Elektrikli taşıtlar için hafif, mukavemet ve çarpışma özellikleri yüksek olan alaşımların geliştirilmesi ve optimizasyonu

Designing and system optimization of light, high strength and ductile alloys for lightweighting of electrical vehicles

Tez No: 855292
Yazar: OSMAN HALİL ÇELİK
Danışmanlar: PROF. DR. ONURALP YÜCEL
Tez Türü: Doktora
Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
Yıl: 2024
Dil: Türkçe
Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Sayfa Sayısı: 318

Özet

Geçtiğimiz son on yıl içinde elektrik araç endüstrisi her yıl ortalama %8 oranında büyümüştür ve büyümenin devam edeceği öngörülmektedir. Bunun en önemli sebepleri ise karbon salınımının minimuma indirilerek çevreye olan zararın azaltılmasıdır. Elektrikli araçlar ile ilgili en önemli dezavantaj ise sürüş mesafesinin kısa olmasıdır. Bu yüzden sürüş mesafesinin arttırılması amacıyla yeni nesil batarya sistemleri üzerine çalışıldığı gibi araç ağırlıklarının azaltılması üzerine de birçok çalışma yapılmaktadır. Araçlarda kullanımı çok olan çelik alaşımlarının yerine alüminyum alaşımları kullanılması ile ilgili birçok endüstriyel uygulama bulunmaktadır. Bunun yanında güvenliğin arttırılması amacıyla da kullanılan mevcut alüminyum alaşımları yerine de yeni nesil yüksek mukavemet ve sünekliğe sahip alaşımların geliştirilmesi amacıyla da Ar-Ge çalışmaları yapılmaktadır. Otomotiv sektöründe kullanılan alüminyum alaşımları çoğunlukla 6060, 6063, 6005A ve 6082 alaşımlarıdır. Bu alaşımlar ile 300 MPa kadar akma mukavemeti elde edilebilmektedir. Araçlarda güvenliğin ve sürüş mesafesinin arttırılması amacıyla yeni nesil alüminyum alaşımlarının geliştirilme ihtiyacı halen sürmektedir. Otomotiv sektöründe onaylı tedarikçi olunması amacıyla ekstrüzyon tekniği ile üretilmiş profiller için belli standartlar bulunmaktadır. Bu standartların içerisinde alaşımın kabul edileceği kimyasal bileşim, mukavemet değerleri, ısıl kararlılık, basma, eğme ve korozyon sınırları bulunmaktadır. Bu testlerin tamamının geçilmesi durumunda onaylı tedarikçi olunabilmektedir. Testlerin istenilen sonuçlar ile geçilebilmesi amacıyla kimyasal bileşim tasarımı ve proses (döküm, homojenizasyon, ekstrüzyon ve ısıl işlem) parametreleri önemli olmaktadır. 6056 alüminyum alaşımı 6xxx serisi içerisinde en yüksek mukavemete sahip iki alaşımdan bir tanesidir. Kimyasal bileşimu içerisinde ana elementler olan magnezyum ve silisyum haricinde, manganez, bakır, çinko, krom, titanyum ve zirkonyum elementleri de bulunmaktadır. Alaşım elementinin fazla olması aynı zamanda oluşan farklı çökelti fazlarının sayısını ve türünü de arttırmaktadır. Magnezyum ve silisyum elementinin birleşmesi ile Mg2Si, alüminyum ve bakır elementlerinin birleşmesi ile Al2Cu, magnezyum ve çinkonun birleşmesi ile de MgZn2 fazı oluşmaktadır. Bu fazların oluşması mukavemetin artmasının yanı sıra başka özellikleri de değiştirmektedir. Bu değişimin belli miktarlarda olumlu etkisi olurken belli miktarların aşılması durumunda ise özelliği kötü yönde etkilemektedir. Özellikle bakır elementi içeren fazların mukavemeti ve ısı dayanımını arttırmasının yanı sıra korozyon dayanımını düşürmektedir. Aynı şekilde MgZn2 fazı yine mukavemeti arttırırken korozyon dayanımını