Cumhuriyet Üniversitesi Öğretim Üyesi Yrd. Doç. Dr. Levent Cenk Kumruoğlu, plazma elektrolizi yöntemiyle borla kapladıkları çeliği 10 kat daha sertleştirdiklerini dile getirirken, bu bağlamda yürüttüğü çalışmaların tüm detaylarını sizler için anlattı.
Sorularımıza geçmeden önce bizlere kendinizden bahseder misiniz?
1996 yılında Sakarya Üniversitesi (SAÜ) Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümüne girdim. 2000 yılında mezun olduktan sonra aynı üniversitede Malzeme anabilim dalında Yüksek Lisans eğitimime yine devam ettim eş zamanlı olarak özel sektörde İstanbul’da faaliyet gösteren bir çelik-dökme demir dökümhanesinde üretim mühendisi ve akabinde teknik müdür olarak devam ettim. 2003 yılında master eğitimini tamamladıktan sonra Bursa’da faaliyet gösteren bir makina-imalat sanayinde üretim, tasarım, cad-cam sorumlusu olarak görev aldım. (2003-2005) Daha sonra kısa bir dönem seramik ve çini üretimi yapan bir vakıfta teknik alanda görev aldım. (2005) Daha sonra Cumhuriyet Üniversitesi (CÜ) Metalurji ve Malzeme Mühendisliği bölümünde Araştırma Görevlisi olarak çalışmaya başladım, ve kimya mühendisliği alanında doktora çalışmasına başladım, takip eden 2 yıl sonra SAÜ, Malzeme Anabilim dalında, Yüzey teknolojileri üzerine doktora çalışmasına başladım. Çalışmalarda yeterli doygunluğa eriştiğimizde daha ileri düzey araştırmalar yapmak için İngiltere-Sheffield üniversitesi Yüzey Mühendisliği bölümünde 1 yıl süre ile misafir bilim adamı olarak Yök görevlendirmesi ile görev aldım, takibi yıl olan 2013 yılında “Elektrolit plazma teknolojisiyle çeliklere uygulanan yüzey modifikasyon işlemleri” isimli doktora tezimi sonuçlandırarak Cumhuriyet Üniversitesi (Sivas) Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümünde Yardımcı Doçent Doktor olarak çalışmaya başladım. Halen Malzeme Ana bilim dalında öğretim üyesi ve bölüm başkan yardımcısı olarak görev yapmaktayım. Ankara doğumlu olmakla beraber köken olarak Sivaslıyım.
“Elektrolit plazma teknolojisiyle çeliklere uygulanan yüzey modifikasyon işlemleri” konulu doktora teziniz kapsamında yürüttüğünüz faaliyetler hakkında bizleri bilgilendirir misiniz?
Metallerin yüzey özelliklerini ilerletmek için düşük maliyetli, pratik, çevreye duyarlı yöntemler geliştirmek amacı ile uzun yıllardır araştırmalar yapılmaktadır. Bu araştırmalar sonucunda konvansiyonel yüzey işlem yöntemlerine alternatif olabilecek bir yöntem tasarlanmıştır. Bu yöntem Plazma Elektroliz olarak adlandırılmıştır. Plazma elektroliz, elektrik deşarjı sağlayan anot elektrot ve yüzey işlemi yapılmak istenen iş parçası (katot) arasında, sıvı esaslı elektrolite uygun bir değerde gerilim uygulanarak katot yüzeyinde “glow discharge, micro arc, spark ignition ve corona” olarak tanımlanan plazma formları oluşturmak sureti ile ısıtma ve yine ısıtılan bu metalin sıvı esaslı elektrolitle kaplanması ve uygulanan gerilim kesilmesi ile aynı sıvı ile su verilmesi işlemidir. Elektrolitin sıvı esaslı olması sistemi hem pratik hem de ekonomik hale getirmektedir. Elektrolit içerisinde çözünen; metal, yarımetal, ametal iyonları, kolloidal yapılar ve nano partiküllerin plazma deşarjları sırasında açığa çıkan 3000-20000 derece sıcaklık ve kuvvetli şok dalgaları ile kaplanacak metal içerisine difüze olmaktadır. Latis adını verdiğimiz kristalografik yapının içerisine giren elementler, arayer atomları ve atomize gazlar, aktive türler, moleküler gazlar hem latisi distorse ederek hem de Borkarbür, Demirnitrür, Fe-Kromit v.b. gibi yeni fazlar oluşturarak yüzeyde sertlik artışına imkan sağlamaktadır. Aynı zamanda oluşan şok darbeleri yüzeyde basma gerilimleri artırarak yorulma hasarını bertaraf etmektedir, bunun sonucu olarak, örneğin bir otomobil dişlisinin ömrü ciddi bir şekilde artmaktadır. Tez kapsamındaki faaliyetler