TARIFNAME isiL PUSKURTME YOLU iLE çOK KATMANLI SERAMIK YAPILAR URETMEK içiN BIR Bulusun Teknik Alani Mevcut bulus, radom muhafazasi (radom) üzerine seramik kaplama malzemelerinin isil püskürtülmesi yolu ile çok katmanli seramik genisbantli radar muhafazalari üretmek için bir metottur. Bulusun Arka Plani Daha yüksek Mach sayilarinda çalisan füze radar muhafazalari, yüksek sicaklik, isil ve mekanik yükler ve çevresel faktörler (yagmur/ toz/ kum erozyonu, nem) gibi agir kosullar ile karsilasmaktadirlar. Bu zorluklarin bir sonucu olarak, radar muhafaza malzemeleri, süper/hipersonik hizlarda gerçeklesen uzun süreli uçuslardaki isterleri karsilamak için seramiklerden seçilmektedir. Hem bu tür radar muhafazalari, hem de genisbantta çalisan arayici baslik muhafazalari hakkinda sinirli bilgi mevcuttur. Genisbant RF kabiliyeti, çoklu katmanlardan olusan monolitik bir yapi ile mümkün olmaktadir. Her bir katmanin, istenen frekans araliginda toplam RF performansina katkida bulunan spesifik bir kalinligi ve dielektrik sabiti vardir. Düsük ve yüksek dielektrik katmanlari birlestirerek gelistirilen genisbantli füze radar muhafazalariyla ilgili olarak, açik literatürde 'ozellikle organik tabanli malzemeler için bilgi bulunmaktadir. Düsük dielektrik katmanlar çogunlukla köpükler, petekler, organik yapidaki düsük yogunluklu mühendislik plastikleridir (PTFE, Duroid, PVC diizosiyanat, polyesterimid, polimetakrilimid ve benzeri). Bu malzemelerin bazilari, katmanin mekanik ve sicaklik dayanimini arttirmak için silikon, inorganik dolgu maddeleri ve cam elyaflar ile de karistirilabilmektedirler. Yüksek dielektrik katmanlar, alternatif olarak bir reçine içerisinde karistirilmis olan kuvars elyaf, E ya da S2 tipi cam elyaf ve kumaslardir. Bu düsük ve yüksek dielektrik sabitli katmanlarin her ikisi de ayri ayri hazirlanmakta ve geleneksel kompozit üretim teknikleri kullanilarak birlestirilmektedir. Bu teknikler araciligi ile üretilmis olan radar muhafazalarinin çok sayida dezavantaji mevcuttur: 0 Bu radar muhafazalari hava geçirmez degildir ve zamanla nemi emerek dielektrik özellikleri degistirmektedir (yaslanma). o Islemler kesme, yatirma, dagitma, süzdürme/emdirme, baskilama/biçimlendirme, sertlestirme gibi birbirini takip eden islem adimlari gerektirmektedir. Bu islemlerin çogu yari otomatiktir. o Süzdürme, baskilama, sertlestirme gibi islemler genellikle kismen sonuçlandirilir (kismi doldurma, kismi kürleme). - Bu radar muhafazalarinin bozulmasi, yüksek sicakliklarda ve uzun uçus sürelerinde hizlanmaktadir. Çok katmanli genisbant füze radom muhafazasi konusu, tek parçali (monolitik) seramik malzemeler için sinirli incelenmistir. Bu, çok sayida faktöre baglanabilmektedir: - Sandviç yapisinin yüksek dielektrik sabitli katmanlari için tipik deger olan ince kalinliktaki (0.3 ila 0.6 mm arasi) seramiklerin kirilganligi. . Bu tür ince katmanlarin geleneksel teknikler kullanilarak çekirdek katmanlara zorlu entegrasyonu. 