Investigations on reducing friction coefficient of MAO coating fabricated on 7075 Al alloy
7075 Al alaşımı üzerinde oluşturulan MAO kaplamanın sürtünme katsayısını azaltmaya yönelik araştırmalar
- Tez No: 782483
- Danışmanlar: PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU, DR. ÖĞR. ÜYESİ FAİZ MUHAFFEL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- 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: 129
Özet
Alüminyum (Al) ve alaşımları, yüksek özgül mukavemet-ağırlık oranı, mükemmel şekillendirilebilirliği, imalat kolaylığı sayesinde geniş bir uygulama alanında kullanılabilmektedir. Ayrıca otomotiv endüstrisinde, düşük yoğunlukları ve yüksek özgül mukavemetleri sayesinde araç ağırlığını azaltarak CO2 emisyonunu azaltırlar. Bu önemli avantajlar, Al alaşımlarını özellikle havacılık ve otomotiv endüstrisi için çekici bir malzeme haline getirmiştir. Al alaşımlarının bu avantajlarına ek olarak; düşük sertlik nedeniyle düşük aşınma direnci, yüksek ve kararsız sürtünme katsayısı gibi bazı dezavantajları vardır. Bu nedenle Al alaşımları, dönen ve ileri geri hareket eden kuru kayma koşullarında yeterli dayanım ve tribolojik özellikler sergileyememektedir. Al alaşımları arasında 7xxx serisi, yüksek mukavemetli uygulamalar için kullanılmaktadır. Bu seriler, çeşitli malzeme özelliklerinin beklendiği durumlarda yüzey işleme için uygundur. Ayrıca gerilmeli korozyon çatlamasına karşı dirençlidir. Bu serilerde yüksek mukavemetli Al alaşımı olarak bilinen 7075 Al alaşımları, yüksek tokluk ve iyi yorulma mukavemeti gibi önemli avantajlara sahiptir. Bu avantajlara sahip olmasına rağmen; 7075 Al alaşımları yüksek ve kararsız sürtünme katsayıları, düşük sertlik ve aşınma dirençleri nedeniyle yeterli tribolojik özellik gösterememektedirler. Bu sınırlamaların üstesinden gelmek için farklı yüzey modifikasyon teknikleri geliştirilmiştir. Bu sayede alaşıma farklı fonksiyonel özellikler kazandırılabilmektedir. Bu bağlamda, plazma elektrolitik oksidasyon (PEO) işlemi olarak da adlandırılan mikro ark oksidasyon (MAO) işlemi birçok avantaja sahip olmasından dolayı öne çıkmaktadır. Bu avantajlardan bazıları; farklı uygulamalar için kaplama üretilebilirliği (aşınma, korozyon, optik vb.), altlık malzemeye zarar vermeden kaplanabilirliği ve çevre dostu bir kaplama yöntemi olmasıdır. MAO prosesi, bir elektrolit solüsyonu kullanılarak hafif metaller (Al, Ti ve Mg) üzerinde oksit bazlı seramik kaplamanın oluşturulması esasına dayanır. Metal üzerinde oluşan seramik tabaka sayesinde özellikle aşınma ve korozyon özelliklerinin iyileştirilmesi sağlanmaktadır. MAO işlemi sırasında elektrolite partikül ilavesi ile işlem sırasında oluşan poroziteleri minimize etmek mümkündür. Aynı zamanda yapıdaki mikro boyutlu porozitelere yerleşmesi sağlanan katı yağlayıcı katkı maddeleri ile sürtünme katsayısı azaltılabilmektedir. Böylece tribolojik özelliklerde daha fazla gelişme sağlanabilmektedir. Literatürde 7075 Al alaşımı üzerinde MAO işlemi ile ilgili çalışmalar mevcut olmasına rağmen, 7075 Alaşımı üzerine MAO kaplama sırasında partikül ilave edilerek yüksek sıcaklık tribolojik özelliklerinde iyileştirme sağlanması ile ilgili çalışmalar sınırlıdır. Bu çalışma esas olarak, 7075 Al alaşımı üzerinde üretilen MAO kaplamanın, işlem sırasında elektrolite partikül ilavesi ile sürtünme katsayısını azaltarak tribolojik özelliklerde daha ileri bir iyileşme sağlanmasına odaklanmıştır. Referans olarak, katkısız MAO numunesi de, 7075 Al altlık üzerine monolitik alümina (Al2O3) olarak üretilmiştir. Öte yandan, MAO numunesinin tribolojik özelliklerinin daha da iyileştirilmesi için farklı kompleks oksit seramik kaplamalar oluşturmak amaçlanmış ve bu amaç doğrultusunda partikül ilavesi gerçekleştirilmiştir. Partiküllerin yüksek sıcaklık tribolojik özellikleri üzerindeki