ise, şeklen son derece basit olan bu yöntemin kontrol edilmesi ve sistem değişkenlerinin birbiri ile çalışması şeklinde gerçekleşti. Başlangıçta sisteminin, fiziksel ve elektrokimyasal temel kuramlarını çözümledikten sonra proses parametrelerini optimize ettik. Bu süreçte yöntemi elektrolitik-termo-kimyasal-mekanik yöntem olarak tanımladık. Numune bazlı yapılan çalışmalardan sonra endüstriyel skalada testler uyguladık ve başarılı sonuçlar elde ettik. Bu endüstriyel makine parçalarına, Sondaj boruları, krank ve kam milleri, haddehane merdaneleri, plastik şekil verme kalıpları, panç zımbaları, tarım makinaları, muhtelif dişliler, tren rayları, kesme ekipmanları v.b. örnek olarak verilebilir. Kalite bazında ise bu makine parçaları AISI 1040, 1080, 4140, 4340, 8620, 316, 304, 1.2333, 1.2377, Saf Demir, v.b. olarak anılmaktadır. Bu tür farklı parçaların sertleştirilmesi için gerekli teknik donanımı ve altyapıyı sağladıktan sonra, İngiltere ve Ukrayna’daki bilim adamları ve mühendisler ile konuyu daha ileri seviyede araştırdık. İngiltere’de plazma elektroliz sistemine plazma stabilize edici ve yüzey modifiye gaz destek sistemi tasarladık. Çeliğin yüzeyini bu sistemle nitrür tabakası ile kapladık. Bu kaplama ile ilgili testler Sheffield Üniversitesi Yüzey Mühendisliği laboratuvarlarında gerçekleştirildi. Üretilen kaplamaların korozyon direncini önemli derecede artırdığı gözlendi. Bu konu ile ilgili makaleler yayınlandı. İlaveten plazma diagnostik yöntemlerinden olan optik emisyon spektrometresi ile proses optimize edildi. Bu çalışmalar neticesinde yöntemin sadece yüzey mühendisliği amacı için değil aynı zamanda hidrojen gazı ve atomik hidrojen üretimi içinde kullanılabileceği öngörüldü. Katodik esaslı çalışmalarda hidrojenin plazma teşekkülünü destekleyici özelliği tespit edildi. Bu özellikle üretilen enerji veriminin çok yüksek olduğu belirlendi. Anodik rejimde is oksijen gazının yüzeyde plazma arklarının oluşturduğu tünellere hapsolması ile elde edilen seramik fazların, metalik altlık üzerine kapladığı ve bu kaplamaların başlangıç sertliğine oranla 20 ve daha fazla kadar sertliğinin arttığı ölçüldü. Anodik işlemler, Alüminyum, Titanyum, Magnezyum gibi metallere uygulandı. Bu tür metaller imalat sanayi, savunma sanayi, implant sanayi, havacılık, ulaşım ve otomotiv sanayi gibi çok geniş bir gamda kullanılmaktadır. Yine endüstriyel olarak kaplayıp denediğimiz makine elemanlarında mükemmele yakın neticeler elde ettik. Elde ettiğimiz sonuçları hem ulusal hem uluslar arası toplantı sempozyum gibi bilimsel platformlarda tartışmalara açtık ve ilerleme sürecimizi kalibre etmiş olduk.
“Plazma elektrolizi” yöntemiyle borla kaplanan çeliğin 10 kat daha sertleştirildiği biliniyor. Bizlere bu konuda neler söyleyebilirsiniz?
Uluslararası düzeydeki akademisyenler ile elde edilen teknik ve bilgi kazanımları ile ulusal düzeyde geliştirdiğimiz donanımın entegrasyonu ile “Bor” elementinin plazma elektroliz yöntemi ile kullanılması üzerine çalışmalar yürüttük. Uzun bir süreçte ve tekrarlı olarak gerçekleştirilen binlerce denemenin neticesinde sistematik kaplama parametreleri ve elektrolit kimyasalları elde ettik. Suda çözünen bor hammaddeleri, plazmatron ve plazma jeneratörü tamamen yerli hammadde ve ekipmandan ürettik. Elde edilen bor kaplamaya ait bir elektron mikroskobu fotoğrafı şekilde gösterilmektedir. Şekilde 1 ile 4 arasında gösterilen kaplama yapılan bor ile doyurulmuş bölgede yapılan Mikro-sertlik indentasyon deneyleri sonucunda 1250-1500 HV sertlik değerleri ölçülmüştür. Bu değerler yaklaşık başlangıç değerine göre 10 kat daha sert bir değerdir.
Plazma elektrolizi ile Bor kaplanan 316L çeliğinin SEM görüntüsü
Bu çalışmada yer alan kurumlar ve isimler hakkında bizleri bilgilendirir misiniz? Çalışmalarınız ne zaman başladı?
