Wear behaviour of multilayer coated WE43 magnesium alloy
Çok katmanlı kaplanmış WE43 magnezyum alaşımının aşınma davranışı
- Tez No: 638078
- Danışmanlar: PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU, PROF. DR. UĞUR MALAYOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 106
Özet
Magnezyum alaşımları hafifliği ve yüksek özgül mukavemeti nedeniyle uzay, havacılık ve otomotiv sektörü için cazip mühendislik malzemelerinden biridir. Mg alaşımları otomotiv ve havacılık sektörlerinde kullanımları sırasında yaklaşık olarak 150-320°C aralığında sıcaklığa maruz kalmaktadır. Yaygın olarak kullanılan ve alüminyum ve çinko içeren AZ serisi magnezyum alaşımları 120 °C üzerindeki sıcaklıklarda mukavemetini koruyamadığı için itriyum ve nadir toprak elementlerinin eklenmesiyle 300 °C ye kadar mukavemetini koruyan WE serisi magnezyum alaşımları geliştirilmiştir. Ancak yüksek yüzey aktivitesi, kararsız kimyasal özellikleri ve düşük sertliği geliştirilen bu alaşımların korozyon ve aşınma direncini düşürerek kullanımını sınırlandırmaktadır. Yüksek sıcaklıklarda yüksek mukavemet ve sürünme direnci gerektiren uygulamalarda kullanılması planlanan WE serisi alaşımların korozyon ve aşınma diren-cinin geliştirilmesi amacıyla yüzeylerinin sertliğini ve kararlılığını arttırmak için yü-zey modifikasyon işlemlerinden geçmesi gerekmektedir. Yüzeyde oksit esaslı sert seramik kaplama oluşturan mikro-ark oksidasyon (MAO) yöntemi çevre dostu olması ve altlık üzerinde herhangi bir olumsuz etkiye neden ol-maması nedeniyle hafif metaller (alüminyum, magnezyum ve titanyum) için çekici bir yöntem olarak öne çıkmaktadır. Literatürde WE serisi alaşımların MAO yöntemi ile magnezyum oksit esaslı seramik kaplanması üzerine birkaç çalışma yer almaktadır. Bu çalışmalar özellikle WE serisi Mg alaşımlarının korozyon direncinin geliştirilmesine ve biyolojik uygulamalarda kullanımının arttırılması üzerine odaklanırken, aşınma direncinin geliştirilmesi üzerine yapılan çalışmalar az sayıdadır. WE serisi alaşımlar üze-rinde oluşturulan MAO kaplamaların yüksek sıcaklıklardaki aşınma davranışı ise daha önce çalışılmamıştır. Ayrıca, MAO yöntemi ile oluşturulan magnezyum oksit esaslı kaplamalar aşınma ve korozyona karşı düşük sertlikleri ve sıkıştırılabilirlikleri nedeniyle sınırlı koruma sağlamaktadır. Bu doğrultuda birkaç araştırmacı magnezyum ala-şımları üzerinde soğuk sprey (cold spray, CS) ve MAO yönteminin birlikte uygulanmasıyla en üst katmanda yüksek sertliğe sahip alüminyum oksit (alümina) altta ise monolitik alüminyum ya da alüminyum matrisli kompozitten oluşan çok katmanlı kap-lama üretimi üzerinde çalışmıştır. Geliştirilen bu çok katmanlı kaplamanın magnezyum oksit esaslı monolitik kaplamalara kıyasla çok daha üstün aşınma ve korozyon direnci kazandırdığı literatürde belirtilmiştir. Bu çalışma kapsamında WE43 magnezyum alaşımının özellikle yüksek sıcaklıklardaki aşınma direncinin artırılması amacıyla soğuk sprey ve MAO yönteminin birbirini takip eden şekilde uygulanmasıyla yüzeyde çok katmanlı alüminyum oksit esaslı kap-lama üretilmiştir.“Çok katmanlı”kaplamanın üretiminde ilk olarak alümina parçacık takviyeli alüminyum matrisli kompozit tozlar WE43 alaşımı üzerine soğuk sprey yöntemiyle kaplanmış. Ardından elde edilen CS kaplama tabakası üzerinde alüminat esaslı elektrolit içerisinde MAO yöntemiyle alüminyum oksit kaplama tabakası üretilmiştir. Ayrıca referans olarak WE43 alaşımı da MAO yöntemiyle kaplanarak“tek katmanlı”magnezyum oksit esaslı kaplama elde edilmiştir. Elde edilen kaplamaların yapısal karakterizasyonu optik mikroskop, enerji dağılım spektroskopisi donanımlı taramalı elektron mikroskobu ve X-ışını difraktometresi yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Ek olarak, kaplanmış