0 Yüksek ve düsük dielektrik sabitli katmanlar arasindaki CTE (Isil Genlesme Katsayisi- Coefficient of Thermal Expansion) uyumsuzlugu. Bu alanda, 4,358,772 numarali US patent dokümani, CVD (Kimyasal Buharla Kaplama- Chemical Vapour Deposition) ile dis katmanlarina 8i3N4 kaplanan çamur döküm ergitilmis silika radar muhafazasini açiklamaktadir. Ancak, tipik olarak küçük bir CVD odacigi içerisinde, gözenekli ve büyük bir silika yapiyi kimyasal buharla kaplamanin nasil yapildigi çok açik degildir. Genisbant radar muhafazasi üzerindeki 'onceki çalismalarin çogu sandviç yapilara adanmistir. Bu radar muhafazalari içerisindeki katmanlar, 0.3 ila 0.6 mm kalinlik araliginda yüksek ve birkaç mm kalinliginda olan düsük dielektrik katmanlardan olusmaktadir. Ozel genisbant tasarimlari, katmanlarin sirasina bagli olarak A, B, C, D sandviç olarak adlandirilmaktadir. sandviç tasarim açiklanmaktadir. Yapi, sirasi ile yüksek ve düsük dielektrik sabitli reçine matrisinde cam fiber ve RT/Duroid katmanlardan olusmaktadir. 5,738,750 numarali US patent dokümani, bir A tipi sandviçi göstermekte olup, anlatilan yapi ergitilmis dokuma elyaflar ile doldurulmus olan düsük bir dielektrik petegi ve kuvars kumastan olusan katmanlarla birlestirilmesinden olusmaktadir. Bu patentlere benzer sekilde, 6,028,565, dokümani, yüksek dielektrik sabitli kuvars veya E ya da 82 cam elyafli katmanlarla düsük dielektrik sabitli silikon tabanli köpükler, poliimit köpükler ve kumaslarin birlestirilmesi sonucu ortaya çikan farkli sandviç yapilari anlatmaktadir. Bu çalismalarin tümü, süzdürme, baskilama ile sekillendirme, sertlestirme (kürleme) islemleri gerektiren farkli Polimer Matris Kompozit (PMC- Polymer Matrix Composite) üretim tekniklerine dayanmaktadir. Buna ilave olarak, geometrik toleranslari yerine getirmek için radom muhafazasinin nasil sekillendigi ve hangi son islemlere tabi tutuldugu çok net degildir. 8.765.230 numarali US patent dokümaninda, Termal Bariyer Kaplama (TBC- Thermal Barrier Coating) malzemeleri, yüksek sicakliklari etkili bir sekilde azalttigi iddia edilen radar muhafazalari ile birlikte sunulmaktadir. Bununla birlikte, patentin, radar muhafazasinin genis bant özellikleri ile ilgisi yoktur. Bulusun Kisa Açiklamasi Bulusun odak noktasi, milimetre (mm) alti kalinliktaki seramik katmanlarin büyük ve kompleks geometrili seramik yapilar üzerine isil püskürtülmesidir. Ortaya çikan yapi, kaplanan katmanlarin kalinligina ve dielektrik sabitine bagli olarak RF geçirgenliginde farklilik gösterir. Uygulama, kisa zaman araliklarinda ayri termal püskürtme seanslari gerektirdigi için direk ve hizlidir. Bu, geleneksel çok katmanli üretim tekniklerine kiyasla önemli bir gelismedir, çünkü genisbantliligi saglayacak malzemeler ek islemler kullanilmadan istenilen yüzeylere kaplanabilmektedir. Bu teknik, daha yüksek üretkenlige sahip olan genisbant seramik radar muhafazalarinin gelistirilmesine bir alternatiftir. Diger çok katmanli seramik, PMC, CMC bazli radar muhafazasi üretim teknikleri ile karsilastirildigi zaman bu patentte açiklanan metot asagidaki benzersiz 'özellikleri kapsamaktadir: - Genis bant performansi için kritik ve kirilganliklari nedeni ile üretilmesi zor olan milimetre alti kalinliktaki seramik katmanlar, hizli ve otomatize edilmis bir islem ile büyük ve kompleks geometrili yapilar üzerine kaplanabilmektedirler. 