düşürmektedir. Bu çalışmada otomotiv sektöründe kullanılan ekstrüzyon tekniği ile alüminyum alaşımlarından üretilmiş profillerin standartlarında yüksek mukavemet, süneklik, ısıl kararlılık ve korozyon dayanımı olan yeni nesil 6xxx serisi alüminyum alaşımı geliştirilmesi amacıyla çalışmalar yapılmıştır. Bu amaç doğrultusunda, 6056 alüminyum alaşımının dört farklı kimyasal bileşim sınırları belirlenmesi, bu alaşımların metalürjik simülasyon programı olan JMatPro ile incelenmesi, direkt katılaşma döküm yöntemiyle biyet üretimi, homojenizasyon, ekstrüzyon faaliyetlerinin doğru anlaşılabilmesi amacıyla simülasyon programı ile ön çalışmaların yapılması, ekstrüzyon tekniği ile dolu ve zıvanalı profil üretimi, ısıl işlemi, kalite testleri ve karakterizasyon faaliyetleri yürütülmüştür. Kalite testleri ve karakterizasyon faaliyetleri proseslerin standart işlemleri ve otomotiv standardının beklentisi doğrultusunda gerçekleştirilmiştir. Dört farklı kimyasal bileşimin belirlenmesi aşamasında ilk üç alaşımda silisyum miktarı magnezyuma göre daha fazla olacak şekilde ayarlanmıştır. Dördüncü alaşım da ise magnezyum elementi silisyum elementine göre daha fazla olacak şekilde ilave edilmiştir. Metalurjik simülasyon işlemleri için JMatPro programı kullanılmıştır. Alaşımın soğuma, faz ve ısıl işlem ile ilgili diyagramları üzerine çalışmalar yapılarak hem prosesler için önbilgi elde edilmiş hem de gerçek veriler ile kıyaslamalar sağlanmıştır. Kimyasal bileşimler ile metalurjik simülasyon işlemleri sonrasında direkt katılaşma döküm yöntemi kullanılan endüstriyel bir tesiste biyetler öncelikle prototip olacak şekilde ve sonrasında endüstriyel olacak şekilde döküm yöntemi ile üretilmiştir. Üretim sırasında döküm parametreleri belirlenmiştir. Döküm işlemi sonrasında homojenizasyon işlemi uygulanmıştır. Homojenizasyon işlemi ile birlikte tane sınırlarına çökelmiş olan çökelti fazlarının yapı içerisine homojen dağılması ve AlMnFeSi intermetalik fazının β'dan α'ya dönüşümünün sağlanarak sünekliliğin arttırılması amacıyla yapılmıştır. Ekstrüzyon denemeleri için üç farklı tasarıma sahip kalıp çizilmiştir. Tasarımı yapılan kalıplar ekstrüzyon simülasyon programı olan QFORM ile ekstrüzyon simülasyon işlemine tabi tutulmuştur. Elde edilen sonuçlar doğrultusunda kalıp üretimleri gerçekleştirilmiştir. Ekstrüzyon işlemine hazır olan biyetlerin elde edilmesiyle birlikte 2750 tonluk pres kullanılarak dövme sektöründe rotilli kol üretiminde kullanılabilecek kalitede 50 mm çapında çubuk profil ve otomotiv sektöründe test profili olarak kullanılan zıvanalı profil üretimi yapılmıştır. Zıvanalı profillerin ekstrüzyon ve otomotiv standardında istenen testlerin tamamı uygulanmıştır. Isıl işlem sürecinde geniş aralıkta (165-215°C) aralığında 2-12 saat süreleri ile denemeler yapılarak alaşımların mukavemet değişimleri belirlenmiştir. Profil toleranslarının kontrol edilmesi süreci et kalınlığı ve form toleransı kontrolü olmak üzere iki aşamada gerçekleştirilmiştir. Et kalınlığı kontrolleri sırasında kumpas ve Romidot cihazı kullanılırken, form toleransı kontrol işlemleri sırasında üç boyutlu tarama cihazları kullanılmıştır. Yapılmış olan testler sonrasında karakterizasyon faaliyetleri olarak