etkisi, tungsten karbür (WC) bilyaya karşı kuru aşınma koşulları altında farklı yük ve sıcaklıklar kullanılarak araştırılmıştır. Ayrıca 7075 Al altlık üzerine üretilen partikül katkılı MAO numunelerinin tribolojik özellikleri, oda sıcaklığında Al2O3 bilyaya karşı da incelenmiştir. Ancak MAO işlemi sırasında partikül ilavesi ile sürtünme katsayısında azalma açısından beklenen sonuçlara ulaşılamamıştır. Bu nedenle MAO işleminden önce 7075 Al alaşımına ön işlem olarak soğuk püskürtme tekniği (CS) uygulanmıştır. CS işlemi sırasında Zn ilavesi farklı % ağırlıkça oranlar (ağırlıkça % 0, 15, 30 ve 60 Zn) ile gerçekleştirilmiştir. Ardından, işlem sonrası MAO prosesi, kompleks oksit seramik kaplamaların oluşmasını sağlamıştır. Bu kaplamalar CS-MAO-Zn olarak adlandırılmıştır. Sürtünme katsayısında belirgin düşüş bu yolla başarıyla sağlanmıştır. Soğuk sprey ve mikro ark oksidasyonundan oluşan çift katmanlı nihai kaplamalar detaylı olarak karakterize edilmiştir. Nihai kaplamalar, faz bileşimini belirlemek için X-Işını Difraktometre (XRD) analizi ile karakterize edilmiştir. Kaplama yapılarını araştırmak için kaplamaların yüzey morfolojisi ve kesitleri Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile incelenmiştir. Ayrıca kaplamalardaki element miktarını belirlemek için Enerji Dağıtıcı X-Işını spektrometresi (EDX) de kullanılmıştır. Aynı zamanda üretilen kaplamaların ortalama yüzey pürüzlülüğü (Ra) değerleri iki boyutlu temas yüzey profilometresi ile ölçülmüştür. Toplam 50 m kayma mesafesi için 1 N, 2 N, 3 N ve 4N'lik farklı aşınma test yükleri kullanılarak Al2O3 bilyaya karşı oda sıcaklığında aşınma testleri yapılmıştır. Aşınma testleri sonrasında aşınmış yüzeyleri iki boyutlu temas yüzey profilometresi ve SEM ile incelenmiştir. Numunelerin spesifik aşınma hızları, aşınma izlerinin iki boyutlu profilleri yardımıyla belirlenmiştir. Yapısal karakterizasyonlar sonucunda, CS-MAO-Zn kaplamaları ağırlıklı olarak Al ve α- ve γ- formunda Al2O3 fazlarından oluşmuştur. Ayrıca, CS sırasında Zn ilavesi sayesinde Zn ve ZnO fazları, kaplamaların XRD analizi sonucunda görülmüştür. Kesit SEM incelemelerine göre ağırlıkça %30 Zn içeren CS-MAO-Zn numunesi küçük boyutlu ve homojen dağılımlı poroziteler göstermiştir. Bunun yanısıra, bu kaplama homojen bir kaplama kalınlığı (yaklaşık 25 μm) sergilemiştir. Minimum yüzey pürüzlülüğü (0.84±0.12 μm) ağırlıkça %30 Zn içeren CS-MAO-Zn numunesinden, maksimum yüzey pürüzlülüğü (1.56±0.16 μm) ise referans MAO numunesinden elde edilmiştir. Tüm test yükleri için minimum kararlı hal sürtünme katsayısı değeri ve en düzgün sürtünme eğrisi de yine ağırlıkça %30 Zn içeren CS-MAO-Zn numunesinden elde edilmiştir. Sürtünme katsayısındaki önemli azalma, MAO tabakasında oluşan ZnO'nun yağlayıcı etkisine bağlanmıştır. 3 N yük ve 50 m kayma mesafesi altında oluşan aşınma izlerinin SEM görüntüleri incelendiğinde, tüm numunelerde abrasiv aşınmanın kanıtı olan ayrılma bölgeleri önemli ölçüde görülmüştür. Bununla birlikte, ağırlıkça %30 Zn içeren CS-MAO-Zn numunesinin aşınma izi, diğerlerine kıyasla daha az parçalanma bölgesi sergilemiştir. Ayrıca, ağırlıkça %15 ve ağırlıkça %60 Zn CS-MAO-Zn içeren numunelerden elde edilen aşınma izinin yüzey SEM görüntüsünde ağ yapısı göstermeyen derin çatlaklar görülmüştür. Öte yandan, kaplamalar 4 N yük altında test edildiğinde aşınma mekanizmasının değiştiği gözlenmiştir. 4 N yükte şiddetli aşınma mekanizması baskınken, 4 N altındaki yüklerde hafif aşınma gözlemlenmiştir. Ağırlıkça %30 Zn içeren CS-MAO-Zn numunesi, referans MAO numunesi ve diğer numunelere göre üstün aşınma direnci sergilemiştir. Son olarak, ağırlıkça %60 Zn içeriğinin kaplamayı önemli ölçüde bozduğu gözlemlenmiş, ağırlıkça %15 Zn içeriğinin ise kaplamanın tribolojik özelliklerini iyileştirmede yetersiz olduğu kanısına varılmıştır.