0 Teknik olarak, tüm kaplama malzemeleri erime sirasinda ayrismadiklaril dekompoze olmadiklari sürece mm alti bir katman olusturmak için püskürtülebilir ve yüzeyi kaplayabilir. Bu avantajla, istenen performans için çok farkli malzemeler uygulanabilir. - Kaplama kalinligi homojen ve ayarlanabilirdir. Bu, RF tasarim yeteneginde ekstra özgürlük sunmaktadir. - Isil püskürtme islemi dogrudan ve otomatizedir; kesme, süzdürme, Iaminasyon, sekillendirme ve sertlestirme gibi katman hazirlama ve birlestirme adimlari yoktur. Belirli bir katman kaplama malzemesi kombinasyonu için isil püskürtme islemi özellestirilebilir ve optimize edilebilirdir. CWS (Alevli Tel Püskürtme- Combustion Wire Spray), CPS (Alevli Toz Püskürtme- Combustion Powder Spray), Elektrikli Ark Teli Püskürtme, APS (Atmosferik Plazma Püskürtme- Atmospheric Plasma Spray), HVOF (Yüksek Hizli Oksi Yakit Püskürtme- High Velocity Oxy-Fuel Spray), degisken kinetik ve isil enerji kapasitelerine sahip olan farkli isil püskürtme teknikleridir. Bu, belirli yüzeyler için uygun kaplama malzemelerinin dogru miktarlarda kullanilmasini kolaylastirmaktadir. Kaplama, RF arayici baslik ve radardaki diger elektronik bilesenlerin konumuna bagli olarak maskeler kullanmak sureti ile radar muhafazasina kismen uygulanabilmektedir. Bunu yapmak sureti ile, radar muhafazasi, belirli RF bilesenlerinin özel performansi için belirli fonksiyonel alanlara bölünebilmektedir. Bu yaklasim, kaplama malzemesi kullanim miktarini ve radar muhafazasinin kritik kisimlarindaki olasi CTE uyumsuzlugunu daha da sinirlamaktadir. Sekillerin Kisa Açiklamasi Sekil 1, radar muhafazasi gibi büyük ve kompleks geometrili seramik yapilarin isil püskürtme teknigiyle kaplanmasini göstermektedir. Sekil 2, A-sandviçi ve islenmemis RF geçirgenligini göstermektedir. Sekil 3, radar muhafazasi yüzeylerinin disaridan ve içeriden kaplanmalarini göstermektedir. Sekil 4, sirasi ile A- sandviç, B- sandviç, C- sandviç ve D- sandviç yapilari göstermekte olup, burada gri bölgeler düsük dielektrik katmanlari göstermektedir. Sekil 5, sirasi ile farkli malzemelerden olusan çok katmanli yapi katmanlari ve arayici basligin yönelim araligina göre adapte edilmis (örnek olarak A-sandviç) bölümlendirilmis kaplamalari göstermektedir. Parça Referanslarinin Açiklamasi Kaplama malzemesi Hizlandirici ortam Radar muhafazasi Dis kaplama Iç kaplama Ayrintili Açiklama yönlendirilmesiyle uygulanan bir kaplama islemidir (Sekil 1). Kaplama ve yüzey arasindaki baglanma, soguk yüzeyin üzerindeki eriyik haldeki malzemenin katilasmasi sonucudur ve mekaniktir [1]. Islem standart olarak isil ve mekanik kosullarin malzeme yüzey kalitesini sürekli olarak etkiledigi pek çok endüstri sektöründe etkili olarak kullanilmaktadir [1-4]. vardir. Kaplama tozlarinin büyüklügü, sekli, reaktivitesi, morfolojisi ve yüzey özellikleri verimliligi önemli ölçüde etkilemektedir. Buna ilave olarak, atmosfer, isi kaynagi, asiri isi üretmek ve kaplama parçaciklarini hizlandirmak için kullanilan gazlara ve uygulanan hizlara bagli olarak genel isil püskürtme baglami basligi altinda farkli islemler kullanilmaktadir. Bu, malzeme seçim araliginin ve ulasilabilir kalinligin diger kaplama tekniklerine kiyas ile çok genis olmasinin nedenlerinden biridir. Geleneksel alev püskürtmede, yüzey üzerine kaplanan kaplama malzemesi (0), tel ya da toz formunda