Max fazi alaşimlari ve termo-fiziksel özellikleri

Özet

MAX fazı alaşımları 1960’ların sonlarında yüksek sıcaklık uygulamaları alanındakullanılmaya başlayan, kristal yapı özellikleri nedeniyle katmanlı alaşımlar olarak da tanımlanan bir alaşım grubunu temsil etmektedir. Bu alaşımlarınadlandırılması: M _n+1 AX _n n:1-5; M:Geçiş metallerini (Ti, Zr, Hf, V, Mo, Ta gibi); A: A grubu metalleri (Al, Si, In, Ge, Ga, Sn, Pb gibi) ve X ise: C (karbür) ve/veya N (Nitrür) şeklindedir.MAX fazı alaşım kompozisyonlarının yüksek ergime noktasına sahip olmasının yanında yüksek sıcaklıklarda kararlı olması, yüksek termal şok direnci, yüksek sürünme ömrü, yüksek oksidasyon direnci ve termal yorulma dayanımı,üstün termofizikselözellikler sergilemesi, yüksek sertlik ve kimyasal direnç özellikleri nedeniyle uzay ve havacılık sektöründe, kesici takım sektöründe ve ısı elemanları sektöründe ilgi görmektedir.Bu alaşımlar oldukça rijit ve sertolmalarına karşın rahatlıkla işlenebilme kabiliyetine sahiptirler. Katmanlı kristal yapısı hem metalik hemde seramik malzeme özelliklerini bir araya getirmektedir. Kimyasal stokiometri ve kristal yapı malzeme özelliklerini belirlemektedir.MAX fazı alaşımları endüstriyel uygulamalarda kütlesel halde, toz halinde, köpük veya kaplama halinde kullanılabilmektedir.Bu çalışmada MAX fazı katmanlı alaşımları tanıtılmaya çalışılmıştır. Gerek endüstriyel uygulamalarda gerekse akademik çalışmalarda öne çıkan Ti ₃ SiC ₂ MAX fazı alaşımıdiğer MAX fazı alaşımlarıile karşılaştırmalı olarak incelenmiş, kompozisyonel yapıları, teknolojik özellikleri irdelenmiş ve potansiyel uygulamaları tartışılmıştır [1-11].

Abstract

MAX phases represent a gruop of alloys which is also defined as multilayered alloys because of their crystal shape specifictiy that started to be used in the late 1960’s. MAX phase alloys are usually sorted like this. Mn+1AXn n:1,2,3; M: Transition metals (Like Ti, Zr, Hf, V, Mo, Ta ) : A: A group metals (Like Al, Si, In, Ge, Ga, Sn, Pb ) and X: C (carbide) and/ or N (nitride) . MAX phase alloy are stable at high temparature and they have transcendent thermo physical properties. They have high hardness and chemical resistance so they make them interesting in aviation, thermal energy component and cutting tools sectors. In the high temperature executions, they are prefered because they have high thermal shock resistance, high creep lifetime , high oxidation resistance and thermal fatigue endurance. Layered crystal shape put together both metallic and seramic characteristics. Chemical stoichiometry and crystal shape modify material properties.MAX phase alloys can buusedas bulk, powder and coating forms.MAX phase alloys are expensive due to their superior specificties in trading executions as a patented product. In this study we tried to introduce MAX phase multi layered alloys. Ti ₃ SiC ₂ MAX phase alloy with reference to the MAX phase alloys as compared to other compositional structures, technological properties were examined and potential applications are discussed [1-11].

1. Max fazi alaşimlarina giriş

• Sorumlu Yazar 

MAX fazlı malzemeler genel olarak M _n+1 AX _n (n= 1- 5) şeklinde formüle edilmiş olup, M harfi geçiş metallerini, A harfi A grubu elementlerini, X ise Karbon (C) veya Azotu (N) ifade etmektedir. Şekil 1’de, periyodik tabloda MAX fazlı alaşımların sınıfları gösterilmiştir. Anlaşılacağı üzere MAX fazlı malzemeler çok geniş bir kompozisyona ve katmanlı bir kristal yapıya sahiptirler. Bu malzemeler stiokiometrik yapılarına göre beş ana grupta toplanmaktadır. Bu gruplar genel olarak; 211, 312, 413, 523 konfigürasyonundadır. 413 gibi bazı stokiometrik yapılar hariç MAX fazı alaşımlarının önemli bir çoğunluğu 1960’lı yıllarda keşfedilmişlerdir. MAX fazlı malzemeler üçlü veya dörtlü karbür veya nitrür sistemleri şeklinde de tanımlanabilmektedir. Bu tanıma göre, günümüzde 10dan fazla MAX fazı alaşım sistemleri bulunmaktadır. Bunlar:

(1) Ti-Si-C sistemi (Ti₃SiC₂, Ti₄SiC₃, Ti₅Si₂C₃ ve Ti₇Si₂C₅), (2) Ti-Al-C sistemi (Ti₂AlC Ti₃AlC₂ Ti₅Al₂C₃), (3) Ti-Ge-C sistemi (Ti₂GeC ve Ti₃GeC₂, Ti₄GeC₃, Ti₅Ge₂C₃ ve Ti₇Ge₂C₅), (4) Ti-Sn-C sistemi (Ti₃SnC₂), Cu-Ti₂SnC, Ti₇SnC₆), (5) Ti-Ga-C sistemi (Ti₄GaC₃), (6) V-Al-C sistemi (V₂AlC, V₄AlC₃), (7) VCr- Al-C sistemi (V_0.5Cr_0.5)₃AlC₂, (V_0.5Cr_0.5)₄AlC₃), (8) Ta-Al-Sn-C sistemi (Ta₃Al_0.6Sn_0.4C₂, Ta₃AlC₂), (9) Ta- Al-C sistemi (Ta₄AlC₃ yeni fazı Ta₃Al_0.6Sn_0.4C₂), (10) Nb-Al-C sistemi (Nb₂AlC, Nb₄AlC₃) ve (11) Ti-Nb-Al- C sistemi (Ti, Nb₅AlC₄).

Şekil 1.

Periyodik cetvele göre olabilecek MAX fazlı yapılar [1].

Genel olarak kristal yapıdaki farklılık katmanları ayıran M katman sayılarının farkıdır. Bundan dolayı bu alaşımlara nano katmanlı kompozitler adı da verilebilmektedir. Şekil 2’de yüksek çözünürlüklü elektron mikroskop görüntülerinden anlaşılacağı üzere MAX fazı alaşımları birbiri üzerinde çok katmanlı bir kristal yapıya sahiptir. Nano katmanlar halinde kristal yapıya sahiptirler. Yüksek sıcaklıklarda termodinamik koşullar altında ısıl işlemler sonucunda atomlar katmanlı bir dizilim sergilemektedirler ki farklı bir atom dizilimleri ile metal-seramik özelliklerini bir arada ihtiva eden özel bir kristal yapıya sahiptirler. Bu alaşımlar sahip oldukları üstün özellikler nedeniyle ticari uygulamalarda patentli ürün olarak yüksek maliyetlerle karşımıza çıkmaktadır. Örnek olarak Ti₃SiC₂ ve Ti₂AlC tozlarının ortalama satış fiyatı 500$/kg’dır (Sandwich Materials Technology).

Şekil 2.

MAX fazı alaşımı yapısının elektron mikroskobu görüntüsü [2, 3].

Tablo 1. MAX fazları seramik ve metalik özellikleri.

Yüzden fazla MAX fazı yapısı olmasına rağmen, endüstriyel uygulamalarda genel olarak kaşılaşılan türleri 3 ayrı hegzagonal kristal kafes sistemi ile karşımıza çıkmaktadır. Şekil 3’de bu kafes sistemleri verilmiştir. Üç yapı arasındaki farklılık; A katmanının kaç adet M katmanı ile ayrıldığına bağlıdır. Örneğin 211 yapısında A katmanı 2 adet oktehedral M katmanı ile, 312 yapısında A katmanı3 adet oktehedral M katmanı ile ve 413 yapısında 4 adet oktehedral M katmanı ile tanımlanmaktadır. MAX fazlarının çoğunluğu 1960’larda Nowotny [4] tarafından keşfedilmiştir. İlk keşfedilen alaşımlar arasında 50 tanesi M₂AX yani 211 fazları, 5 tanesi M₃AX₂ yani 312 (Ti₃SiC₂)fazlarıdır, M₄AX₃ 413 fazının ilk üyesi Ti₄AlN₃ alaşımlarıdır. Sonrasında keşfedilen alaşımlar ise Ta₄AlC₃, Nb₄AlC₃, ve V₄AlC₃’dür. Tablo 1’de görüleceği üzere MAX fazı alaşımları seramik ve metalik fazların üstün özelliklerini bir araya getirmekte olup bu malzemeler metalik ve seramik malzemeler arasında geçiş malzemeleri olarak da tanımlanmaktadır.