malzemelerin kesitlerinden Vickers batıcı uç kullanılarak sertlik ölçümleri yapılmıştır. Çok katmanlı ve monolitik MAO kaplamaların korozyon davranışlarının incelenmesi amacıyla ağ. % 3.5 sodyum klorür (NaCl) çözeltisi içerisinde elektrokimyasal polarizasyon testleri uygulanmıştır. Elektrokimyasal polarizasyon testleri sonucunda elde edilen eğrilerden Tafel ekstrapolasyon yöntemi yardımıyla numunelerin korozyon potansiyelleri, korozyon akım yoğunlukları, anodik ve katodik Tafel sabitleri hesaplanmıştır. Ayrıca korozyon dirençlerini sayısal olarak ifade edebilmek için numunelerin polarizasyon direçleri de hesaplanmıştır. Kaplamaların aşınma davranışlarının belirlenmesi amacıyla iki farklı konfigürasyonda tribometre kullanılarak kuru ortamda alümina bilyaya karşı kayma aşınması testleri gerçekleştirilmiştir. İlk olarak, ileri-geri salınımlı düz yüzeyde sürtünen bilya (ball-on-flat) konfigürasyonuna sahip aşınma cihazı kullanılarak oda sıcaklığında 1 N ve 4 N yük altında testler gerçekleştirilip test yükünün numunelerin aşınma davranışlarına et-kisi incelenmiştir. Tek yönlü çalışan disk üzerinde sürtünen bilya (ball-on-disc) konfigürasyonuna sahip yüksek sıcaklık aşınma test cihazı kullanılarak da 2 N yük altında 25 °C, 250 °C ve 320 °C sıcaklıklarda testler yapılıp test sıcaklığının aşınma davranış-larına etkisi belirlenmiştir. Aşınma testlerinin ardından yüzeyde oluşan aşınma izleri 2-D temaslı yüzey profilometresi yardımıyla incelenerek aşınma kayıpları hesaplanmıştır. Ayrıca, aşınma mekanizmalarının belirlenmesi amacıyla aşınan yüzeyler taramalı elektron mikroskopu kullanılarak incelenmiştir. Ek olarak, aşınma testlerinde kullanılan bilyaların temas yüzeyleri de optik mikroskopta incelenmiştir. Yapısal incelemeler sonucunda elde edilen çok katmanlı kaplamanın üst yüzeyinde alfa ve gama fazları halinde alüminyum oksitin bulunduğu tespit edilmiştir. WE43 alaşımı üzerinde oluşturulan tek katmanlı MAO kaplamanın içeriğinde ise magnezyum oksit ve magnezyum alüminat bulunmaktadır. Kaplamaların kesitleri incelendiğinde altlık malzemeyle iyi bağlanma gösterdikleri belirlenmiştir. Çok katmanlı alümina esaslı kaplamanın sertliği kesitten ortalama 1129 HV0.025 seviyesinde ölçülürken tek katmanlı magnezyum oksit esaslı kaplamanın sertliği ise ortalama 311 HV0.025 mertebesindedir. Magnezyum oksitin alüminyum oksite göre düşük sertliğinin yanı sıra tek katmanlı magnezyum oksit kaplamanın daha poröz yapıda olmasının düşük sertliğe neden olduğu düşünülmektedir. Aşınma test sonuçlarına göre, çok katmanlı sert alüminyum oksit esaslı kaplamanın hem oda sıcaklığında hem de yüksek sıcaklıklarda tek katmanlı poröz magnezyum oksit esaslı kaplamaya kıyasla daha yüksek aşınma direncine sahip olduğu belirlenmiştir. Ayrıca, çok katmanlı kaplama hem 2 N yük altında 320 °C sıcaklığa kadar hem de oda sıcaklığında 4 N yüke kadar yapısal bütünlüğünü korurken tek katmanlı magnezyum oksit esaslı kaplama 2 N yük altında 250 °C sıcaklıkta ve oda sıcaklığında 4 N yük altında aşırı hasara uğrayıp yüzeyden ayrılmaktadır. Çok katmanlı alüminyum oksit kaplamanın sert ve yoğun yapısının, daha poröz olan düşük sertliğe sahip tek katmanlı magnezyum oksite göre daha iyi aşınma direnci sağladığı sonucuna varılmıştır. Diğer taraftan, yapılan elektrokimyasal polarizasyon testlerinin sonuçlarına göre magnezyum oksitten daha yüksek kararlılığa sahip olan (sıkıştırılabilirliği yüksek) alüminyum oksit içeren çok katmanlı kaplamanın en iyi korozyon direnci gösterdiği belirlenmiştir. Aynı şekilde altlık malzemenin korozyon direnci magnezyum oksit esaslı tek katmanlı kaplama yardımıyla geliştirilse de magnezyum oksidin poröz yapısı nedeniyle korozyona karşı istenen koruma elde edilememiştir. Bu sonuçlar ışığında WE43 