Investigation of fabrication optimization and physical and mechanical properties of metallic syntactic foams manufactured by cold chamber die casting
Açık hazneli basınçlı döküm yöntemi ile sintaktik köpük metal üretimi ve optimizasyonu ile fiziksel ve mekanik özelliklerin incelenmesi
- Tez No: 712094
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ALİ GÖKŞENLİ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 140
Özet
Son yıllarda metalik köpükler (MF'ler), düşük yoğunluk, yüksek gözeneklilik, mükemmel enerji emme yeteneği, iyi süneklik, sönüm izolasyonu ve ses izolasyonu gibi benzersiz özellikleri nedeniyle oldukça çekici hale gelmiştir. Bu ileri mühendislik malzemelerinin büyük potansiyeli göz önüne alındığında, otomotiv ve havacılıktan havacılık ve savunmaya kadar birçok farklı sektör hedef uygulama alanları olarak düşünülebilir. Artan rekabet gücü ve çevre konusundaki endişeler göz önüne alındığında, MF'ler gelecekteki projeler için mükemmel alternatif malzemeler olabilir. Metal matris sözdizimsel köpükler (MMSF'ler), kapalı hücreli MF'lerin bir alt grubudur. Ayrıca, MMSF'ler iki ana fazdan oluştuğu için parçacık takviyeli kompozitler olarak yorumlanabilirler: metalik bir matris ve hücresel/gözenekli/içi boş seramik takviye parçacıkları. Hem MF'leri hem de partikül takviyeli kompozitleri yansıtan sinerjik özellikleri nedeniyle, MMSF'ler gerçek uygulamalarda standart köpüklerin ve kompozitlerin yerini almaya başlamıştır. MMSF'lerin en önemli özelliği, az ağırlık artışı ile yüksek mukavemet ve enerji emme yeteneği sağlamasıdır. MMSF'ler, özellikle otomotiv sektöründe darbe emici olarak tampon altlıklarında ve far altındaki çarpışma kutularında kullanılan köpük elemenler için ciddi bir alternatif olarak düşünülebilir. Ayrıca bazı balistik ve savunma uygulamalarında da zırh malzemesi olarak umut vaad etmektedir. Geleneksel köpük metalin getirdiği porozite ve hafifliği, yine geleneksel parçacık takviyeli kompozitin getirdiği dayanım mertebeleriyle kombine edince ortaya çıkan MMSF yapı, ilerleyen süreçte akustik, ısı iletimi ve titreşim uygulamalarında da ciddi bir araştırma alanı olmaya doğru ilerlemektedir. MMSF'ler ilgili hazırlanan bu tez altı ana kısımdan oluşmaktadır. Deney ve testlerin yapılış sırasına göre ilgili bölümler sıralanmıştır. İlk olarak, birinci bölümde, tez için ayrıntılı bir literatür taraması ve teknik arka plan paylaşılacaktır. Tez konusu ve orijinallik vurguları belirtilecektir. Deneysel altyapı ve hazırlanış faaliyetleri de yine literatür çalışmalarını takiben aynı bölümde paylaşılacaktır. MMSF'ler hakkında belirli bir perspektif ve altyapı oluşturulduktan sonra diğer bölümlere geçilecektir. Bu tez, doktora süresince yapılan bilimsel yayınlardan oluşturulacağından dolayı, ikinci, üçüncü ve dördüncü bölümler yayınlanmış makalelerin bir kopyasıdır. Tüm deneysel detaylar ve bulgular da bu bölümlerde verilecektir. Beşinci bölüm, yayınlanan makalelerin dışında ek bulguları yansıtan başka bir bölümdür ve tez içerisinde destekleyici ve detaylandırıcı bir konuma sahiptir. Son bölümde ise tüm sonuç ve bulgular, deneysel neticeler ve gelecekte yapılması muhtemel çalışmalar ışığında bir araya getirilecek ve paylaşılacaktır. İkinci bölümde, üç farklı genleştirilmiş cam boyutu kullanılarak döküm optimizasyon çalışmaları yapılmıştır. İlk aşamada, büyük boyutlu kalıp boşluğu (60 mm çap ve 80 mm uzunluk) kullanılmış ve erimiş alüminyum alaşımını önceden ısıtılmış cam küreler arasında süzmek için endüstriyel yüksek seviyeli basınç seviyeleri (170-200 bar) seçilmiştir. Döküm sıcaklığı en alt limitlerde tutulmuştur ve 680°C ile 730°C arasında değiştirilmiştir. Burada amaç, ilk kez denenen bir yöntem olan soğuk hazneli basınçlı döküm yöntemi ile üretilen köpüklerdeki matris ve dolgu seramiği arasındaki kimyasal reaksiyonu minimize etmektir. Döküm sıcaklığının, partiküllerin ön sıcaklığının, döküm hızının ve sızma basıncının etkileri yoğunluk ve gözeneklilik seviyeleri açısından analiz edildi. Sonuç olarak, yoğunluk/gözeneklilik seviyeleri (1.82-2.06 g/cm3 yoğunluk, 27.2%-35.9% gözeneklilik) üst sınıra yakın olmasına rağmen, fabrikasyon MMSF'lerde yüksek endüstriyel basınç seviyelerinde sözdizimsel özelliklerin görülebildiği bulundu. Tezin üçüncü bölümünde, soğuk kamaralı basınçlı döküm ile imal edilen genleştirilmiş cam takviyeli alüminyum köpüklerin fiziksel, mikroyapısal, mekanik ve hasar özellikleri detaylı olarak incelenmiştir. Ayrıca köpük yoğunluk değerlerini azaltmak ve toplam poroziteyi arttırmak için proses parametre optimizasyonunun yanı sıra bazı ileri tasarım optimizasyonları da yapılmıştır. Örneğin, kalıp boşluğu 60 mm seviyesinden 45 mm'ye küçültülmüştür ki bu, ileri mekanik testler için çok yüksek tonajlı ve zayıf hassasiyetli preslere olan ihtiyacı da ortadan kaldırmıştır. Öte yandan, kalıp boşluğu seramik cam parçacıklarla tamamen dolmamış ve yukarıdan 10 mm olacak şekilde bir dizayn boşluğu bırakılmıştır. Bu boşluk sayesinde hem kalıpta sıkışan hava daha rahat tahliye olup filtrasyona olumlu katkı vermiştir hem de kalıbın içindeki cam kürelere esneme ve hareket kabiliyeti sağlanarak kırılmaları önlemiştir. Ayrıca, kalıp giriş çapı arttırılmış, erimiş metal sıcaklığı 820°C'ye yükseltilmiş ve işlem basıncı düşük seviyeye düşürülmüştür (30 bar sınırı). Fabrikasyon aşamasında, küçük boyutlu (1-2 mm) cam dolgulu, iki modlu (50% hacimce 1-2 mm ve 50% hacimce 2-4 mm) ve büyük boyutlu (2-4 mm) cam dolgulu MMSF'ler ilk kez özel amaçlı bir soğuk kamaralı döküm makinesi ile üretildi. Yeni optimizasyon çabalarına bağlı olarak yoğunluk seviyeleri 1,17 g/cm3'e kadar düşürüldü ve gözeneklilik seviyeleri %57,7'ye kadar artırıldı. Bu mertebeler literatürdeki benzerleri ile kıyaslandığında alt limite yakındır. Bunlara ek olarak, takviye boyutu arttıkça toplam gözeneklilik artmıştır ve yoğunluk azalmıştır. Ayrıca bazı numunelere ısıl işlem uygulanmış ve bunun hasar ve mekanik özelliklere (plato dayanımı, akma dayanımı, toplam uzama ve enerji soğurma yeteneği) olası etkileri araştırılmıştır. Hesaplamalardan ve makro-mikro gözlemlerden, ısıl işlemin gevrek kırılmaya neden olduğu ve basma dayanımını iyileştirdiği ileri sürülmüştür. Tezin dördüncü bölümünde, literatür çalışmalarında sıklıkla kullanılan pahalı içi boş seramiklere alternatif olarak, düşük maliyetli ve doğal esaslı bir malzeme olan pomza takviye seramiği önerilmiştir. Pomza taşı olarakta bilinen bu seramik, tamamen doğal gözeneklere sahip bir yapıdadır ve volkanik aktiviteleri takiben oluşmaktadır. Özellikle tektonik ve volkanik aktivitelerin yoğun olduğu bölgelerde hızla soğuyan lavların içinde hapis kalan gaz molekülleri nedeniyle dairesel ve tüp şekilli gözeneklere sahiptir. Üçüncü bölümdeki işlemlere benzer şekilde, pomza dolgulu köpüklerin fiziksel, mikroyapısal, mekanik ve hasar özellikleri detaylı olarak irdelenmiştir. Ayrıca köpük yoğunluğu değerlerini azaltmak ve toplam poroziteyi arttırmak için genişletilmiş cam dolgulu numunelerde yapılan çalışmalara benzer şekilde bazı tasarım optimizasyonları yapılmıştır. Karşılaştırmayı kolaylaştırmak için kalıp boşluğu yine 45 mm olarak kullanılmıştır. Pomza taşları boşluğa döküldükten sonra yukarıdan 10 mm boşluk bırakılmıştır. Döküm esnasında, erimiş metal sıcaklığı 800°C'ye yükseltilmiş ve işlem basıncı 30 bar olarak ayarlanmıştır. Fabrikasyon aşamasında, küçük boyutlu (1-2 mm) pomza dolgulu, iki modlu (50% hacimce 1-2 mm ve 50% hacimce 2-4 mm) ve büyük boyutlu (2-4 mm) pomza dolgulu MMSF'ler ilk kez özel amaçlı bir soğuk kamaralı döküm makinesi ile üretilmiştir. Yoğunluk seviyeleri 1,46 ile 1,85 g/cm3 arasında değişirken, porozite değerleri 46,02% ile 32,45% arasında değişmektedir. Bu değerlerin değişiminde takviye pomza boyutunun önemli bir etkisi vardır. Parçacık boyut aralığı azaldıkça yoğunluk seviyesi artmaktadır. Artan yoğunluk mertebeleri daha fazla yük taşıyan metal matris anlamına geldiğinden, bu durum mekanik özelliklere olumlu yansımıştır. Öte yandan, eş eksenli basma testleri neticesinde, genişletilmiş cam dolgulu köpüklere kıyasla, pomza dolgulu numuneler üstün