The effect of europium on the oxidation of A356 alloy and pure aluminum
Europiyum ilavesinin A356 alaşımının ve saf alüminyumun oksidasyonu üzerine etkisi
- Tez No: 883338
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DERYA DIŞPINAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 108
Özet
Alüminyum alaşımları, yüksek korozyon direnci ve yüksek özgül mukavemeti nedeniyle tercih edilmektedir. Döküm ve dövme alaşımları olarak ikiye ayrılır. Döküm alaşımları arasında A356 alaşımı Si akışkanlığı, beslenebilirliği, işlenebilirliği, Mg2Si çökeltileri ile sağlanan ısıl işlem sonrası elde edilen mukavemeti ve düşük maliyeti ile oldukça yaygın bir kullanım alanına sahiptir. Ancak döküm sonrası oluşan levha benzeri ötektik silikon yapı kırılganlığa neden olur. Plaka benzeri ve kaba silisyum yapılar, termal ve kimyasal yöntemlerle ince küresel yapıya dönüştürülebilir. Bu modifikasyon işlemi yapının mukavemetini arttırır. Hızlı katılaşma ve ısıl işlem sırasında yapılan modifikasyon işlemlerine termal, dışarıdan elementler katılarak Si'nin büyümesinin engellenerek yapılan modifikasyon işlemine ise kimyasal yöntem denir. Kimyasal yöntem, uygulama kolaylığı açısından endüstride sıklıkla kullanılmaktadır. Geçmişten günümüze Na, Sr gibi elementlerle modifikasyonların yapıldığı görülmüştür. Son zamanlarda Eu, Er ve Yb gibi nadir toprak elementlerinde modifikasyonların meydana geldiği keşfedilmiştir. Endüstride en çok kullanılan element olan Sr'nin ppm ilave seviyesinde kullanarak yapıyı değiştirdiği bilinmektedir. Bununla birlikte, Sr elemanının belirtilen iki dezavantajı vardır. Yüksek oksijen afinitesi nedeniyle stronsiyum, sıvı metalin içinden oksitlenme ve cüruf ile karışma eğilimindedir. Bu durumda zamanla Sr miktarı kaybolduğu için modifikasyon etkisi azalır. Ayrıca tane inceltici olarak kullanılan B elementi ile intermetalik yapılmasının hem tane inceltme etkisini hem de modifikasyon etkisini azalttığı gözlemlenmiştir. Bu nedenle, yeni değiştirici öğeler için bir arayış başlatılmıştır. Son araştırmalar, az miktarda Eu ilavesinin yapıyı değiştirebileceğini göstermiştir. Ancak Eu elementinin diğer elementlerle ilişkisi ve alaşımdaki oksidasyon davranışı henüz araştırılmamıştır. Richardson & Ellingham diyagramı incelendiğinde Eu+2'nin oksijen afinitesinin Al'den daha yüksek olduğu görülür. Bu nedenle bu çalışmada A356 alaşımının hem katı hem de sıvı haldeki oksidasyon davranışına Eu elementinin etkisinin araştırılması amaçlanmıştır. Al-Eu etkileşimini anlamak ve oksidasyon davranışındaki değişimi incelemek için ağırlıkça %10 Eu katkılı Al'ın oksidasyon davranışı da incelenmiştir. Alaşıma ilave için iki farklı europium oranı (ağırlıkça % 0.1 ve % 0.4) seçildi. 0.1 Eu literatürde en iyi modifikasyonu gösterdiği, 0.4 Eu fazla Eu'nun nasıl davranış göstereceğini görmek amacıyla yapılmıştır. Bu alaşımların karaterizasyonu gerçekleştirildi. Mikroyapı analizleri sonucunda yapıda iki farklı boyutta Al2Si2Eu intermetaliği bulunmuştur. İnce yapılı Al2Si2Eu'nun Si'nin yanında 200 nm boyutlarında çökeldiği görülmüş ve modifkasyonu sağladığı düşünülmüştür. Bunun yanında yapıda Al-Fe-Si intermetaliklerinin de oluştupu gözlemlenmştir. 