optik emisyon spektrometresi kullanılarak kimyasal bileşimlerın belirlenmesi, döküm ve homojenizasyon işlemleri sonrasında biyetlerden dilim numune alarak gerekli metalografik numune hazırlanma işlemleri sonrasında optik mikroskop ve SEM altında içyapının incelenmesi sağlanmıştır. Aynı şekilde DSC numuneleri alınıp faz değişimleri incelenmiştir. Tane boyutları belirlenmiştir. SEM incelemeleri sırasında EDS ile birlikte belirlenmiş olan fazlara elementel analiz yapılarak fazların türlerinin belirlenmesi sağlanmıştır. Yaşlandırma, kısa ve uzun dönem kararlılık testleri sonrasında çekme testi yapılarak mukavemet kontrol edilmiştir. Basma ve eğme testleri ile malzemenin sünekliliği gözlemlenmiştir. Ekstrüzyon testleri sırasında enine kaynama ve kabuk mesafesi belirlenmesi, boyuna kaynama kalitesi kontrolü amacıyla profil patlatma testi uygulanmıştır. Yapılan çalışmalar neticesinde, yeni nesil ve içerisinde birçok alaşım elementi (Si, Mg, Mn, Cu, Zn ve Zr) bulunan 6056 alaşımlarında yüksek mukavemet ve süneklik elde edilebilmesi amacıyla Si/Mg oranının etkili olduğu belirlenmiştir. Silisyum elementinin arttırılması mukavemetin artmasını sağlarken, iğnesel olarak çökelmesinden dolayı sünekliliği düşürdüğü belirlenmiştir. Geliştirilen alaşımlardan magnezyum içeriğinin silisyuma göre fazla olan alaşımın yüksek mukavemet ile süneklik ihtiyacını karşıladığı testler sonucunda belirlenmiştir. Yapı içerisinde bulunan çinkonun magnezyum ile birleşerek mukavemetin arttırılmasında önemli rol oynarken korozyon dayanımı ve ısıl kararlılık konusunda değerlerin düşmesine neden olduğu gözlemlenmiştir. Bakır elementinin oluşturmuş olduğu AlCu2 fazı ile mukavemet ve ısıl kararlılıkta artış sağlanırken korozyon dayanımında azalma olduğu belirlenmiştir. Otomotiv sektöründe kullanılacak olan profillerin yüksek mukavemet, süneklik ve korozyon dayanımı ve ısıl kararlılık isterlerini karşılayabilmesi amacıyla ısıl işlem kondisyonunun doğru seçilmesi gerektiği belirlenmiştir. Otomotiv sektörü için T6 (alaşım için elde edilebilecek en yüksek mukavemet kondisyonu) yerine T7 (T79, T76 veya T73) kondisyonlarının mukavemetten %5-15 arasında düşüş olmasının yanı sıra korozyon dayanımı ve süneklik artışı sağlanması nedeniyle daha uygun ve tercih edilmesi gerektiği yapılan eğme, basma ve korozyon testleri ile belirlenmiştir. Yapılan korozyon testleri sonucunda bakır içeren fazların çinko içeren fazlara göre korozyon dayanımını daha az düşürdüğü belirlenmiştir. Özellikle magnezyum ve çinko elementinin birleşmesi ile birlikte 7xxx serisi alüminyum alaşımlarda görülen taneler arası korozyonun arttığı gözlemlenmiştir. Tez çalışmasında kullanılan dört farklı alaşımdan 6056-4 alaşımının sonuçları otomotiv standardı beklentilerini karşılayacak şekilde elde edilmiştir. Ekstrüzyon işlemi sırasında üç numaralı kalıp kullanılarak profil üretimi gerçekleştirilmiştir. Isıl işlem parametreleri olarak 200°C 6 saat belirlenmiş ve T76 kondisyonu uygulanmıştır. Isıl işlem sonrasında yapılan çekme testi sonuçlarına göre akma mukavemeti 352 MPa, çekme mukavemeti 394 MPa olarak belirlenmiştir. 6056-4 kimyasal kompozisyonu ve T76 ısıl işlem ile birlikte otomotiv standardındaki test beklentileri karşılanmıştır.