Özet (Çeviri)
Aluminum (Al) and its alloys have attracted attention in a wide range of application areas thanks to their high specific strength-to-weight ratio, excellent formability, and ease of fabrication. Also, in the automotive industry, they reduce CO2 emissions by lowering vehicle weight due to their low density and high specific strength. These crucial advantageous have made Al alloys a very attractive material for the aerospace and automotive industry, especially. In addition to these advantages of Al alloys; they have some limitations such as low wear resistance due to low hardness, and high and unstable friction coefficient. Thus, Al alloys cannot exhibit sufficient strength and tribological properties in rotating and reciprocating dry sliding conditions. Among the Al alloys, the 7xxx series have been used for high-strength applications. These series are suitable for surface treatment when various material properties have been expected. Also, they have resistance to stress corrosion cracking. In these series, 7075 Al alloys which are known as high-strength Al alloys have significant advantages such as high toughness and good fatigue strength. Although it has these advantages; it cannot exhibit sufficient tribological properties because of its high and unstable coefficient of friction, low hardness and wear resistance. To tackle these limitations, different surface modification techniques have been developed. In this way, different functional properties can be gained from the alloy. In this regard, the micro-arc oxidation (MAO) process, also called as plasma electrolytic oxidation (PEO) process have been become crucial considering numerous advantages such as coating producibility for different applications (wear, corrosion, optical etc.), no deterioration of substrate, environmentally-friendly. MAO process is based on the fabrication of oxide-based ceramic coating on light metals (Al, Ti, and Mg) by using an electrolyte resulting in improvement in wear and corrosion properties, especially. With particle addition into the electrolyte, porosities formed during the MAO process can be minimized; both complex-oxide ceramic coatings that can improve different properties can be obtained and the friction coefficient can be reduced with the solid lubricant additives settled in the micro-pores in the structure. Thus, further improvement in tribological properties can be achieved. Although studies about the MAO process on 7075 Al alloy are present in the literature, studies about the improvement by particle addition in high-temperature wear properties of MAO coating on 7075 Alloy were limited. The present study mainly focused on further improvement of tribological properties of MAO coating fabricated on 7075 Al alloy by reducing the coefficient of friction via particle addition to the electrolyte during the process. As a reference, the MAO sample without addition was also fabricated on 7075 Al alloy to form monolithic alumina (Al2O3) coating. On the other hand, particle addition was carried out to provide further improvement of the tribological properties of the MAO sample. The effect of particles on high-temperature tribological properties was investigated by using different loads and temperatures under dry sliding wear conditions against a tungsten carbide (WC) ball counterpart. Also, tribological properties of particle-added MAO coatings fabricated on 7075 Al substrate were tested at room temperature against an Al2O3 ball. However, expected results in terms of reduction in coefficient of friction could not be reached with particle addition. Therefore, the cold spray technique (CS) was applied as a pre-treatment process to 7075 Al substrate before the MAO process. Zn addition during the CS process was carried out with different wt.% ratios (0, 15, 30, and 60 wt.