Metalik Camların Özellikleri ve Tarihçesi

Metalik camlar, çeşitli metal alaşımlarının sıvı halden, çekirdek oluşumunu engelleyecek kadar kısa bir süre içerisinde soğutulması ve katılaştırılması ile üretilen malzemelerdir. Metalik camlar, birkaç atom mesafesinin ötesinde bir 3 boyutlu tekrarlardan yoksundur. Dolayısıyla herhangi bir kristal yapıya sahip değildir ve amorftur.

Üstün iletkenlik değerleri ve üstün manyetik özellik gösteren camsı metaller şerit halinde üretilebilirler. Bu şeritlerin yüksek doyum indüksiyonu ve düşük histerisis kayıpları vardır [2].

Camsı metaller elektriksel özelliklerinin yanı sıra kristal metallere kıyasla üstün mekanik özelliklere de sahiptir. Örneğin; Amerikan Ordu Araştırma Bölümü’nün desteklediği çalışma ile biyolojik olarak zehirli olduğundan kuşku duyulan uranyum nüfuz edicinin yerini alacak camsı metal zırh nüfuz ediciler geliştirilmeye çalışılmaktadır [3].

Diğer bir özelliği de camsı metallerin yüksek derecede biyouyumlu olmasıdır [4].

2001 yılında fırlatılan NASA’nın Genesis uzay aracının güneş parçacığı toplayıcılarından biri de camsı metallerden üretilmiştir. Camsı metaller kalıp içerisinde ergitilip soğutulduğunda kalıbın tam şeklini alabilmekte, böylece diğer malzemelerle elde edilemeyen şekilleri elde etmekte kolaylık sağlamaktadır [4].

Turnbull ve arkadaşları geleneksel cam oluşturan seramik yapılarda gözlenen cam geçiş sıcaklığının hızlı soğutulan metal alaşımlarında da görüldüğünü raporlamışlardır. Bu demektir ki, söz konusu sıvı; cam geçiş sıcaklığının altına yeterli süre verilmeden soğutulursa amorf yapı elde edilecektir.

Yukarıdaki grafikte sıcaklık değişimi sırasında özgül hacmin nasıl değiştiği gösterilmektedir. Tf söz konusu malzemenin ergime sıcaklığı, Tg ise cam geçiş sıcaklığıdır. Malzeme ergime sıcaklığından, özgül hacim, kristal oluşturacak dengeye ulaşmadan soğutulduğunda aşırı soğumuş sıvı elde edilir.

Basit anlamda akışkanlığın tersi olarak ifade edilen viskozite kavramı, aşırı soğumuş sıvıların tanımlanmasında da kullanılmaktadır. Bu durumda camsı yapılar aynı zamanda aşırı soğumuş sıvılardır ve dolayısıyla aşırı viskoz sıvılar olarak da tanımlanabilir.

METALİK CAMLARIN TARİHÇESİ

İlk metalik cam cam Au₇₅Si₂₅, Caltech’te çalışan Duwez tarafından 1960 yılında rapor edildi. Duwez ekibi ergimiş metal alaşımını 10⁵-10⁶ K/s gibi hızlarda soğutarak amorf yapıya ulaşmışlardır. Soğutma hızının bu denli yüksek oluşu, metalin en az bir boyutunun küçük olması zorunluluğunu kılmıştır. 1970 ve 80’lerde metalik şerit üretimi için ticari hamleler başlatılmıştır (Wang vd. 2004).

Turnbull, çalışmalarıyla metalik cam malzemelerin gelişimine önemli katkılarda bulunmuştur. Temelde metalik camlar ile metalik olmayan ( örn. Seramik ) camlar arasında temel benzerlikleri ortaya koymuş ve farklılıkları vurgulamıştır. Bu çalışmalar daha önce seramik cam üretimi yapılabildiği için “Sadece metal alaşımlarında da benzer prensiplerle amorf yapı elde edilebilir mi?” fikrinin gelişmesine yol açmıştır. Bu fikir ışığında Turnbull, alaşımın cam geçiş sıcaklığının ergime noktasına oranını (Tg/Tm) alaşımların cam oluşturma kabiliyetini belirlemek için bir kriter olarak kabul etmiştir. Bu oran, malzeme biliminde “indirgenmiş cam geçiş sıcaklığı” olarak yerini almıştır. Bu oranın büyük olması malzemenin zor kristalleneceğini gösterir ve daha düşük soğutma hızlarında da amorf yapının elde edilebileceğini iddia eder. Daha sonra yapılan çalışmalar yanında birkaç kriterle birlikte bu kriterin ne kadar doğru olduğunu ispatlamıştır. İndirgenmiş cam geçiş sıcaklığı kriteri verileriyle iri hacimli metalik cam (İHMC) üretimleri de başlamıştır.