Şekil 3.

MAX faz birim hücre: (a) 211, (b) 312,ve(c) 413 fazları [1].

PDS prosesinin diğer proseslere göre üstünlükleri veya avantajları yukarıda Tablo 2’de görüldüğü gibidir fakat Tablo 3’de PDS ve Tablo 4’de HP prosesi üretimi parametreleri ve çıktıları irdelendiğinde Ti₃SiC₂ fazı oranlarının HP prosesinden düşük seviyelerde olduğunu görmekteyiz. Bunun nedeni ise Ti₃SiC₂ fazı oluşum esnasında dış etkilere maruz kalması Ti₃SiC₂ fazından termodinamik açıdan daha kararlı olabilecek TiC, SiC, Ti_xC_y, TiSi₂ gibi fazların oluşmasına sebebiyet vermesidir.

1.1. MAX Fazı Alaşımlarının Üretimi

MAX fazı alaşımlar birbirinden farklı üretim yöntemleri ile yüksek sıcaklık ve yüksek basınç altında, farklı metal +seramik toz karışımlarının sentezlenmesiyle ve bir seri reaksiyon sonucunda üretilmektedir. Tablo 2’de bu malzemelerin üretim yöntemleri ile proses parametreleri verilmiştir. Stokiometriye, üretim kabiliyetine ve proses maliyetine bağlı olarak yöntemler birbirine göre farklılık ve üstünlük sağlamaktadır.

Bu yöntemler arasında en belirgin olanları darbeli deşarj sinterleme ve sıcak izostatikpres yöntemleridir:

Darbeli deşarj sinterleme(PDS) ile üretim prosesinde: Proses sıcaklığının 1200°C’ye kadar düşürülebilmesi ve proses süresinin 15-60 dakikada gerçekleşebilmesi ve basit bir proses olması avantajları yanı sıra yüksek maliyet ve vakum sistemi gerektirmesi dezavantajları mevcuttur.

Sıcak presleme (HP), sıcak izostatik presleme (HIP), kendi kendine yanmalı/sıcak izostatik presleme (SHS/HIP) ve sıcakizostatik pres (PHIP) prosesleri: proses sıcaklığı, işlem süresi, basınç, ortam atmosferi ve maliyet parametreleri fazla farklılık göstermemekle birlikte uygulama zorlukları açısından farklılık göstermektedir.

Ti₃SiC₂MAX katmanlı alaşımı örneğine bakacak olursak farklı termodinamik reaksiyonlar ile üretilebildiğini görmekteyiz. Fakat bu durum proses farklılıkları ile değişim göstermektedir ki örneğin, SHS prosesi üretiminde Ti/SiC/Si başlangıç karışımı ile Ti₃SiC₂ fazı elde edilememektedir.

Ti + Si + C → Ti₃SiC₂

Ti + SiC + C → Ti₃SiC₂

Ti + TiSi2 + TiC → Ti₃SiC₂

Ti + SiC + TiC → Ti₃SiC₂

Ti + Si + TiC → Ti₃SiC₂

Tablo 2. Üretim proseslerinin parametreleriyle birlikte karşılaştırılması [9].

Şekil 4.

MAX fazı üretim proseslerinden bazıları [3].

1.2. Ti-Si-C Sistemi MAX Fazı Alaşımlarının Üretimi

MAX fazları Ti-Si-C sistemi içerisinde farklı reaksiyon sistemleri ve farklı prosesler ile çalışmalar yapılmaktadır. Tablo 3 ’de PSD prosesinin basit uygulaması kullanılarak farklı başlangıç tozları, karışım oranları, sinterleme sıcaklığı ve sinterleme süresine bağlı olarak Ti₃SiC₂ fazının oluşumu gözlenmektedir. Genel olarak literatüre bakıldığında verimli bir reaksiyon ile yüksek oranda MAX fazı üretebilmek için koruyucu gaz atmosferindeki proseslerin daha verimli olduğunu görmekteyiz ve bunun sonucu olarak koruyucu atmosferde (Argon) yapılan çalışmalarda kompozisyonda küçük molar değişimlerin etkinliği aşağıdaki Tablo 4 ’de görüldüğü gibi oldukça fazladır. Ti-Si-C sisteminde yüksek sinterleme sıcaklıklarında %100 oranında Ti₃SiC₂ fazı elde edilebilmektedir.