Kurum olarak, Cumhuriyet üniversitesi– Sivas (CÜ), Sakarya Üniversitesi (SAÜ) Yüzey teknolojileri laboratuvarı, SAÜ Termal Püskürtme Laboratuvarı, SAÜ Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, Paton Kaynak Enstitüsü (Ukrayna) SAÜ Makine Müh. Böl, Sheffield Üniversitesi Yüzey Mühendisliği Bölümü (İngiltere), Sorby Center (İngiltere) de muhtelif çalışmalar gerçekleştirildi. Projede direk veya dolaylı olarak emekleri geçen araştırmacılar ise, Prof. Dr. Fatih Üstel, Prof. Dr. Mehmet Durman, Doç. Dr. Ahmet Özel, Prof. Dr. Hatem Akbulut ve diğer Saü öğretim üyeleri, Yrd. Doç. Dr. Hüseyin Şevik (Mersin Ünv), Yük. Müh. Şehzat Açıkgöz, Yük. Müh. D. Alexander Becerik, Yük. Müh. Soner Ö. Ertürk, Yrd. Doç. Dr. Ali ÖZER (GYTE-Cumhuriyet Ünv), Uzm. Müh. Garip Erdoğan, Uzm. Fizikçi Fuat Kayış (SAÜ), Prof. Dr. Allan Mathews, Dr. Aleksey Yerokhin (İngiltere), Dr. Nayef Alanazi (Arabistan-UK), Dr. Po-Jen Chu (Kanada) Prof. Dr. Yuri Tyurin, Dr. Oleg Kolisnichenko (Ukrayna), Doç. Dr. Murat Baydoğan (İTÜ), Prof. Dr. Hüseyin Çimenoğlu (İTÜ) ve 40’dan fazla SAÜ Lisans ve Yüksek Lisans düzeyindeki mühendis meslektaşlarımız…
Peki, bu çalışmayı yaparken destek aldınız mı?
SAÜ-BAP ve DPT bünyesinde alınan teçhizat ve sarf malzemeleri desteği alındı.
Son yıllarda bor kaplamalar üzerine bir yoğunlaşma görülüyor. Bor’un elemantal olarak kaplamalarda kullanımı hakkında bizlere neler söyleyebilirsiniz?
Borun katı, sıvı ve gaz formlarında kaplama teknikleri var, bu tekniklere dair farklı üniversitelerde son derece öncü çalışmalar yapıldı. Ancak her yöntem avantajlarının yanında yüksek işlem sıcaklıkları, uzun difüzyon süreleri, yüksek vakum ve pahalı donanım gerekliliği, zehirli gazların teşekkülü, kırılgan tabaka gibi dezavantajlar da getirmekte idi. Zaten bor destekli kaplamalara dair yeni süreçlerin Ar-Ge konusu olması da bu dezavantajların olmasına bağlanmaktadır. Bu sebeple son yıllarda borun ergimiş tuz elektrolizi ve elektrolitik plazma, fiziksel buhar biriktirme gibi yeni nesil yöntemler ile kaplanması çalışmalarına hız verilmiş ve farklı üniversitelerde üretilen bu kaplamalarda son derece yüksek performanslı sonuçlar alınmaya başlanmıştır.
Elektrolitik plazma işlemi yapılan Tantalyuma ait SEM-OM görüntüsü
Birazda bu konuda yürüttüğünüz çalışmalardan bahseder misiniz?
Bor kaplama, bizim deneyim kazandığımız süreçteki araştırma larımızdan birisi idi. Bor ile sertleştirme öncesi, Azot, Oksijen, Karbon ile ilgili çalışmalar yaptım. Bu çalışmaların bir kısmı ulusal ve uluslararası dergilerde yayınlandı ancak geniş bir bölümünü ileriki süreçlerde yayınlamayı düşünüyorum. Azot, çelik yüzeyinde nitrür yapısı oluşturmakta aynı zamanda oksijenin varlığı oksitleyici bir ortam sağlamakta, dolayısı ile prosesin doğası gereği demir-oksi-nitrür gibi bir kompozit yapı oluşmakta, bu yapının amorf ve/veya nano-yapılı olması nedeniyle, fonsyonel bir yüzey elde edilmektedir. Ayrıca farklı çelik grubu malzemelerin modifikasyon işlemleri de gerçekleştirildi. Soğuk iş, sıcak iş takım çeliklerinden, dökme demirlere, dökme çeliklerden ıslah çeliklerine kadar birçok ferro metal grubunun plazma elektroliz ile modifikasyon çalışmaları gerçekleştirildi. Hatta elde ettiğimiz veriler bilgisayar destekli programlar ile simule edilerek, sıcaklık gradyanı ve malzeme ısıl transformasyon eğrileri belirlendi.
Son olarak eklemek istedikleriniz neler?