Özet (Çeviri)

Over the past decade, the electric vehicle industry has grown and continues to grow. The most important reasons for this are minimizing carbon emissions and reducing the damage to the environment. The most important disadvantage of electric vehicles is that the range is short. For this reason, many studies are being carried out on reducing vehicle weights, as well as on new generation battery systems in order to increase the range. There are many industrial applications related to the use of aluminum alloys instead of steel and its alloys, which are widely used in vehicles. In addition, R&D studies are carried out in order to develop new generation alloys with high strength and ductility instead of existing aluminum alloys, which are also used to increase safety. When aluminum alloys used in the automotive industry are examined, mostly 6060, 6063, 6005A and 6082 alloys are used. Yield strength up to 300 MPa can be obtained with these alloys. There has been a need to develop new generation aluminum alloys in order to increase the safety and range of vehicles. There are certain standards for profiles produced with extrusion technique in order to be an approved supplier in the automotive industry. These standards include the chemical composition in which the desired alloy will be accepted, desired strength values, thermal stability, compression, bending and corrosion tests. If all of these tests are passed, one can become an approved supplier. Chemical composition design and process (casting, homogenization, extrusion and heat treatment) parameters are important in order to pass the tests with the desired results. 6056 aluminum alloy is one of the two alloys with the highest strength in the 6xxx series. In addition to magnesium and silicon, which are the main elements in its chemical composition, there are also manganese, copper, zinc, chromium, titanium and zirconium elements. The high amount of alloying element added also increases the number and type of different precipitate phases formed. Mg2Si is obtained with the combination of magnesium and silicon element; Al2Cu with the combination of aluminum and copper elements and MgZn2 phase is obtained with the combination of magnesium and zinc. The formation of these phases changes other features as well as increasing the strength. While this change is suitable in certain amounts, if certain amounts are exceeded, it affects the property negatively. Especially, in addition to increasing the strength and heat resistance of phases containing copper element, it also decreases the corrosion resistance. Likewise, while the MgZn2 phase increases the strength, it decreases the corrosion resistance. In this study, studies were carried out to develop a new generation 6xxx series aluminum alloy with high strength, ductility, thermal stability and corrosion resistance in the standards of profiles produced from aluminum alloys with the extrusion technique used in the automotive industry. In line with this purpose, in order to determine four different chemical compositions of 6056 aluminum alloy, to examine these alloys with metallurgical simulation program, to produce biyet by direct solidification casting method, homogenization and to correctly comprehend extrusion activities, preliminary studies with the simulation program, production of çubuk(round solid) and hollow profiles with extrusion technique, heat treatment, quality tests and characterization activities were carried out. Quality tests and characterization activities are tests that are in line with the standard operations of the processes and the expectations of the automotive standard. During the determination of four different chemical compositions, the amount of silicon element in the first three alloys was adjusted to be higher than the magnesium element. In the fourth alloy, magnesium element was determined to be more than silicon element. JMatPro program was used for metallurgical simulation processes. By working on the cooling, phase and heat treatment diagrams of the alloy, both preliminary information for the processes were obtained and comparisons with real data were provided. After chemical compositions and metallurgical simulation processes, in an industrial facility where direct chill casting method is used, biyets were first produced as prototypes and then industrially by casting method. Casting parameters were determined during production. After the casting process, homogenization process was applied. It was made in order to increase the ductility by homogeneously dispersing the precipitate phases that precipitated at the grain boundaries with the homogenization process and ensuring the transformation of the AlMnFeSi intermetallic phase from β to α. Dies with 3 different designs were drawn for extrusion trials. The designed dies were subjected to extrusion simulation process with the extrusion simulation program QFORM. Die productions were carried out in line with the results obtained. With the obtaining of the biyets ready for the extrusion process, a 50 mm diameter round solid (rod) profile that can be used in the production of ball joint in the forging industry and a hollow profile used as a test profile in the automotive industry were produced using a 2750 ton press. All of the tests required in the extrusion and automotive standards of the validation profiles were applied. During the heat treatment process, the strength changes of the alloys were determined by making testing in a wide range (165-215°C) for 2-12 hours. The process of controlling profile tolerances was carried out in two stages, namely wall thickness and form tolerance control. While caliper and Romidot device were used during wall thickness controls, 3D scanning devices were used during form tolerance control processes. After the tests performed, the chemical compositions were determined by using optical emission spectrometry as characterization activities, slice samples were taken from the biyets after casting and homogenization processes and the internal microstructure was examined under optical microscope and SEM after the necessary metallographic sample preparation processes. Likewise, DSC samples were taken and phase changes were examined. Grain sizes were determined. During the SEM examinations, elemental analysis was performed on the phases determined together with the EDS, and the types of the phases were determined. After aging, short and long term thermal stability tests, the strength was checked by performing a tensile test. The ductility of the material was observed by compression and bending tests. During the extrusion tests, pipe opening test was applied to determine the transverse weld and the shell distance, and to control the longitudinal weld quality. As a result of the studies performed, it has been determined that the Si/Mg ratio is effective in order to obtain high strength and ductility in the new generation 6056 alloys containing many alloying elements (Si, Mg, Mn, Cu, Zn and Zr). It has been determined that increasing the silicon element increases the strength, while the element that is found in excessive amounts in the matrix and precipitated as needles decreases the ductility. As a result of the tests, it was determined that the alloy, which has a higher magnesium element than the silicon element, meets the need for high strength and ductility. It has been observed that the zinc element in the structure combines with magnesium and plays an important role in increasing the strength, while it causes a decrease in the values of corrosion resistance and thermal stability. It was indicated that the strength and thermal stability are increased with the excess of copper element, while there is a decrease in the corrosion resistance. It has been determined that the heat treatment condition should be chosen correctly in order to meet the high strength, ductility and corrosion resistance and thermal stability requirements of the profiles to be used in the automotive industry. With bending, compression and corrosion tests, it was determined that T7 (T79, T76 or T73) conditions should be more suitable and preferred instead of T6 (the highest strength condition that can be obtained for the alloy) for the automotive sector due to the increase in corrosion resistance and ductility, as well as a decrease in strength between 5 and 15%. As a result of the corrosion tests, it was determined that the copper-containing phases decreased the corrosion resistance less than the zinc-containing phases. It was observed that the intergranular corrosion seen in 7xxx series aluminum alloys increases especially with the combination of magnesium and zinc element. Four different 6056 aluminum alloys used in the thesis study, the results of the 6056-4 was determined to fit automotive standard's requests. In extrusion process, profile production was produced with die which was numbered three. The heat treatment parameters were determined as 200°C for 6 hours and T76 condition was applied. According to the results of the tensile test performed after the heat treatment, the yield strength was determined as 352 MPa and the tensile strength was determined as 394 MPa. The test expectations in the automotive standard were met with the 6056-4 chemical composition and T76 heat treatment.