Tablo 3. Ti₃SiC₂ alaşımın darbeli deşarj sinterleme işlemi parametreleri [3].

Tablo 4. Farklı karışımlarda sıcak pres (HP) prosesi ile Ti₃SiC₂ alaşımının üretimi [2].

Yapılan araştırmalarda MAX fazlı kompozitler üzerinde 2010 yılında yaklaşık 1200 bilimsel makale bulunmakla birlikte, bu çalışmaların önemli bir bölümü Ti-Si-C sistemine ait fazlar oluşturmaktadır. Bu nedenle bu inceleme yazısında Ti-Si-C sistemi ayrıntılı olarak irdelenmiş ve diğer alaşımlar ile karşılaştırılmıştır. Şekil 5’de görüleceği üzere Ti₃SiC₂ MAX fazı alaşımının farklı sıcaklıklarda sinterleme sonrası faz analizi sonuçları sergilenmektedir. Görüleceği üzere sinterleme sıcaklığına bağlı olarak faz dönüşümleri meydana gelmektedir. 300°C sıcaklıklara kadar sistemde sadece α-Ti ve SiC fazları bulunmaktadır. Bu sıcaklıktan 1000 °C sıcaklıklara kadar α-Ti ve SiC fazlarında azalma gözlenirken ≈300°C sıcaklıklarda oluşan β-Ti fazı artış göstermekte bu artış 1000°C sıcaklıktan sonra 1400°C sıcaklıklara kadar düşüş göstermektedir. Bununla beraber, sıcaklığın yükselmesiyle termodinamik açıdan daha kararlı olan TiC_x,Ti₅Si₃C _x fazları 600°C sıcaklığı ile 1400°Cye kadar ağırlıkça %80 faz oranlarına çıkmakta ve 1400°Cye ulaşıldıktan sonra bu fazlar o sıcaklıkta daha kararlı olan Ti₃SiC₂ MAX fazına dönüşmektedir.

Şekil 5.

Ti₃SiC₂MAX fazı sentezi (HIP) sırasında oluşan XRD sonuçları ve kantitatif analizleri [10].

2. Max fazi alaşimlarinin mekanik özellikleri

2.1. Elastik Özellikler

MAX fazı alaşımlarının karşılaştırmalı olarak mekanik özellikleri Tablo 5 ve Şekil 6’da verilmiştir.Ti₃SiC₂alaşımlarının yoğunlukları≈4-5 gcm^-3 nispeten düşük olmasına rağmen, spesifik mukavemet, elastik modül ve sertlik değerleri oldukça yüksektir. Poisson oranı dikkate alındığında Titanyum: 0.34, Paslanmaz çelik: 0.3, Dökme demir: 0.21 poisson oranına sahipken, MAX fazları ortalama 0.2 civarındadır [12]. Genel olarak, ln, Pb, Sn ihtiva eden MAX fazları (Ti₂InC, Ti₂SnC) daha düşük sertliğe, daha düşük elastik modüle ve düşük yoğunluğa sahip oldukları tespit edilmiştir. Buna karşın Ta₂AlC ve Ta₄AlC₃MAX fazı bileşikleri en yüksek yoğunluğa sahiptirler. En yüksek elastik modüllere sahip MAX fazı alaşımları ise: Ti₃SiC₂ ve TiAlCN, Ti₄AlC₃’dür.Genel olarak, ln, Pb, Sn ihtiva eden MAX fazları daha düşük sertliğe ve yoğunluğa sahip malzemelerdir. Örneğin, Zr₂SnC, Nb₂SnC ve Hf₂SnC üçlülerinin Young modülleri (E ) sırasıyla 178, 216 ve 237 GPa, Ti₃SiC₂ göre daha düşüktür. En düşük bulkmodülü (B) 127 Gpa ile Zr₂lnC’dir [13]. En yüksek bulkmodülüne sahip alaşım ise 260 GPa ile Ta₄AlC₃’dür[1]

Tablo 5. MAX fazlı malzemelerin elastik özellikleri [1].

