Katı-sıvı arayüzey enerjisinin ölçümü

ÖZET KATI-SIVI ARAYÜZEY ENERJİSİNİN ÖLÇÜMÜ Bu tez çalışmasında Al-Ti peritektik ve Al-Zn ötektik sistemlerinin katı-sıvı arayüzey enerjilerinin ölçümü yapılmıştır. İlk defa Gündüz ve Hunt tarafından kurulan ve daha sonra Maraşlı ve Hunt tarafından geliştirilen deneysel tekniğin çalışma sıcaklık aralığım genişletmek ve yüksek sıcaklıklarda (650 °C 'nin üzerinde) numune üzerinde düşük sıcaklık gradyenti elde edebilmek amacıyla yeni bir radyal ısı akış düzeneği kuruldu. Bu yeni düzenekle + 0,025 °C hassasiyette saatlerce ve ± 0,05 °C hassasiyette 7 gün süreyle sabit sıcaklık sağlanabilmektedir. Silindirik numune, merkezden ince bir ısıtıcı telle ısıtılarak ısıtıcı telin etrafında ince bir sıvı tabakasının oluşması sağlandı. Düzgün bir katı-sıvı arayüzeyi elde edebilmek için numune uzun bir süre (6-12 gün) sabit sıcaklık gradyentinde tutuldu ve ani soğutmayla tane arayüzey oluk şekilleri elde edildi. Tane arayüzey oluklarının fotoğrafları görüntü analiz sistemi yardımıyla çekildi ve her bir oluğun tane arayüzey oluk koordinatları bilgisayar yardımıyla ölçüldü. Al-%84 ağ. Zn, Al-%95 ağ. Zn ve Al-%99.5 ağ. Zn alaşım sistemlerinde katı fazın ısı iletkenlik katsayıları radyal ısı akış düzeneğinde ölçüldü. Al-%95 ağ. Zn alaşımının katı ve sıvı fazlarının ısı iletkenlik katsayıları oranı ise doğrusal katılaştırma fırınında ölçüldü. Ölçülen tane arayüzey oluk koordinatları, katı fazın sıcaklık gradyenti ve ısı iletkenlik katsayıları oranı kullanılarak katı Ala, katı Zn ve katı AlZn sistemlerine ait Gibbs- Thomson katsayıları bilgisayar programıyla hesaplandı. Gibbs-Thomson katsayıları ve birim hacim başına düşen erime entropisi değerleri Gibbs-Thomson denkleminde kullanılarak bu sistemlerin katı-sıvı arayüzey enerjileri elde edildi. Her bir sistemin tane arayüzey enerjileri ise tane arayüzey oluk şekillerinin tabanındaki kuvvet dengesinden faydalanarak hesaplandı. VI SUMMARY THE MEASUREMENT OF SOLID-LIQUID INTERFACE ENERGY In this thesis, the solid-liquid interface energies were measured in the Al-Ti peritectic and Al-Zn eutectic systems. In order to obtain lower temperature gradient at higher working temperatures (above 650 °C) and to increase the working temperature scale of the experimental technique (firstly set up by Gündüz and Hunt and improved by Maraşh and Hunt) a new radial heat flow apparatus was set up. This new apparatus gave a very stable temperature (± 0.025 °C for hours and ± 0.05 °C for up to 7 days). The cylindrical sample was heated from the center by a thin heating wire and a thin liquid layer was melted around the central heating element. The sample was held in a constant temperature gradient for a long period (6-12 days) to get a well-defined solid-liquid interface and then the grain boundary groove shapes were obtained by rapid quenching. The photograph of the grain boundary groove shapes were taken by an image analyze system and the coordinates of the grain boundary groove shapes were measured by a computer. The thermal conductivities of the solid phases for the Al-%84 wt. Zn, Al-%95 wt. Zn and Al-%99.5 wt. Zn alloys were measured by the radial heat flow apparatus. The ratio of the thermal conductivities of liquid and solid phases for Al-%95 wt. Zn alloy was also measured by the directional solidification apparatus. The Gibbs-Thomson coefficients for solid Ala, solid Zn and solid AlZn were calculated by the numerical method using the equilibrated grain boundary groove coordinates, temperature gradients and the thermal conductivities ratio. The solid-liquid interface energies of these systems were obtained from Gibbs-Thomson equation by using the values of the Gibbs-Thomson coefficients and the effective entropy change per unit volume. The grain boundary energies of each system were calculated from force balance at the bottom of the grain boundary groove shapes. 178