500 ve 750 ˚C'de 2, 4, 6, 12 ve 24 saat boyunca oksidasyon testlerine maruz bırakıldılar. Oksidasyon kinetiği, ağırlık kazancı/yüzey alanı hesaplanarak zamana bağlı elde edilmiştir. 500 ˚C'de belirgin bir değiklik saptanmamıştır. 750 ˚C'deki oksidasyon sonrası oksit tabakası ve iç yapı optik mikroskop, SEM ve XRD kullanılarak analiz edilmiştir. 24 saatlik oksidasyon sonrası yüzeyde MgO tabakasının oluştuğu, 0.1 Eu miktarının oksidasyona bir etkisi olmadığı 0.4 Eu'nun oksidasyon kinetiğini artırdığı gözlemlenmiştir. Buna ek olarak Al2Si2Eu intermetaliklerinin oksit yüzeylerinde çökeldikleri tespit edilmiştir. Oksidasyon kinetiğindeki artışın yüzeyde çökelen Al2Si2Eu intermetaliklerinin erken aşama oluşan koruyucu oksit tabakada çekirdeklenerek oksit tabakanın üzerinde gerilimler oluşturması ve koruyucu yapısını bozması sonucunda oksitlenmenin artması ile gerçekleştiği düşünülmektedir. Oksit yapısında Eu'ya rastlanılmamıştır. Eu'nun tercihli oalrak Si ile bağ yapmasından dolayı oksitlenmeye doğrudan bir tekisi olmadığı düşünülmektedir. %10 Eu içeren Al master alaşımının mikroyapısı incelendiğinde alfa Al ile birlikte ince uzun yapılı inetmetalikler olduğu gürülmüştür. SEM ve XRD analizleri sonucunda bu yapıların EuAl4 intermetalikleri olduğu görülmüştür. Master alaşım ve saf alüminyum için de oksidasyon testleri benzer şekilde gerçekleştirilmiştir. İlave olarak 48 saatlik inceleme oksidasyonun yavaşladığı anı bulma amacıyla yapılmıştır. Oksidasyon testleri sonucunda Eu ilavesinin saf alüminyumun oksidasyon kinetiğini büyük ölçüde artırdığı görülmüştür. 750 ˚C'deki oskidasyon sonucunda yapının tamamen erimediği şeklini kısmen koruduğu gözlemlenmiştir. Bunun nedeni olarak çok hızlı oksitlenmenin gerçekleşmesiyle yapının rijidliğini koruduğu düşünülmektdir. 750 ˚C sonrasında oluşan oksit tabakası kalınlığının 2 saat için 55 µm'den 24 saat sonrasında 558 µm'e kadar artığı görülmüştür. Oksit yapısı incelendiğinde SEM analizlerine göre Eu-Al-O içeren bir oksit tabaksı oluştuğu gözlemlenmiştir. EDS sonuçarı incelendiğinde kompozsiyonlarının iki farklı spinel yapıya denk geldiği görülmüştür. Ancal XRD sonuçlaroına göre hiçbir spinel yapıyla uyuşmadığı gözlemlenmiştir. XRD sonuçlarına göre 2 saatten 48 saatlik oksidason sonucuna kadar piklerde nemli bir değişiklik gözlemlenmemiştir. Bu da faz dönüşümü olmadığını düşündürtmüştür. Piklerin Eu3O4 ve monoklinik Al2O3 ile uyuştupu görülmüştür. 30˚ Al2O3'ün en şiddetli piki iken 60˚ Eu3O4'ün en şiddetli pikidir. 2 saatlik oksidasyon sonraı XRD sonucunda 30˚ en şiddetli pik iken 48 saat sornasında 60˚ en şiddetli pik haline gelmiştir. Bu da zamanla Eu3O4 miktarınına artığını düşündürtmektedir. Nihai sonuç olarak oksit yapısında Eu3O4 ve Al2O3 oksitlerinin birlikte yer aldığı düşünülmektedir. İlave olarak sertlik değerleri ölçülmüş ve oksidasyon süresi artıkça sertlik değerlerinin düştüğü gözlemlenmiştir. Al10Eu master alaşımının yarı katı durumdaki oksidasyon davranışı 24, 48 ve 72 saat boyunca oksidasyona maruz bırakılarak incelenmiştir. Mikroyapı analiz sonuçlarına göre EuAl4 intermetaliğinin selektif olarak oksitlendği gözlemlenmiştir. EuAl4 intermetaliğinin oksijen çözünürlüğünün yüksek olduğu veya çözünürken oksitlendiği düşünülmektedir.