Şekil 6.

Teorik ve deneysel MAX fazlarının a) Bulk modülü “B” b) Youngmüdülü “E” [1].

2.2. Ti₃SiC₂ Fazı Alaşımlarının Yüksek Sıcaklıklarda Elastik Modüllerinin ve Poisson Oranlarının Karşılaştırması

Ti ₃ SiC ₂ MAX fazının yüksek sıcaklıklardaki elastik modülü Ti ₂ AlCfazınagöredaha yüksektir (Şekil 7). 1200 oC seviyesinde bile oldukça yüksek elastik modüle sahiptir. Bu özelliği yüksek sıcaklıklarda kararlı bir yapı oluşturmasında etkin rol oynamaktadır. Bunun yanında artan sıcaklık etkisi ile Ti ₃ SiC ₂ MAX fazının poisson oranı artışı Ti ₂ AlC fazına göre daha fazladır(Şekil 8).

Şekil 7.

Sıcaklığa bağlı Ti₃SiC₂ ve Ti₂AlC fazlarının elastik modülleri [14].

Şekil 8.

Sıcaklığa bağlı Ti₃SiC₂ ve Ti₂AlC fazların poisson oranı [14].

2.3. Ti₃SiC₂ Alaşımının Kırılma Tokluğu

MAX fazlarının karşılaştırmalı kırılma tokluğu, eğilme, çekme ve basma mukavemeti Tablo 6’de özetlenmiştir. Görüldüğü gibi tane büyüklüğünün bir fonksiyonu olarak ince taneli yapıların eğilme mukavemeti daha yüksektir. Ti₃SiC₂ alaşımının kırılma tokluğu MAX fazı alaşımları arasında en yüksek olanıdır.Ti₃SiC₂alaşımının kırılma tokluğu ortalama 7-16MPa m1/2. Eğilme ve basma mukavemetlerine bakıldığında Ti₃SiC₂ alaşımı daha yüksek dayanım sergilemektedir.

Tablo 6. MAX fazı alaşımlarının mekanik özelliklerinin karşılaştırılması [1].

2.4. Yüksek Sıcaklıklarda Mekanik Özellikler

MAX fazların en önemli üstünlüğü yüksek sıcaklıklarda mekanik özelliklerinin tatmin edici olmasıdır. Bu doğrultuda düşük gerilme altında sürünme ömürleri oldukça yüksektir. Şekil 9’dan görüleceği üzere süper alaşımlara (tek kristalli nikel esaslı süper alaşımlar) ve intermetalik (FeAl, TiAl, NiAl gibi) alaşımlara göre daha üstün performans sergilemektedirler.

Şekil 9.

Mekanik özelliklerin sıcaklık ile ilişkisi [4].

2.5. Oda Sıcaklığında ve Yüksek Sıcaklıklarda Aşınma ve Sürtünme Davranışları

MAX fazı alaşımları yüksek aşınma direncine sahip olmalarına karşın kolayca işlenebilme kabiliyeti sergilemektedirler. MAX fazları yüksek hız takım çelikleri ile kolaylıkla işlenebilmektedir. MAX fazlarının tribolojik özelliklerini belirlemek amacıyla Inconel 718 ve Inconel 600 süper alaşımları ile oda sıcaklığında aşınma testlerinden elde edilen veriler aşağıdaki Tablo 7’de sergilenmektedir. Görüleceği üzere oda sıcaklığında Ti₃SiC₂, Ti₂AlC’e göre daha fazla aşınma hızı sergilemektedir. Sürtünme katsayıları birbirine oldukça yakındır.

Tablo 7. Oda Sıcaklığında ve 3N yük altında aşınma oranı (WR) ve sürt. kats. (μ) [15].