alaşımı üzerinde alümina esaslı çok katmanlı kaplama üretilmesi ile korozyon direncinin yanı sıra hem oda sıcaklığında hem de yüksek sıcaklıklarda aşınma direncinde kayda değer artış elde edilmiştir. Soğuk sprey yöntemi ile oluşturulan alüminyum matrisli kompozit katmana alüminadan farklı seramik parçacıkların (zirkonya vb.) takviye edilmesinin çok katmanlı kaplamaların özelliklerini bir üst seviyeye taşıyabileceği düşünülmektedir. Ayrıca daha üstün aşınma direncinin MAO kaplama sırasında kullanılan elektrolite parçacık (zirkonya vb.) takviyesi ile de elde edilebileceği öngörülmektedir. Elde edilen çok katmanlı kaplamaya çeşitli takviyelerin yapılıp aşınma davranışının incelenmesinin de ileriki çalışmalar için önemli bir motivasyon kaynağı olabileceği değerlendirilmiştir.
Özet (Çeviri)
Perspective on decreasing the weight of the components in order to reduce CO2 emission has led the manufacturers in automotive and aerospace industries to consider the application of magnesium alloys owing to their high specific strength (strength to weight ratio). However, the limited strength of the magnesium alloys, especially above 120 °C, restricts their extensive usage. For this reason, instead of widely-used aluminium and zinc containing alloys such as AZ31 and AZ91, WE series magnesium alloys containing yttrium and rare earth elements have been developed for high temperature application up to 300 °C. Considering its high temperature and creep resistances, WE series alloys are attractive for aerospace and automotive industries. However, similar to the most widely used ones, this new alloy also suffers from poor wear and corrosion resistance due to low hardness and high surface reactivity. Therefore, in order to enhance wear and corrosion resistance of WE series alloys, modification of the surfaces by various techniques appears as an essential technical solution. In this respect, micro-arc oxidation (MAO) process, which forms magnesium oxide-based coatings, has been successfully employed on many commercially available grades of magnesium alloys. In the open literature, a few numbers of MAO studies have been conducted on the WE series alloys with the aim of improving the corrosion resistance. To the author's best knowledge, only one study is available in the open literature stating improvement in room temperature wear resistance of WE43 alloy by MAO process, which formed a coating consisting of magnesium oxide and magnesium silicate. However, magnesium oxide-based coatings did not provide sufficient protection against corrosion and wear due to their lower hardness and poor compactness. From this point of view, higher hardness of aluminium oxide (alumina) as compared to magnesium oxide motivated some researchers to fabricate multilayer coatings on magnesium alloys by applying cold spray and MAO processes sequentially. Thus, after the coating of magnesium alloys with aluminium or aluminium matrix composites by cold spray technique, MAO process has been employed to form aluminium oxide-based coatings at the outermost surface. The multilayer coating composed of alumina and aluminium or aluminium matrix composite layer exhibited superior wear and corrosion resistance than that of monolayer magnesium oxide-based coating. In the scope of this study, which was initiated mainly with the aim of improving high temperature wear resistance, multilayer (aluminium matrix composite/alumina) coating was fabricated on the WE43 magnesium alloy by subsequently applying CS and MAO process. While commercially available alumina particle reinforced aluminium matrix powder was used in the cold spray process, MAO processes were conducted in an aluminate-based electrolyte. In order to compare the properties