mekanik özellikler göstermiştir. Bu durum özellikle akma noktaları ve plato dayanımları için belirgin bir şekilde saptanmıştır. Ayrıca bazı numunelere ısıl işlem uygulanmış ve yaşlandırma işleminin gevrek baskın karışık tip deformasyonla sonuçlandığı görülmüştür. Hasar mekanizması, ısıl işlem görmeyen numunelerde ise daha dengeli kalmıştır ve ilk etaplarda sünek karakteristik hakimken, deformasyonun ileri aşamalarında numuneler üzerinde belirgin çatlaklar oluşmuştur. Tezin beşinci bölümünde, pomza ve genleştirilmiş cam takviyeli hibrit MMSF'ler soğuk kamaralı döküm teknolojisi ile üretilmiştir. Sadece pomza taşı ya da sadece genleştirilmiş cam takviyeli köpüklerin imalatında kazanılan tecrübeler ışığında dolgu malzemelerinin ön ısıtma sıcaklığı (300°C) hariç diğer tüm faktörler aynı kalmıştır. Hibritleme işleminde aynı hacimde pomza ve genleşmiş cam partikülleri karıştırılarak hacim karıştırma oranı 50% olarak sabit tutulmuştur ve hem küçük boyutta (1-2 mm) hemde büyük boyutta (2-4 mm) ayrı ayrı oluşturulmuştur. Hibritlemenin etkilerini daha iyi anlamak için üretilen alüminyum sintaktik köpük örneklerinin fiziksel, mikroyapısal, mekanik ve hasar özellikleri ele alınmıştır. Ayrıca sadece genişletilmiş cam veya sadece pomza dolgulu MMSF'ler için yapılan benzer ısıl işlem prosedürleri, hibrit numuneler için de uygulanmıştır. Diğer MMSF türlerine benzer şekilde, tüm hibrit numuneler, plato davranışı, iyi uzama ve yeterli enerji emilimi gibi karakteristik sintaktik köpük özellikleri sergilemiştir. Fiziksel ve mekanik özellikler, genişletilmiş cam dolgulu köpükler kadar düşük veya pomza dolgulu köpükler kadar yüksek değildi ve orta düzeyde olarak nitelendirilebilirdi. Diğer yandan, ısıl işlem sonrasında matris gevrekliği bir artış eğilimi kazanmıştır. İlerleyen deformasyonla birlikte, döküm halindeki numuneler sünek baskın karışık tip deformasyon sergilerken ve kompakt yapılarını korumaya daha yatkın iken, ısıl işlem görmüş köpük numunelerin gövdelerinde deformasyonun erken aşamalarında büyük çatlak çizgileri meydana gelmiştir. Mekanik yüklemeden sonra yapılan görsel ve mikroyapısal tetkikler sonucunda görülmüştür ki ısıl işlem görmüş numuneler yekpare yapılarını koruyamamış ve irili ufaklı birçok parçaya ayrılmışlardır. Son olarak, tez içerisinde saptanan tüm bulgular ve deneysel gözlemler sonuç ve öneriler bölümünde maddeler halinde verilmiştir. Bu noktada, literatürde yaygın olarak kullanılan laboratuvar ölçekli ve sınırlı kapasiteye sahip döküm ve dispersiyon tekniklerinin aksine, endüstriyel odaklı ve seri imalata en yatkın döküm yöntemi olan soğuk hazneli basınçlı döküm yönteminin alüminyum matrisli sintaktik köpük üretimine başarılı bir biçimde uygulanabileceği vurgulanmıştır. Makroskopik ve mikroskopik tetkikler bu olguyu açık bir biçimde doğrulamaktadır. Bu durum gelecekteki muhtemel endüstriyel sintaktik köpük uygulamaları için ümit vericidir ve ileri analizlerin yapılması ve konunun farklı boyutlarınında ele alınması hususunda teşvik edicidir. Ek olarak, farklı dolgu malzemesi tiplerinin, parçacık boyutlarının ve yaşlandırma ısıl işleminin hem fiziksel hemde mekanik özelliklere etkileri vurgulanmıştır.
Özet (Çeviri)
In recent years, metallic foams (MFs) have become considerably attractive for their unique features such as low density, high porosity, perfect energy absorption ability, good ductility, damping isolation, and sound isolation. From automotive and aviation to aerospace and defense, many different sectors can be thought of as target applications areas if the great potential of these advanced engineering materials is taken into the account. Considering the increasing competitiveness and worries on the environment, MFs can be perfect alternative materials for future projects. Metal matrix syntactic foams (MMSFs) are a subgroup of the closed-cell MFs. Also, they can be interpreted as particle reinforced composites since MMSFs compose of two main phases: a metallic matrix and cellular/porous/hollow ceramic reinforcement particles. Owing to their