Tablo 8’de ise yüksek sıcaklık aşınma ve sürtünme test sonuçları özetlenmiştir. MAX fazlarının yüksek sıcaklıklarda süper alaşım partnerleriyle aşınma testleri sonuçlarına bakıldığında aşınma hızı önemli ölçüde azalmakta ve aşınma direncinin önemli oranda arttığını görmekteyiz. Bu durum MAX fazlarının yüksek sıcaklıklarda çalışma ortamına sahip uzay ve havacılık alanlarında süpersonik hızlarda erozif aşınmaya karşı önemli bir kullanım potansiyeli sağlamaktadır.

Tablo 8. 550⁰C derecede farklı tribo çiftlerinin aşınma oranları ve sürtünme katsayıları [15].

3. Max fazi alaşimlarin faz kararliliği

MAX fazlarının genelinden önde gelen özellikleri faz kararlılıklarıdır. Literatür verilerine bakıldığında 700⁰C ye kadar mükemmel oksidasyon direnci[16] ve 2300⁰C ye kadar faz kararlılığını korumaktadır[11] ve Ti₃SiC₂ için ergime sıcaklığı 3000°C’nin üzerindedir[11]. MAX fazlarından Ti₃SiC₂,Ti₃AlC₂, Ti₂AlNkompozisyonlarının faz kararlıkları Şekil 10’da gösterilmektedir.Ti₃SiC₂, Ti₃AlC₂, Ti₂AlN kompozisyonları 1300 ̊C’ye kadar faz kararlılıklarını koruyabilmektedir. Ti₃SiC₂alaşımı diğerlerine göre daha stabil davranmakta olup kararlılığını kaybettiğinde termodinamik acıdan daha kararlı olan TiC fazını oluşturmaktadır.Ti₃AlC₂ üçlü kompozisyonu ise 1300°C’den sonra ani faz değişimine uğramakta ve ikinci bir MAX fazı olan Ti₂AlCile birlikte TiC fazlarını oluşturmaktadır.

Şekil 10.

Sıcaklığa bağlıa.Ti₃SiC₂ fazının, b.Ti₃AlC₂ faz kararlılığı [17].

4. Max fazlarinin termal özelliklerinin karşilaştirilmasi

4.1. Kompozisyonel Kararlılık

Yüksek sıcaklık koşullarında MAX fazlı malzemelerde ayrışma gözlenmektedir: M _n+1AX_n → M_n+1Xn + A.

Bu malzemelerin ayrışma sıcaklığı kompozisyona bağlı olarak değişmektedir. Örneğin, Ti-Si-C sisteminde bu sıcaklık değeri 2300°C’dir, Ti₃SiC₂ fazı yüksek sıcaklıkta ayrıştığında Ti₃C₂ve Si’a ayrışma gerçekleşmektedir. Diğer bir ifade ile malzeme kendini oluşturan iki katmanına ayrışmaktadır. Kalay içeren üçlü sistemlerde ayrışma sıcaklığı 1200-1400°C arasında değişmektedir. Termal kararlılık, birden fazla parametreye bağlı olmakla beraber en önemli etkenler oksijen ve safsızlıktır (impürite). Yüksek termal kararlılık ve oksitlenme direnci, Ti-Al-C sisteminde, 211 ve 312 yapılarda yoğun bir şekilde alümina oluşumuna bağlıdır. İnce film kaplamalarının ayrışması ise öncelikli olarak ortam sıcaklığının yanında yapıda bulunan yabancı elementlere (safsızlığa) bağlıdır. Yüksek sıcaklıkta, malzeme yapısında bulunan karbon atomları noktasal kusurlara ve oksijen çatlaklarına göç etmektedir. Bu durum bozunmayı artırmaktadır.

4.2. Kimyasal Tepki Verme Ve Oksitlenme Direnci

MAX fazı katmanların, kimyasal kararlılığı, sistemden sisteme değişmektedir. A grubu katmanları zayıf bağlı katmanlar olup en reaktif katmanlardır. Örneğin, Ti-Si- C sisteminde 312 fazı bol karbonlu bir ortamda, yapıdan silisyum kaybı ve TiC oluşumu gerçekleşebilir. Aynı malzeme ergiyik kiriyolit veya ergiyik Al ortamında da Si kaybı ve TiC oluşumu görülmüştür. Bazı durumlarda Ti₂InC sisteminde belirli bir sıcaklık vakum ortamında A grubu elementini kaybettiği ve TiC_x oluşumunun gerçekleştiği tespit edilmiştir.