Farklı malzemeler bazında değerlendirme yapacak olursak, Alüminyum alaşımlarının plazma elektrolitik oksidasyon denemelerini yaptık. Bu süreçte termal bariyer ve yüksek sürtünme-aşınma dirençli yüzeyler elde ettik. Alüminyumdan sonra Magnezyum alaşımları üzerine plazma elektroliz işlemleri gerçekleştirdik, bu denemelerde de muazzam korozyon dirençli kaplamalar elde ettik. Magnezyum üzerine yapılan çalışmalar bio-degredable (zamanla çözünüp kaybolan) özellikte olan Tıp ve Veterinerlik operasyonlarında kullanılmak üzere stent ve vida gibi implantlar üzerineydi. Daha sonra yine vazgeçilmez bir biomalzeme olan Titanyum ve alaşımları üzerine çalışmalar yaptık. Bu süreçte biyo-uyumlu olan titanyumun, elektrolit içerisinde çözünen Ca-P elementlerinin belirli oranlarını düzenleyerek, hidroksiapatit (HA) esaslı kaplamaların titanyumoksit altlık üzerine biriktirilmesini sağladık. Bu tür kaplamaları hem numuneler üzerine hem de vida implantları üzerinde gerçekleştirdik. Hidroksiapatit kaplı Ti üzerinde biriken TiO2 yapısının kemik dokusuna son derece uyumlu olması ve plasma elektroliz sonucu yüzeyde meydana gelen tipik poroziteli yüzey sayesinde doku uyumunun mükemmel olması, yöntemin en etkin çıktısı olarak belirlenmiştir. Önümüzdeki süreçte Ti-TiO2-HA kompleks yapısına Ag ve Cu gibi anti bakteriyel nano-toz ve iyonların dop edilmesini hedeflemekteyim. Veya bahsi edilen poroz yapıya kapiler etki ile çözünmüş antibiyotik dopunun çalışılabilecek konular arasında olduğunu düşünmekteyim. Bu süreçte enfeksiyon riskinin in-situ olarak ekarte edileceğini ümit etmekteyim. Bir diğer araştırmada ise, Tantalyum üzerine çalışmalar yaptık, burada hedef elektronik sanayinde kullanılmak üzere kapasitor geliştirmek ve biyolojik uyumlu implant geliştirmekti. Çalışma sonucunda çekilen XRD analizleri sonucu, çok yüksek sıcaklıklarda çalışabilen kararlı Ta2O5 yapısının üretildiğini gördük. Bu konu ile ilgili çalışmaları bir uluslararası dergide yayınladık. Ayrıca borlama, karbürleme ve nitrasyon işlemleri de tantalyum metaline uygulandı. Bu işlemelere ait sonuçlarda umut vermektedir. Aşağıdaki şekilde bio-uyumlu poroziteli yüzey elde edilmiş tantalyumpentaoksit yapısı görülmektedir. Bu yapı mükemmele yakın osseointegrasyon sağlamaktadır. Hedef uygulama alanları, spinal implantlar, dental implantlar, stentler, fixleme elemanları, ajitatör ve karıştırıcılar, ısı değiştirici elemanlar olarak tavsiye edilmektedir.
Bir diğer uygulamada ise cerrahi bipolar ekipmanların dielektrik kaplanarak lokal yalıtım amaçlı kullanılması. Ayrıca Elektrolitik plazma işleminin pas sökme, yüzey temizleme ve kumlama işlemlerine dahi uygun tasarım yapılması halinde alternatif olacağını da testlere binaen tecrübe etmiş olduk.
Son olarak, geliştirdiğimiz Elektrolitik Plazma ve diğer teknolojilerin, savunma sanayi ve askeri amaçlı olarak, inşaat sanayinde, kimyasal teknolojilerde, biyokimya, optik kaplamalar, anti-korozif ve estetik tekstur, atık ve çevre, plazma fiziği, enerji, tıp, medikal, nanoteknoloji ve makina-imalat mühendisliği gibi farklı disiplinlerde kullanım alanları bulunmaktadır. Bu alanlarla ortaklaşa yürütülecek projelerimiz olmakla beraber, sanayicilerinden, araştırma merkezlerinden ve üniversitelerden gelen ortak yürütülecek proje fikirlerine ve sinerjisine de destek vermeye hazırız. Nitekim geliştirilen projelerin sanayide uygulama alanı bulması ve artı değer katması, Akademi ile Sanayi arasında bir ortak nokta oluşturacaktır. Kalkınma ve endüstriyel ivme kazanma adına bu ortak noktaların yaygınlaşmasının elzem olduğu kanaatindeyim.
. . .
İçerik sadece atıfta bulunularak yayınlanabilir: Sivas İş Dünyası. Editöryal görüş, yazarın görüşüne aykırı olabilir.