% Zn). Then, the post-treatment MAO process provided the formation of complex-oxide ceramic coatings. These samples were referred to as CS-MAO-Zn. A significant reduction in the coefficient of friction was achieved in this way. Final duplex coatings that were composed of cold spray and micro-arc oxidation were characterized in detail. The final coatings were characterized by X-Ray Diffractometer (XRD) analysis in order to determine the phase composition of the coatings. Surface morphology and cross-section of the coatings were examined by Scanning Electron Microscope (SEM) to investigate coating structures. Also, an Energy-dispersive X-Ray spectrometer (EDX) was used to determine the amount of the elements in coatings. Furthermore, the mean surface roughness (Ra) values of the samples were measured via a 2-D profilometer. Wear tests were carried out at room temperature against the Al2O3 ball by using different wear testing loads of 1, 2, 3, and 4 N for a total sliding distance of 50 m. Besides, after the wear tests, worn surfaces were examined by a 2-D contact surface profilometer and SEM. Specific wear rates of the samples were determined by examining the 2-D profiles of the wear tracks. As a result of the structural characterizations, CS-MAO-Zn samples mainly consisted of Al, and Al2O3 phases in the forms of α- and γ-. Furthermore, Zn-related phases which are Zn and ZnO have been introduced into the coating thanks to the addition of Zn during the CS process. According to the cross-sectional SEM examinations, 30 wt.% Zn containing CS-MAO-Zn sample showed porosities with small-sizes and homogeneous distribution. Also, it exhibited a homogeneous coating thickness of about 25 μm. 30 wt.% Zn containing CS-MAO-Zn sample had a minimum surface roughness value of 0.84±0.12 μm while the maximum surface roughness was obtained from the reference MAO sample as 1.56±0.16 μm. The minimum steady-state friction coefficient value and the smoothest friction curve were obtained from this sample for all test loads. The significant decrease in friction coefficient was attributed to the lubrication effect of ZnO formed in the MAO layer. When SEM images of the wear tracks formed under the load of 3 N and the sliding distance of 50 m were examined, spallation regions which are evidence of abrasive wear were significantly seen for all samples. Nevertheless, the wear track of 30 wt.% Zn containing CS-MAO-Zn sample exhibited fewer spallation regions compared to the others. Furthermore, the deep cracks without network structure were observed in the surface SEM image of the wear track formed on 15 wt.% and 60 wt.% Zn containing CS-MAO-Zn sample. On the other hand, the wear mechanism was changed when the samples were tested under loads of 4 N. Severe wear dominated at the load of 4 N while mild wear was observed for the loads under 4 N. 30 wt.% Zn containing CS-MAO-Zn sample exhibited superior wear resistance when it compared with the reference MAO and the other samples. Also, it should be noted that the coating significantly deteriorated with Zn content increased to 60 wt.% while 15 wt.% Zn content was evaluated as insufficient to improve the tribological properties of the coating.
Benzer Tezler
- Molibden katkılı elmas-benzeri karbon filmlerin üretimi, karakterizasyonu ve tribolojik özellikleri
Production, characterization and tribological properties of molybdenum doped diamond-like carbon films
EMRE ALP
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. M. KÜRŞAT KAZMANLI
- AISI 4140 çelik malzemenin yüzey özelliklerini geliştirmek için yenilikçi bir PTA yöntemi
A novel PTA coating method to improve surface properties of AISI 4140 steel materials
GÖKÇE MEHMET AY
Doktora
Türkçe
2017
Makine MühendisliğiEskişehir Osmangazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OSMAN NURİ ÇELİK
- Fiziksel buhar biriktirme (Pvd) yöntemiyle yapılan Alüminyum krom nitrür (AlCrN) ince film kaplamaların üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of Aluminium chromium nitride (AlCrN) thin films deposited by Physical vapour deposition (Pvd)
TUNCAY AKBAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN
- Küt cisimlerde sürüklenme kuvvetinin azaltılması için kilitlenmiş girdap oluşumlarının deneysel yöntemlerle araştırılması
Başlık çevirisi yok
ŞEREF ERKARA
Doktora
Türkçe
1997
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. M. ZEKİ ERİM
- Buzdolabı kompresör yataklarında kullanılmak üzere b390 alüminyum alaşımının tribolojik özelliklerinin iyileştirilmesi
Improvement of tribological characteristics of b390 aluminum alloy for use in refrigerator compressor bearings
ABDULLAH ŞENTÜRK
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. ONURALP YÜCEL