4.3. Isı Kapasitesi

Şekil 11’de görüleceği üzere Ti₃SiC₂ alaşımı artan sıcaklıkla birlikte ilk aşamada hızlı ısı kapasitesi artışı 1000 K sonrasında ise kararlı hale geçmektedir. Ti₃SiC₂ alaşımının ısı kapasitesi 150 J/mol K seviyesindedir.

Şekil 11.

Ti₄AlN_2.9[10], Ti₃SiC₂[13] ve Nb₂SnC[14] MAX üyelerinin ısı kapasitelerinin değişimi.

Şekil 12.

Oksidasyon ortamında Ti₃SiC₂ alaşımının performansı [18].

4.4. Termal Genleşme Katsayısı

MAX fazı alaşımlarının termal genleşme katsayısı(TGK) değerleri Tablo 9’da sergilenmektedir. Alaşımların genleşme katsayıları 7.5x10^-6 ile 11 x10^-6 K^-1 arasında değişmektedir [11]. Bu durum kaplama malzemesi olarak kullanılma potansiyelini artırmaktadır. Aynı zamanda termal gerilme dayanımı açısından da avantaj teşkil etmektedir.

Tablo 9. Termal genleşme katsayılarının (TGK) karşılaştırılması [11].

4.5. Oksidasyon Direnci

MAX fazı alaşımlarının kimyasal kararlılığı, sistemden sisteme değişmektedir. A grubu katmanları zayıf bağlı katmanlar olup en reaktif katmanlardır. örneğin, Ti-Si-C sisteminde 312 fazı bol karbonlu bir ortamda, yapıdan silisyum kaybı ve TiC oluşumu gerçekleşebilir. Aynı malzeme ergiyik kiriyolit veya ergiyik Al ortamında da Si kaybı ve TiC oluşumu görülmüştür. Bazı durumlarda Ti₂InC sisteminde belirli bir sıcaklık vakum ortamında A grubu elementini kaybettiği ve TiC_x oluşumunun gerçekleştiği görülmüştür. Şekil 12’de görüleceği üzere nikel ve kobalt esaslı süper alaşımlardan daha yüksek oksidasyon direnci sergilemektedir.

4.6. Termal İletkenlik

MAX fazı alaşımlarının artan sıcaklığa bağlı olarak termal iletkenlik değerleri Şekil 13’de verilmiştir. Ti₃SiC₂, Ti₂AlC, Ti₄AlC₃, Nb₂SnC üçlülerinin sıcaklığa bağlı termal iletkenliklerinin değişimi sergilenmektedir. Oda sıcaklığında en yüksek termal iletkenliğe Ti₂AlC sahip olup artan sıcaklıkla termal iletkenlik değeri düşmektedir. Ti₃SiC₂ve Ti₂AlC alaşımları 1000K üzerinde difüzyonel değişimler nedeniyle termal iletkenlik değerleri azalmakta ve iletkenlik değerleri birbirine yaklaşmaktadır. Buna karşın Nb₂SnC, Ti₄AlC₃ alaşımlarının termal iletkenlikleri sıcaklıkla birlikte artış göstermektedir. 1200 K seviyesinde termal iletkenlik değerleri 30-40 W/m K arasındadır. Bu özellikleri nedeniyle özellikle fırın rezistans telleri için avantajlıdır.

Şekil 13.

Sıcaklığa bağlı termal iletkenlik özellikleri [11].

5. Genel değerlendirme

MAX fazlarının malzeme özellikleri göz önüne alındığında yüksek sıcaklık uygulamalarında önemli avantajları olduğu görülmektedir. Buna paralel olarak gelecekte kullanım alanı çeşitliliği ve kullanım oranının artması beklenmektedir. Araştırmaların önemli bir bölümünü Ti_xSi_yC_z bileşikleri oluşturmaktadır. Ti₃SiC₂fazının diğer MAX fazlarına göre daha yüksek sıcaklıklarda daha kararlı olması ve yüksek mekanik özelliklere sahip olması nedeniyle daha yoğun ilgi duyulan bir MAX fazı katmanlı alaşımdır. Rezistans malzemelerde ve kesici takımlarda gelecekte uygulama potansiyelinin artması beklenmektedir. Oksidasyon direnci nedeniyle de havacılık uygulamalarında kullanılması söz konusudur.