Plazma daldırma iyon implantasyonu (PIII) yöntemi ile demir dışı metallerin nitrürlenmesi

Abstract

Plazma daldırma iyon implantasyonu (PIII), metallerin mekanik ve kimyasal yüzey özelliklerini modifiye etmek için geliştirilmiş, konvansiyonel ışın huzmesi iyon implantasyonu gibi, malzemelerin yüzeye yakın bölgesine aşılanmış enerji yüklü iyonları kullanır. PIII'da numune plazma ile sarılır ve negatif yüksek gerilim darbelerine maruz bırakılır. Elektrik alanı boyunca iyonlar (çoğunlukla azot iyonları), ivmelendirilerek numune yüzeyine aşılanırlar. PIII işleminin sağladığı en büyük kolaylıklardan biri, iyon ışınını ve numuneyi elle hareket ettirmeye gerek kalmadan aşılamanın numunenin her tarafında (numune tutucu ile temas eden kısmı hariç) eş zamanlı olarak gerçekleşmesidir._x000B_Yapılan bu çalışmada sahip olduğu özellikler nedeniyle son yıllarda pek çok alanda ve özellikle de protez malzemesi olması nedeniyle sağlık endüstrisinde yaygın olarak kullanılan ancak zayıf yüzey sertliği ve aşınma direncinden dolayı makina mühendisliğindeki kullanımları düşük olan Ti6Al4V alaşımının PIII yöntemi ile azot plazması içerisinde işlem görmüş yüzey ve yüzey altı tabakaların taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve X-ışını difraksiyonu analizleri (XRD) yapılmış, yüzeyde gelişen tabakaların mikroyapıları ve aşınma davranışları incelenmiştir._x000B_XRD analizi sonucunda Tİ6Al4V alaşımının yüzeyinde sıcaklık ve işlem süresiyle doğru orantılı olarak artan TiN ve Ti2N tabakalarının oluştuğu tespit edilmiş bu tabakalar SEM analizleri ve mikroyapı resimleri tarafından da desteklenmiştir. Bu çalışmada oluşan en kalın tabakanın işlem sıcaklığının en fazla yükseldiği 12. deney grubunda olduğu görülmüştür. Pin-on disk aşınma cihazında yapılan aşınma testi sonucunda, PIII işleminde frekans ve darbe süresinin arttırılmasının aşınma direncini arttırdığı saptanmıştır. Plasma immersion ion implantation that is developed in order to modify the mechanical and chemical surface properties of metals like conventional beam line ion implantation, use energetic particles (ions) which is implanted the near surface of materials. In PIII, sample is immersed to plasma and exposed to negative high pulsed voltages. Ions (generally N2 ions) are implanted to sample surface by accelerating ions through the electrical field. One of the most important advantages of PIII is the simultaneously implantation at all sides of sample (except the surface of sample that is in contact with substrate holder) without manipulation of sample and ion beam._x000B_Due to the excellent properties of titanium and its alloys nowadays they are used many industries and commonly used in medical industry especially being the prosthesis material. Ti6Al4V alloy hasn?t common usage in mechanical engineering because of having weak surface hardeness and wear resistance. In this thesis, the scanning electron microscope (SEM), X-Ray diffraction (XRD) and microstructure analysis and wear behavior of surface and sub-surface layers of Ti6Al4V alloy that are treated by PIII method in N2 plasma, are done._x000B_In consequence of the XRD analysis, it is determined that developing of TiN and Ti2N which is increasing directly proportional with temperature and process time at the surface of Ti6Al4V alloy. These layers are supported by SEM analysis and microstructure pictures. It is determined that the thickest layer develop in 12th experiment group which has maximum process temperature. In consequence of wear test done by pin-on disk wear machine, it is confirmed that increasing frequency and pulse time of PIII process improves wear resistance of Tİ6Al4V alloy.