synergetic properties that reflect both MFs and particle reinforced composites, MMSFs have begun to replace standard foams and composites in real applications. The most important property of MMSFs is to provide high strength and energy absorption capability with little weight increment. This thesis is divided into six different sections and it is edited by obeying the process flow sequence. Initially, a detailed literature survey and technical background for the research thesis will be shared in the first chapter. The second, third, and fourth chapters are a copy of published articles. All experimental details and findings will also be given in these chapters. The fifth chapter is another section that reflects additional findings apart from the published papers. In the last section, all results and findings will be collected and shared in the light of experimental results and probable future works. In the second chapter, casting optimization studies were carried out by using three different expanded glass sizes. In the first stage, big sized die cavity (60 mm diameter and 80 mm length) was used and industrial high-level pressure levels were selected to filtrate the molten aluminum alloy between the preheated glass spheres. Effects of the casting temperature, pre-temperature of the particles, casting speed and infiltration pressure were analyzed in terms of density and porosity levels. As a result, it was found that syntactic properties could be seen at the high industrial pressure levels in fabricated MMSFs although the density/porosity levels were near the upper limit. In the third chapter of the dissertation, physical, microstructural, mechanical, and failure features of the fabricated expanded glass foams were examined. Besides, to decrease the foam density values and to increase the total porosity, aside from the process parameter optimization, some design optimizations were performed. For instance, the die cavity was shrunk to 45 mm, the die cavity was not fully filled with the particles, the die inlet diameter was increased, the molten metal temperature was raised up to 820°C, and process pressure was diminished to the low limit of 30 bar. Small-sized glass-filled, bimodal (50% vol.) and big-sized glass-filled MMSFs were fabricated first time via a special-purpose cold chamber die casting machine. Density levels were dropped (up to 1.17 g/cm3) and porosity levels (up to 57.7%) were increased depending on the new optimization efforts. In addition, heat treatment was applied to some of the samples and its probable effects on the failure and mechanical properties were probed. From the calculations and macro-micro observations, it was asserted that heat treatment caused brittle fracture and improved compressive properties. In the fourth chapter of this thesis, a new low-cost and natural-based reinforcement ceramic of pumice was offered as an alternative to expensive hollow ceramics used frequently in the literature efforts. Also, physical, microstructural, mechanical, and failure features of the fabricated pumice filled foams were examined. Besides, to decrease the foam density values and to increase the total porosity, similar to the endeavors made for expanded glass filled samples, some design optimizations were performed. For instance, the die cavity was shrunk to 45 mm, the die cavity was not fully filled with the particles, the die inlet diameter was increased, the molten metal temperature was raised up to 800°C, and the process pressure was diminished to the low limit of 30 bar. Small-sized pumice filled, bimodal (50% vol.) and big-sized pumice filled MMSFs were fabricated first time via a special-purpose cold chamber die casting machine. Density levels varied between 1.46 and 1.85 g/cm3 while porosity values were between 46.02% and 32.45%. On the other side, compared to the expanded glass filled foams, pumice filled samples showed superior mechanical properties. Furthermore, heat treatment was applied to some of the samples and it was seen that