olabilir ve bu nedenle teknik CWS (Alev Tel Püskürtme) ya da CPS (Alevli Toz Püskürtme) olarak adlandirilmaktadir. Tipik kaplama kalinligi 0.04 ila 2.50 mm civarindadir ve bu teknikte maksimum 3.000 uygulanan voltajin malzemeyi 4.000 TJ civarinda eri ttigi ve yüzeye 0.5 Mach civarinda bir hizda gönderdigi bir baska seçenektir [1]. APS (Atmosferik Plazma Püskürtme) ile toz (seramik/ polimer/ metal) 16.000 °C'ye kadar plazma arkinda eritilir ve parçaciklar süpersonik hizda (~ 1,5 Mach) hedefe dogru hareket eder [1, 3]. Teknik olarak, herhangi bir malzeme ayrismadigi/ dekompoze olmadigi sürece APS ile eritilebilmekte ve kaplanabilmektedir. HVOF (Yüksek Hizli Oksi Yakit), malzemeleri 3.000 °C'de eriten ve 1.5 ila 3 Mach arasinda bir hizda hedefe hizlandiran baska bir isil püskürtme teknigidir [1]. Bu tekniklerin her biri spesifik malzemeler ve uygulamalar için optimize edilmistir ve isil ve kinetik isterlere göre degisiklik göstermektedir [2, 4]. Bunlarin arasinda, HVOF, isiyi kaplanacak yüzeye fazlaca geçirmeden kaplama malzemelerini yeterince yüksek bir sicaklikta eriten en uygun tekniktir. Kaplama malzemesinin yapismasi çogunlukla bu durumda süpersonik uçus ile saglanmaktadir [1, 4]. Çok katmanli genis bant seramik radar muhafazalarinin üretimi, isil püskürtme islemi ile saglanmaktadir. Kaplanacak olan yüzey, farkli tekniklerle gelistirilmis bir radomdur. Bu teknikler çamur döküm, ergitme döküm, çevirmeli döküm, katmanli imalat (toz ve baglayicilarin kullanildigi teknikler: SLS - Seçici Lazer Sinterleme (Selective Laser Sintering), SLM - Seçici Lazer Ergitme (Selective Laser Melting), SPS - Kivilcim Plazma Sinterleme (Spark Plasma Sintering), LOM - Lamine Nesne Uretme (Laminated Object Manufacturing), FDM - Kaynastirilmis Birikim Kaliplama (Fused Deposition Modeling), DLP - Dijital Isikli Isleme (Digital Light Processing), ve STLA - Stereo Tas Baski (Stereo Lithography )), polimer/seramik dolgulu prepregler, fiber sarma ve süzdürme gibi kompozit üretim teknikleridir. Radar muhafazasi (e) malzemesi, ergitilmis SiOg, Al203, SI3N4, LAS (Lityum Alüminyum Silikat-), MAS (Magnezyum Alüminyum Silikat) gibi iyi bilinen bir dizi seramik arasindan seçilebilmektedir. Bu malzemeler, isil püskürtme tekniginin seçiminde büyük rol oynayan spesifik isil, mekanik ve elektriksel özelliklere sahiptirler. Ergitilmis SIOz hariç, yukarida belirtilen malzemelerin tümü sinirli isil sok ve isil stabilite dirençlerine sahiptir. Buna ilave olarak, bu malzemelerin özellikleri, ergitilmis parçaciklarin termal enerjisi yüksek kinetik enerji ile yüzeylerine çarptirilmasi sonucunda önemli ölçüde degismektedir. etkilidir. Bu ince seramik katmanlarinin imalati ve birlestirilmesi, çok katmanli yapilarin, özellikle genisbant RF performansi sergileyen sandviç yapilarin (A, B, C, D) hazirlanmasi için önemli bir adimdir. Ayni malzemeyi kullanan iki tasarimin RF geçirgenligi Sekil 2'de karsilastirilmis ve sunulmustur. Bu malzemeler: o islenmemis (ham), tek katmandan olusan malzeme örnegi, 0 yüksek ve düsük dielektrik sabitli malzemelerden olusan A sandviç. RF saydamligi, tüm numuneler için 0 ila 40 GHz araliginda ölçülmektedir. Sekil 2'de gösterildigi gibi, ham numunenin düsük frekanstaki RF