snflandrlmtr. Atmosferik plazma sprey (APS) hakknda yukarda detayl bilgi verilmitir. nert plazma sprey (PS), inert veya koruyucu bir gaz atmosferi altnda gerekletirilmektedir. Bu yntemde inert gaz olarak genellikle Ar kullanlr. nert gaz atmosferi eriyik sprey partikllerini atmosferin oksitleyici etkisinden korur. Ayrca atmosferik plazma sprey yntemiyle kaplanamayan refrakter metaller gibi reaktivitesi yksek ve paralanmaya meyilli TiC, TiN veya B4C gibi malzemelerle allma imkan salar.
23
Vakum Plazma sprey (VPS) yntemi ise, vakum altnda veya dk basnl gaz ortamnda gerekletirilir. Sprey partiklleri, seyreltilmi bir ortamdan daha az souyarak ve daha az yavalayarak geerler. Dolaysyla kaplama tabakas, daha yksek kinetik enerjiye sahip partikllerle retilir. Sonu olarak bu tip kaplamalar, dk oranlarda porozite ve oksit ierirler. Plazma sprey teknolojisindeki en son yeniliklerinden birisi de, kaplama ileminin su altnda (SPS) gerekletirilmesidir.
24
Plazma Sprey Kaplamalarn Uygulama Alanlar :Plazma sprey yntemiyle retilen kaplamalar, endstride geni kullanm alanlar bulmutur. Plazma sprey ynteminde, ergime noktas yksek metal ve alamlarla allabilmesi nedeniyle, saysz kaplama tozlarnn ve kombinasyonlarnn farkl ana malzemeler zerine uygulanmas sz konusudur. Bu durum, retilen kaplamalarn kullanm potansiyelini artrmaktadr. ekil 5 te kaplamalarn kullanld genel endstri dallar verilmektedir.
25
ekil 5 Plazma sprey kaplamalarn balca uygulama alanlar
26
SUNUMUZ SONA ERMTR DNLEDNZ N TEEKKR EDERZ
HAZIRLAYANLAR : HAMD DEMRBA YUSUF TEKTA27