the aging treatment resulted in brittle dominant mixed type deformation. In the fifth chapter of the dissertation, pumice and expanded glass reinforced hybrid MMSFs were manufactured with the same proposed casting technology. In the hybridization process, the same volume amount of pumice and expanded glass particles were mixed and the volume mixing rate was kept constant as 50% vol. Physical, microstructural, mechanical and failure characteristics of the produced syntactic foam samples were addressed to understand better the effects of hybridization. What's more, similar heat treatment procedures conducted for only expanded glass or only pumice filled MMSFs were also practiced for hybrid samples. Similar to the other types of MMSFs, all hybrid samples exhibited syntactic characteristics like plateau behavior, good elongation, and sufficient energy absorption. Physical and mechanical properties were not as low as expanded glass filled foams neither as high as pumice filled foams, and they could be described as medium level. On the other hand, matrix brittleness gained an upward tendency following the heat treatment. Together with the progressing deformation, while the ascast samples displayed ductile dominant mixed type deformation, heat-treated foam samples had major crack lines on their bodies at the early stages of the deformation. After the mechanical loading, heat-treated samples did not keep their mono-block structures and separated discrete fragments. In the final section of the thesis, all results will be highlighted and findings will be presented in brief. All product groups will be compared and analyzed with each other in terms of physical features, microstructural conditions, mechanical responses, and damage modes. The effectiveness of the proposed manufacturing method will be emphasized in light of affirmative results obtained from characterization studies and mechanical tests. Additionally, probably future works and application opportunities about the topic of MMSFs will be expressed.
Benzer Tezler
- Poli(hekzametilen adipamit) (Poliamid 66) esaslı karbon lifi üretimi sırasında antioksidan kullanımının termal stabilizasyon ve karbonizasyon aşamalarına etkilerinin araştırılması, yapısal ve mekanik özelliklerin karakterize edilmesi
The investigation of the effects of the use of antioxidant during the fabrication of poly(hexamethylene adipamide) (Polyamide 66) based-carbon fiber on the thermal stabilization and carbonization stages and characterization of structural and mechanical properties
LEVENT ERZURUMLUOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Tekstil ve Tekstil MühendisliğiErciyes ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL KARACAN
- A tool oriented approach to digital making and control in design
Dijital yapma biçimleri ve tasarımda kontrole araç odaklı bir yaklaşım
GAMZE GÜNDÜZ
Doktora
İngilizce
2024
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MİNE ÖZKAR KABAKÇIOĞLU
- High energy milling and spray drying characteristics of MoO3, Cr2O3 and WO3 powders
MoO3, Cr2O3 ve WO3 tozlarının yüksek enerjili öğütme ve püskürtmeli kurutma karakteristikleri
LEILA HAGHIGHIGHI POUDEH
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Seramik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BURAK ÖZKAL
- Bambu malzeme davranışına bir model olarak kabuk strüktür tasarım ve şekil optimizasyonu
Shell structure design and shape optimization as a model for material behavior of bamboo
ESRA DEMİREL
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEMAN FİGEN GÜL
- Farklı yöntemler ile üretilen protez kaide materyallerinin fiziksel, mekanik ve optik özelliklerine yaşlandırma işleminin etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of aging process on physical, mechanical and optical properties of denture base materials produced by different methods
MERVE CORUT ALİ
Doktora
Türkçe
2024
Diş HekimliğiSağlık Bilimleri ÜniversitesiProtetik Diş Tedavisi Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ FİRAS SULEYMAN