Investigation of the microstructural and mechanical properties of Al/TiB2 composites produced by cold spray additive manufacturing
Soğuk sprey eklemeli imalat yöntemi ile üretilen Al/TiB2 kompozitlerinin mikroyapı ve mekanik özelliklerinin incelenmesi
- Tez No: 740848
- Danışmanlar: PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Metallurgical Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 99
Özet
Günümüzde ileri teknoloji malzemeleri büyük ilgi görmektedir. Bu malzemelerden biri olan Titanyum diborür (TiB2), yüksek sertlik, yüksek ergime noktası, mükemmel aşınma ve korozyon direnci gibi özellikleri ile oldukça önemli bir yere sahiptir. TiB2 üretim yöntemleri; karbotermik redüksiyon, metalotermik redüksiyon, toz metalurjisi yöntemi, aerosal prosesi ve ergimiş tuz elektrolizidir. Bu yöntemlerle üretilen TiB2; aşınma plakaları, kesici takımlar, nozüller, contalar, yüksek sıcaklıkta kullanılan bağlantı parçaları olarak kullanılabilmektedir. Yüksek sertliğinden dolayı bir çok alanda tercih edilmektedir. Ancak, şekillenirilme ve işlenebilirliğindeki zorluklar nediyle TiB2'nin tek başına kullanılmasından çok kompozit uygulamalar ile kullanılması ön plana çıkmıştır. Alüminyum ise yumuşak ve hafif bir metal olup mat gümüşümsü renktedir. Bu renk, havaya maruz kaldığında üzerinde oluşan ince oksit tabakasından ileri gelir. Alüminyum, zehirleyici ve manyetik değildir. Kıvılcım çıkarmaz. Saf alüminyumun çekme dayanımı yaklaşık 49 megapascal (MPa) iken alaşımlandırıldığında bu değer 700 MPa'a çıkar. Yoğunluğu, çeliğin veya bakırın yaklaşık üçte biri kadardır. Kolaylıkla dövülebilir, makinede işlenebilir ve dökülebilir. Çok üstün korozyon özelliklerine sahip olması, üzerinde oluşan oksit tabakasının koruyucu olmasındandır. Alüminyum alaşımları da düşük yoğunlukları, iyi mekanik özellikleri ve korozyona karşı dirençleriyle otomotiv ve hava-uzay endüstrisinde yaygın olarak kullanılır. Alüminyum alaşımlarının aşınma dirençlerinin görece düşük olması kullanımlarını tribolojik olarak sınırlamaktadır. Sünek ve sert alüminyum matrisin aşınmaya dayanıklı ve güçlü seramik parçacıklarla karışıtırılması ile ihtiyaca göre uyarlanabilir özelliğe sahip bir malzeme oluşturmak için kompozit üretimi ortaya çıkmıştır. Yüksek dayanım, sertlik ve aşınma dirençleri sebebiyle alüminyum matrisli kompozitler tekil yapılı malzemelerin yerini almıştır. Sert seramik parçacıklarıyla takviye edilmiş alüminyum alaşımlar alüminyum matrisli kompozitler olarak bilinmektedir. Alüminyum matrisli kompozitler düşük yoğunluk, yüksek sertlik, yüksek ısı ve elektrik iletkenliği, iyi korozyon ve aşınma dirençleri gibi özellikleri sebebiyle otomotiv, hava araçları ve deniz endüstrisi gibi düşük ağırlık ve sağlamlığın birlikte ihtiyaç duyulduğu alanlarda uygulanma potansiyeline sahiptir. Alüminyum matrisli kompozitlerin günümüzde en önemli malzeme olarak anılmasının ve uygulamalarının hızla artmasının sebebi geleneksel alüminyum alaşımlara karşın sahip oldukları düşük yoğunluk, aşınmaya karşı direnç ve özgül dayanımlarıdır. Alüminyum matrisli kompozitler için takviye parçacıkları olarak Al2O3, TiB2, TiC, ZrC ve ZrB2 gibi in-situ seramik bileşimlerinin kullanımıdır. Alüminyum matrisli kompozitlerin daha iyi mekanik özelliklere sahip olmasında takviye parçaları ve matris arasındaki ara yüzeyin önemli bir etkisi vardır. Takviye parçacıklarının temiz bir ara yüz ve yüksek bir bağlama kuvveti oluşturması için, matris içinde homojen bir dağılıma sahip olması ve matris tarafından ıslatılabilmesi gerekir. Bu nedenle alüminyum ve TiB2 'nin kompozit olarak kullanılması, sanayide birçok yeni kullanım alanlarına sebebiyet vermektedir. Katmanlı üretim (Additive Manufacturing, AM) malzemeleri genellikle katmanlar halinde biriktirerek üç boyutlu nesneler oluşturan bilgisayar kontrollü bir süreç olan 3D baskının endüstriyel üretim adıdır. Bilgisayar destekli tasarım (CAD) veya 3B nesne tarayıcıları kullanarak, katmanlı imalat, kesin geometrik şekillere sahip nesnelerin oluşturulmasına olanak tanır. Bunlar, fazla malzemeyi çıkarmak için genellikle