Literatürde milimetrik boyutlar iri hacim olarak nitelendirilmektedir. İlk iri hacimli metalik cam Chen tarafından 1974’te elde edilen Pd-Si-Cu alaşımıdır. Pd-Si-Cu cam çubukları, 103K/s gibi düşük soğuma hızlarında basit emme-dökme yöntemleriyle elde edilmiştir. 1982’de Turnbull ve arkadaşları, eriyiği saflaştırmak ve heterojen çekirdeklenmeyi engellemek için bor oksit eritkenleme yöntemini kullanarak Pd-Ni-P alaşımında 1 cm döküm kalınlığına ulaşmayı başarmışlardır. Pd esaslı alaşımların iyi cam oluşturma kabiliyeti tespit edilmesine rağmen Pd pahalı bir metal olduğu için çalışmalar akademik sınırlar içinde kalmıştır.

1980’lerde, hızlı soğutmadan farklı mekanizmalarla camsı yapı oluşturma yöntemleri araştırılmış ve mekanik alaşımlandırma, çoklu tabakalardan kaynaklı difüzyon yoluyla amorflaştırma, iyon demeti karıştırma, hidrojen soğurma ve ters ergitme gibi çeşitli katı hal amorflaştırma yöntemleri geliştirilmiştir.

Metalik camların gelecek vaad eden özellikleri, metalurjistlerin düşük soğuma hızlarında daha kalın malzeme üretme araştırmalarına girmelerine yol açmıştır. 80’lerin sonuna doğru, Tohoku Üniversitesi’nden Inoue ve arkadaşları nadir toprak elementleri ile demir ve alüminyumu araştırmışlardır. Bu sırada Ln-Al-Ni ve Ln-Al-Cu alaşımlarının olağanüstü cam oluşturma kabiliyeti saptanmıştır. Alaşım eriyiği Cu kalıplara döküldüğünde çok düşük soğutma hızlarında dahi cam çubuklar elde edilmiştir. 1991’de aynı grup camsı Mg-Cu-Y ve Mg-Ni-Y alaşımlarını buna paralel Zr esaslı Zr-Al-Ni-Cu alaşımlarında yüksek cam oluşturma kabiliyeti elde etmişlerdir.

1993’te Caltech’ten Peker ve Johnson birkaç cm kritik döküm kalınlığına sahip Vitreloy 1 alaşımını (Zr_41.2Ti_13.8Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5) geliştirmişlerdir. 1997’de Inonue’nin grubu Pd₄₀Ni₄₀P₂₀ alaşımını tekrar ele almış ve kritik döküm kalınlığı 72 mm olan Pd-Cu-Ni-P alaşımını geliştirmişlerdir. Bu malzeme bilinen en kalın metalik camdır.

Bu alaşımların tamamında camsı yapı, kristal yapıdan çok daha sert olmuş bu da aşınma dayanımlarının çok iyi olmasına sebep olmuştur.

Hamdi Ekici
İstanbul Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü
Kuark Bilim Topluluğu Popüler Bilim Yayın Grubu

Kaynaklar:

1. Liebermann, H., Graham, C. 1976 ‘’ Production of Amorphous Alloy Ribbons and Effects of Apparatus Parameters on Ribbon Diemensions ‘’, IEEE Transactions on Magnetics, vol 12, p. 921-923
2. Washco, S.D. 1981. ‘’ Origin of Losses in 2.54 cm Wide Metglas Alloy 2605 SC ‘’, J. Appl. Physc., p. 1989-1995
3. http://www.sciencedaily.com/releases/1998/03/980331074950.htm., 12 October 2012
4. Wang, W.H. Dong, C., Shek, C.H. 2004. ‘’ Bulk Metallic Glasses ‘’, Mat. Sci. Eng R, 44, p. 45-51
5. Chen, H.S.J. 1976. ‘’ Enropy Model for Flow Behavior in Metallic Glasses’’ ,Non-Crystall Solids, p. 135-143
6. Inoue, A. 1999. ‘’ Recent Development and Application Products of Bulk Glassy Alloys’’. Int. J. Non-Equilib Pro. Mat., p. 375-387
7. Inoue, A., Shen B., Takeuchi A. 2004. ‘’Solid Solution Alloys of AlCoCrFeNiTix with Excellent Room-Temperetature Mechanical Properties ‘’, Mat. Sci. Eng. A 375, p. 16-19
8. Inoue, A., Shen, B., Nishiyama, N. 2007. Chapter 1 of Bulk Metallic Glasses, Springer, 10.
9. Basu, J. 2003. ‘’ Bulk Metallic Glasses: A New C of Engineering Materials ‘’, Ranganathan, Sadhana, 3, p. 783-798
10. Inoues A. 2000 ‘’ Bulk Amorphous FC20 (Fe-C-Si) Alloys with Small Amounts of B and Their Crystallized Structure and Mechanical Properties ‘’, Acta. Mater., vol. 48, p. 1383-1395