of multilayer coat-ing with monolayer magnesium oxide coating, WE43 alloy was also subjected to the MAO process. Structural characterization of the fabricated coatings was done by using an optical microscope, energy dispersive spectroscopy equipped scanning electron microscope, and a X-ray diffractometer. Additionally, hardness measurements were conducted on the cross-section of the fabricated coatings by Vickers indenter. Corrosion behaviour of the coatings was also investigated by performing electrochemical polarization tests in 3.5 wt. % sodium chloride (NaCl) media. After electrochemical polarization tests, corrosion potential and current densities of the examined samples along with the polarization resistance were calculated using the Tafel extrapolation method. Furthermore, the wear behaviour of the examined samples was determined by dry sliding wear tests via using tribometer with two different configurations against alumina ball counterface. Firstly, the effect of the testing load on the wear behaviour was in-vestigated by reciprocating tribometer in the ball-on-flat configuration under the test-ing load of 1 and 4 N. Then the influence of the testing temperature was also examined by high temperature tribometer in the ball-on-disc configuration at 25 °C, 250 °C, and 320 °C. After wear tests, wear tracks formed on the contact surfaces of the examined samples were investigated by 2-D surface profilometer. Worn surface of the samples was also examined by SEM to determine the operative wear mechanisms. Structural examinations revealed that the outermost surface of the multilayer coating consisted of alpha and gamma alumina while monolayer coating composed of magnesium oxide and magnesium aluminate with an average hardness of 1129 HV0.025 and 311 HV0.025, respectively. It should be noted that porous nature of the monolayer magnesium oxide coating plays a critical role in its low hardness. Results of the wear tests showed that hard multilayer coating exhibited remarkably better wear resistance than that of monolayer magnesium oxide coating both at room and high temperatures. Furthermore, the multilayer coating exhibited better durability at high temperatures and high loads, so that it was possible to detect the protective nature of the multilayer coat-ing at 320 °C under 2 N and at room temperature under 4 N. However, monolayer magnesium oxide layer completely removed from the contact surface during testing at 250 °C under 2 N and at room temperature under 4 N. In addition, electrochemical corrosion tests conducted in 3.5 wt. % NaCl revealed much higher corrosion resistance of the multilayer coating as compared to monolayer magnesium oxide coating.
Benzer Tezler
- Katodik Ark Pvd yöntemi ile üretilmiş tiaın ve tin kaplamalarının korozyon özellikleri
Başlık çevirisi yok
LEVENT CANDEMİR
- Atmosferik plazma sprey yöntemi ile oksit içerikli seramik kaplamaların kuru kayma aşınma davranışları
Dry sli̇di̇ng wear behavi̇or of atmospheri̇c plasma sprayed oxi̇de cerami̇c coati̇ng
HAKAN BAYRAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Makine MühendisliğiBartın ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA SABRİ GÖK
- Pvd tekniği kullanılarak farklı seramik malzemelerle kaplanmış segmanların aşınma davranışlarının incelenmesi
Investigation of the wear behavior of piston rings coated with different ceramic materials by using pvd technique
DİLEKNUR EVRENSEL
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Metalurji MühendisliğiOndokuz Mayıs ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEVİM ALIŞIR
- TiAIN, TİN tek ve çok katlı kaplamaların karakterizasyonu
Başlık çevirisi yok
OĞUZ ÇINAR
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ FUAT ÇAKIR