işleme veya başka teknikler gerektiren geleneksel üretimin aksine, 3D baskı işleminde olduğu gibi katman katman oluşturulur. En yaygın kullanılan eklemeli imalat yöntemleri; seçimli lazer biriktirme, elektron ışın ergitme, doğrudan lazer metal sinterleme, toz yatak kaynaştırma, lazer kaplama, tel-ark eklemeli imalat, ergiterek yığma ile modelleme, doğrudan enerji biriktirme yöntemi ve soğuk sprey eklemeli imalat yöntemidir. TiB2 ve alüminyum malzemelerin kompozit olarak kullanılabilmesindeki en yeni yöntemlerden biri ise soğuk sprey eklemeli imalat yöntemidir. Bu yöntemde; yüksek yoğunluk, üstün yapışma, yüksek birikme hızı ve birikme verimi gibi özellikler soğuk püskürtme teknolojisini net şekle yakın parça üretimi ve onarımı gibi avantajlar uygulamayı cazip hale getirmektedir. Soğuk püskürtme yöntemi kullanılarak temel malzeme preformları üzerindeki flanşlar, çıkıntılar ve direkler gibi yapıların üretimi için bir yöntem patenti alınmıştır. Burada son parçaların mekanik özelliklerini iyileştirmek için sıcak izostatik presleme, ısıl işlem, yaşlandırma, su verme, germe ve tavlama işlemleri imalat sürecine dahil edilmektedir. Soğuk sprey eklemeli imalat, diğer eklemeli imalat yöntemlerinden farklı olarak ışın kaynağı ya da reçine kullanılmadan, yüksek basınçlı hava yardımıyla ergime olmaksızın üretim yapılabilmektedir. Bu tez çalışmasında; saf alüminyum tozu ile saf TiB2 tozu önce farklı bileşenlerde soğuk sprey eklemeli imalat yöntemi ile üretilmiştir. Bu üretilen farklı bileşimdeki numunelere mikroyapı ve mekanik testler uygulanmıştır. Numunelerdeki TiB2 oranı arttıkça sertlik değerinde ve yoğunluklarında artış olduğu gözlemlenmiştir. Ağırlıkça %30 TiB2 bileşiminden fazla olan numunelerde, numune hazırlık esnasından gevrek kırılme, ani çatlama, mikro yapılarından yüksek oranda porozite ve yoğunluklarında ise istenen düzeyde artış gözlemlenmemiştir. Bu nedenle, ısıl işlem içeren işlem basamaklarına %30 TiB2 bileşimine sahip olan numune ile ilerlenmesi karar verilmiştir. Bu numuneye, soğuk sprey eklemeli imalat sırasında meydana gelen gerilmeleri azaltmak için farklı sıcaklıklarda ısıl işlemler uygulanmıştır. Ardından; mikroyapı ve mekanik özellikleri incelenmiştir. Numuneler vakum ortamında 200◦C, 300◦C, 400◦C ve 500◦C sıcaklıklarında ısıl işleme tabi tutulmuşlardır. Isıl işlemden sonra havada soğumaya bırakılmış ve numune hazırlama işlemine başlanılmıştır. Hazırlanan numunelere sırasıyla; yoğunluk testi, optik ve taramalı elektron mikroskobunda mikroyapı incelemesi, XRD analizi, sertlik, basma ve aşınma testleri uygulanmıştır. Çalışma neticesinde; ısıl işlem sıcaklığının artması ile Al/TiB2 kompozitinin sertliğinin azaldığı yani daha sünek hale geldiği gözlemlenmiştir. Fakat ısıl işlem sıcaklığının 300◦C'den artmasıyla alüminyum matris ve TiB2 takviye malzemesinin farklı ısıl genleşme katsayıları, matrisin içinden TiB2 partiküllerinin düşmesi nedeniyle çatlamalar ve matris fazında ayrılmalar, boşluklar meydana gelmiştir. Bunların sonucunda, 300◦C'den yüksek sıcaklıkta ısıl işleme tabi tutulan numunelerin mikroyapı görüntülerinde poroziteler meydan gelmiştir. Basma testi sonuçlarına bakıldığında; TiB2 oranının arttırılması mukavemeti arttırmıştır. %20 gerinim değerinde ısıl işlem sonuçlarının basma testine etkisi incelendiğinde; 200◦C ve 300◦C'deki dayanım değerlerinin bitmiş örneğe göre arttığı, ancak 400◦C ve 500◦C'de azaldığı gözlemlendi. Kırılma davranışında; As-built numunenin, ısıl işlem görmüş numunelere göre daha fazla gevrek kırılmaya sahip olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca ısıl işlem sonrası numunelerin tokluk değerlerinde de artma gözlemlenmiştir. Aşınma testi sonuçları dikkate alındığında; Isıl işlem sıcaklığının arttırılmasının malzemenin aşınma direncini arttırdığı gözlemlenmiştir. 200◦C'nin üzerindeki ısıl işlem sıcaklıklarında, aşındırıcı bilyenin iz ve aşınan parçacıkları azaldı. Aşınma mekanizmasında abraziv aşınma ve oksidasyon olduğu belirlendi. Tavlamanın sürtünmeyi azalttığı ve 400◦C ve 500◦C'deki numunelerde en kararlı olduğu gözlemlenmiştir.