karakteristigi, sandviç tasarim ile gelistirilmistir. Kaplanacak yüzeyleri korumak için spesifik özelliklere sahip kaplama malzemeleri (c) vardir. La22r207, BaZrOs, TIOz, garnet, Iantan alüminat, LaPO4, NiCoCrAIY, YAIOs, isil püskürtmede sikça kullanilan seramik bazli kaplama malzemelerinin bazilaridir [3]. Bu malzemelerin seramik radar muhafazasi (e) üzerine kaplanmasi için, birkaç kriter kontrol edilmeli ve yerine getirilmelidir. Kaplanacak yüzey, sicak parçaciklarin soguk yüzey ile karsilasmasi sonucu isil soklara dayanmalidir. Bu, kaplanacak yüzeyin genis bir sicaklik araliginda kararli isil genlesme davranisi ile optimum isil iletkenlik kombinasyonunu gerektirmektedir. Kaplanacak yüzeyin özellikleri, yapismayi etkileyen bir baska kritik faktördür. Gelistirilmis kaplama yapisma performansi için kaplanacak yüzeyin, yapisma kuvvetini arttirmak için yüzey alanini artiran kumlama, kimyasal asindirma, darbeli lazer ablasyon teknikleri gibi ilave islemlere ihtiyaç duyabilmektedir. Püskürtme teknigi de ayni zamanda kaplama isleminde önemli bir rol oynamaktadir. Seramik parçaciklari eritmek için gereken yüksek isil enerji, eriyik parça uçusu sirasinda yüksek kinetik enerji ile hizli bir sekilde düsebilmekte, bu da kaplanacak yüzeyin ekstra isiya maruz kalmasini önlemektedir. En önemli isterlerden bir tanesi de, kaplama malzemelerinin (c) radar muhafazasinin (e) RF performansini bozmamasidir. Çok katmanli seramik radar muhafazasi (e) üretimi için baslangiç: noktasi, seramik radar muhafazasi (e) ve bunun kaplanacak yüzeyidir. . Geleneksel radar muhafazasi (e) malzemeleri, ergitilmis SIOz, AI, MAS (Magnezyum Alüminyum Silikat) ve PMC ve CMC'ler gibi tek parçali (monolitik) seramiklerden seçilebilmektedir. Monolitik radar muhafazasi (e) döküm, eriyik dökümü ve geleneksel polimer ya da seramik kompozit üretim teknikleri ile üretilebilmektedir. Dökümde, seramik tozu, boyut küçültme ve homojenlestirme için uygun bir araç ile karistirilmakta ve ögütülmektedir. Yeterli koloidal stabiliteye sahip olan çamur, katki maddeleri (asit bazli ya da organik polimerler) ile elde edilmekte, bu daha sonra sekillendirme islemi için bir kaliba dökülmektedir. Arzu edilen bir kalinlik elde edildikten sonra radar muhafazasi (e) kaliptan çikarilmakta, uzun süre havada kurutulmakta ve sinterlenmektedir. Eriyik dökme veya ergitilmis döküm tekniginde, özel bir kompozisyon, sicaklik ve viskoziteye sahip eriyik cam, merkez ekseni etrafinda döndürülen ve daha sonra disi bir kalip ile kaplanmis olan bir erkek kalip üzerine dökülmektedir. Her iki metotta da hassas kalinlik ve düzlem toleranslari elde etmek için dökümü takiben taslama ve parlatma gibi islemler yapilmaktadir. Seramik malzemeye bagli olarak, yüksek sicaklikta balmumu ya da reçinenin kullanilmasi sureti ile ayni zamanda yüzey sizdirmaz hale getirilebilmektedir. Kompozitler, tekli filamentlerin mandreller üzerine sarilmasi ve reçineler/ süspansiyonlar ile doldurulmasi ya da polimer reçinesi emprenye edilmis ya da seramik süspansiyon emdirilmis kumaslarin birlestirilmesi ile olusturulmaktadir. Sekillendirme ve sinterleme isleminden sonra, radar muhafazasi (e) malzemesi RF performansi için kritik olan hassas kalinlik ve düzlemsellik