Özet (Çeviri)
The modification processes made during rapid solidification and heat treatment are called thermal, and the modification process made by preventing the growth of Si by adding elements from the outside is called the chemical method. The chemical method is frequently used in the industry in terms of ease of applicability. It has been observed that modifications have been made with elements such as Na, and Sr from past to present. Recently, it has been discovered that modifications occur with rare earth elements such as Eu, Er, and Yb. It is known that Sr, which is the most used element in the industry, modifies the structure by using it at the addition level of ppm. However, the Sr element has two noted disadvantages. Because of its high oxygen affinity, strontium tends to oxidize from within the liquid metal and mix with the dross. In this case, since the amount of Sr is lost over time, the modification effect decreases. In addition, it has been observed that making intermetallic with element B, which is used as a grain refiner, reduces both the grain refinement effect and the modification effect . For this reason, a search for new modifier elements has been started. Recent studies have shown that a small amount of Eu addition can modify the structure. However, the relationship of the Eu element with other elements and its oxidation behavior in the alloy has not been investigated yet. When the Richardson & Ellingham diagram is examined, it is seen that the oxygen affinity of Eu+2 is higher than that of Al. Therefore, in this study, it is aimed to investigate the effect of the Eu element on the oxidation behavior of A356 alloy in both solid and liquid states. In order to understand the Al-Eu interaction and to examine the change in oxidation behavior, the oxidation behavior of 10% Eu added Al was also investigated. Two different europium ratios (0.1 and 0.4wt.%) were selected for addition to the alloy. Characterization of these alloys was carried out. Afterwards, they were subjected to oxidation tests for 2, 4, 6, 12 and 24 hours at 500 and 750 °C. The oxidation kinetics were obtained over time by calculating the weight gain/surface area. No significant change was observed at 500 °C. The oxide layer which is formed at 750 °C and internal structure were analyzed using an optical microscope, SEM and XRD. It was observed that a MgO layer was formed on the surface after oxidation, 0.1 Eu amount had no effect on oxidation, and 0.4 Eu increased oxidation kinetics at 750 °C. In addition, it was determined that Al2Si2Eu intermetallics precipitated on the oxide surfaces. Oxidation tests were carried out similarly to the Al master alloy containing 10% Eu. In addition, the 48-hour examination was carried out to find the moment when the oxidation slowed down. As a result of the oxidation tests, it was observed that the addition of Eu greatly increased the oxidation kinetics of pure aluminum at 750 °C. When the oxide structure was examined, it was observed that an oxide layer containing Eu-Al-O was formed according to SEM analysis. According to XRD results, it is thought that Eu3O4 and Al2O3 oxides are intermixed. In addition, the hardness values were measured and it was observed that the hardness values decreased as the oxidation time increased. The oxidation behavior of the Al10Eu master alloy in the semi-solid state was investigated by exposing it to oxidation for 24, 48 and 72 hours at 650 °C. According to the results of microstructure analysis, it was observed that EuAl4 intermetallics were selectively oxidized.
Benzer Tezler
- Nadir toprak element oksitlerinden ergimiş tuz elektrolizi yöntemiyle nadir toprak elementlerinin sentezi
Synthesis of rare earth elements from rare earth oxides by molten salt electrolysis
OSMAN CAN ÖZER
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERVET İBRAHİM TİMUR
- Bazı küflerin fındıkta lipolitik aktivitesinin incelenmesi
Başlık çevirisi yok
LEYLA SARIYAR
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DİLEK HEPERKAN
- The effect of different addition ratio of rare earth element erbium and europium on microstructure and mechanical properties of A356 (Al-7Si-0.3Mg) alloy
Nadir toprak elementi erbium ve europyum'un farklı ilave oranlarının A356 (Al-7Si-0.3Mg) alaşımının mikroyapı ve mekanik özellikleri üzerindeki etkisi
HAYATİ ŞAHİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DERYA DIŞPINAR
- Eskişehir Beylikova bastnazit kompleks cevherinin karakterizasyonu ve farklı kalsinasyon koşullarının solvoliç verimine etkisinin incelenmesi
Characterization of Eskisehir Beylikova bastnasite complex ore and the effect of different calcination conditions on solvoleach efficiency
ÇİSEM ÇELİK KURTULAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET ŞEREF SÖNMEZ
- Synthesis and characterization of strontium aluminate based nanophospors
Nano boyutta stronsiyum aluminat esaslı fosfor sentezi ve karakterizasyonu
MEHMET DURMUŞ ÇALIŞIR
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. NURİ SOLAK