Özet (Çeviri)
In recent years, advanced technology materials are of great interest. One of these materials, Titanium diboride (TiB2), has a very important place with its features such as high hardness, high melting point, excellent wear and corrosion resistance. TiB2 production methods; carbothermic reduction, metallothermic reduction, powder metallurgy method, aerosal process and molten salt electrolysis. TiB2 Wear plates produced by these methods can be used as cutting tools, nozzles, gaskets, high temperature fittings. It is preferred in many industrial areas due to its high hardness. However, since it complicates its machinability in shaping, it pushes TiB2 to be used as a composite rather than being used alone. Aluminum shows soft, ductile and functional properties. For this reason, the use of aluminum and TiB2 as composite gives rise to many new areas of use in the industry. One of the newest methods of using these two materials as composites is the cold spray additive manufacturing method. In this method; Unlike other additive manufacturing methods, production can be made without the use of beam welding or resin, with the help of compressed air, without melting. In this study; Pure aluminum powder and pure TiB2 powder were first produced in different components by the cold spray additive manufacturing method. After applying the microstructure and mechanical tests to these produced samples, it was decided to proceed with the sample with 30% by weight TiB2 composition. This sample was heat treated at different temperatures to reduce the stresses that occur during cold spray additive manufacturing. Next; microstructure and mechanical properties were investigated. As a result of the study; It was observed that the hardness of the Al/TiB2 composite decreased with the increase of the heat treatment temperature, that is, it became more ductile and the wear resistance increased. However, with the increase of the heat treatment temperature from 300◦C, cracks and separations in the matrix phase, gaps occurred due to the different thermal expansion coefficients of the aluminum matrix and TiB2 reinforcement material.
Benzer Tezler
- Investigation and development of the boride particulate-reinforced Al-12.6 wt.% Si metal matrix composites synthesized via different milling and sintering techniques
Farklı öğütme ve sinterleme yöntemleri ile üretilmiş borür takviyeli Al-12.6 wt.% Si matrisli kompozitlerin geliştirilmesi ve karakterizasyonu
EMRE TEKOĞLU
Doktora
İngilizce
2019
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA LUTFİ ÖVEÇOĞLU
- Mekanik alaşımlama süreçleri ile Al-20Si esaslı toz ve sinter kompozitlerin geliştirilmesi ve karakterizasyon çalışmaları
Studies of development and characterization of Al-20Si based powder and sintered composites by mechanical alloying processes
HASAN GÖKÇE
Doktora
Türkçe
2013
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA LUTFİ ÖVEÇOĞLU
- B4C esaslı kompozitlerin B4C/Me başlangıç tozlarından hareketle spark plazma sinterleme (SPS) yöntemi ile üretilmesi ve karakterizasyonu
Production and characterization of B4C based composites from B4C/Me starting powders by using spark plasma sintering (SPS) method
MERAL CENGİZ
Doktora
Türkçe
2016
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİLİZ ŞAHİN
- AlTi5B1 master alaşımının alüminyum basınçlı döküm yönteminde tane inceltici olarak kullanımının incelenmesi
Investigation of AlTi5B1 master alloy use as grain refiner on aluminium high pressure die casting process
CEYHUN YAPICI
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ONURALP YÜCEL
- Tib2 parçacık takviyeli alüminyum alaşım esaslı kompozitlerin toz metalurjisi yöntemi ile üretimi ve özelliklerinin belirlenmesi
Characterization of tib2 particle reinforced aluminum alloy matrix composites produced by powder metallurgy technique
DEMET ZALAOĞLU
Doktora
Türkçe
2020
Makine MühendisliğiOsmaniye Korkut Ata ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ÜBEYLİ