Benzer Tezler

Tez No
790762
Mekanik bağlantılı, alüminyum malzemeli elektrikli otobüs üst gövdesi tasarımı, bilgisayar destekli analizlerinin yapılması ve kaynaklı çelik gövde ile karşılaştırılması
Design of mechanical fixed, aluminum material used bus upper body, computer aided analysis of the body and comparison with welded steel body
BERKE GÖK
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine Mühendisliği Yıldız Teknik Üniversitesi
Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ OĞUZHAN AVCIATA
Tez No
66715
Otomotiv endüstrisinde kullanılan çelik ve alüminyum alaşımı saçların nokta kaynağı ve yapıştırma ile kombinasyon bağlantıları
Spot welding and weldbonding
İLKAY DEMİRKESEN
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Makine Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ADNAN DİKİCİOĞLU
Tez No
467080
Mini autoclave system for composite curing process
Kompozit malzeme kürleme süreci için mini otoklav sistemi
MEHMET ÇAKICI
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol İstanbul Teknik Üniversitesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ALİ FUAT ERGENÇ
Tez No
891946
İleri sürüş destek sistemlerinin dinamik taşıt modeli için geliştirilmesi
Development of advanced driving assistance systems for dynamic vehicle models
TEVFİK ATAMAN
Doktora
Türkçe
2024
Makine Mühendisliği Karabük Üniversitesi
Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA BAHATTİN ÇELİK
DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET ALİ BİBERCİ
Tez No
675955
Modelling longitudinal motion of an electric vehicle and wheel slip control through NN based uncertainty prediction
Elektrikli aracın boyuna hareketinin modellenmesi ve yapay sinir ağı tabanlı belirsizlik kestirimli tekerlek kayma kontrolü
DUYGU ÖZYILDIRIM
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol İstanbul Teknik Üniversitesi
Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OVSANNA SETA ESTRADA

Geri Dön