toleranslari sergilemek üzere islenmektedir. Radar muhafazasi (e) hazir oldugu zaman, cilali yüzeyinin, isil olarak püskürtülen parçaciklarla kaplanmasi için uygun sekilde hazirlanmasi gerekmektedir. Ergitilmis malzemenin mekanik olarak yüzeye kilitlenmesi ya da kancalanmasi, kaplanacak yüzeyin yüzey alani arttirilarak iyilestirilebilmektedir. Bu amaçla farkli kimyasal, mekanik ya da isil islemler kullanilabilmektedir. Asitle asindirma, yüzey pürüzlülügünü arttirmak için, kimyasal maddenin yüzey kimyasini degistirmeden dikkatle yapilmasi gereken kimyasal bir islemdir. Yüzey özellikleri vei'veya boyutsal toleranslar önemli ölçüde degismedigi sürece pürüzlülügü arttirmak için ayni zamanda taslama ve kumlama gibi mekanik metotlar da kullanilabilmektedir. Darbeli lazer ablasyonu, isil enerji yolu ile hassas yüzey pürüzlülügü saglamada etkilidir. Ergitilmis malzemelerin daha iyi yapismasi için seramik yüzey pürüzlülügünün arttirilmasi zorunlu bulunmustur. Seramik radar muhafazasinin (e) yüzey modifikasyonundan sonra, kaplama malzemesi (c) isil olarak püskürtülmektedir. Daha küçük isil püskürtme sistemleri. radar muhafazasinin (e) içi gibi kapali bölümlerdeki "erisilmesi zor" noktalari kaplamak için robot kollari ile entegre edilebilmektedir. Malzemeye ve tercih edilen kalinlik araligina bagli olarak uygun teknik kullanilabilmektedir. HVOF yukarida belirtilen kaplama malzemelerinin (c) çogunu eritebilme kabiliyetine sahipken, diger isil püskürtme tekniklerine kiyasla minimum isil enerji miktarini yüzeye aktarmaktadir. Çoklu katman, radar muhafazasinin (e) dis ve iç yüzeylerinnin kaplanmasiyla olusturulabilir (Sekil 3) ve bu sayede farkli genisbant RF davranisi ortaya 0 A-Sandviç: Radar muhafazasi (e), kalin (birkaç mm) ve düsük dielektrik sabitli, dis ve iç katmanlarda/yüzeylerde ince (mm alti) ve yüksek dielektrik sabitli malzemeler ile kaplanmistir (Sekil 4). . B-Sandviç: Radar muhafazasi (e), ince (mm alti) ve yüksek dielektrik sabitli radar muhafazasi (e), dis ve iç yüzeylerde kalin (birkaç mm) ve düsük dielektrik sabitli malzemeler ile kaplanmistir (Sekil 4). CSW ve GPS teknikleri, kalin katmanlar için basarili bir sekilde, 2.50 mm kalinliga kadar olan kaplamalar için kullanilmaktadir. - C-Sandviç: A sandviçin tekraridir. A sandviçin dis katmanlari üzerine kalin ve düsük dielektrik sabitli malzemenin isil püskürtülmesi ile olusturulmaktadir (Sekil 4). - D-Sandviç: B sandviçin tekraridir. Ancak, B sandviçin dis katmanlari üzerine, ince ve yüksek dielektrik sabitli malzemenin isil püskürtülmesi ile olusturulmaktadir (Sekil 4). - Bölümlendirilmis olan radar muhafazasi (e) yapilari: Radar muhafazasinin (e) daha önceden tanimlanmis olan yerlerinin maskelenmesi ve püskürtülen kaplama malzemesi (c) ile kaplanmasi. Bu yaklasim yukarida belirtilen sandviç seçeneklerinin tümüne uygulanabilmektedir. Sekil 5, A-sandviç için hazirlanan bölümlenmis yapiyi göstermektedir. çoklu katmanlar üzerinde daha homojen bir kesit olusmaktadir. Isil püskürtmenin son islemi, yüzey pürüzlülügünü azaltmak için yüzey parlatma islemidir. Bu islemle, kalinlik ve düzlemsellik degerleri optimize edilmis olan RF özellikleri için gerekli olan siki toleranslar saglanmaktadir. TR TR TR TR TR TR TR