Geri Dön

Graphene nanoplatelets reinforced AA2024 composite fabricated using laser powder bed fusion

Grafen nanoparçacıklar takviyeli AA2024 kompozitinin lazer toz yatak füzyon birleştirme yöntemi kullanılarak üretilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 946954
  2. Yazar: MULLA AHMET PEKOK
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ROSSİTZA SETCHİ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Cardiff University Wales
  10. Enstitü: Yurtdışı Enstitü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 197

Özet

Alüminyum, yerkabuğunda en bol bulunan üçüncü malzemedir ve alaşımlarıyla birlikte yüksek hasar toleransı, yorulma direnci, iletkenliği ve düşük yoğunluğu nedeniyle havacılık, otomotiv, savunma, denizcilik, inşaat ve tıp gibi birçok mühendislik sektöründe tercih edilmektedir. Buna rağmen, Alüminyum ve alaşımlarının bazı mekanik özellikleri artan endüstriyel talepleri karşılamakta halen yetersiz kalmaktadır. Buna bağlı olarak, bir elementin güçlendirilmesi, daha üstün mekanik özelliklere sahip başka bir malzemelerinin metal alaşım içine takviyesi ile mümkün olabilir. Bu koşullarda, Lazer Toz Yatak Füzyon Birleştirme (LPBF), geleneksel üretim teknikleriyle karşılaştırıldığında, karmaşık geometrik modellerde dahi yüksek hassasiyetli, hızlı üretim, kısa teslimat süresi ve makul maliyetli olmak gibi önemli faydalar sunmaktadır. Bununla birlikte, imalat süreçlerinin son derece karmaşık olması nedeni ile, LPBF kullanılarak yeni kompozitin mekanik özellikleri ve mikro-yapısını tam olarak araştırmak oldukça zordur. Bu nedenle, bu çalışma, bilyeli öğütme ve LPBF tekniği kullanılarak sentezlenen grafen nanoparçacıkları (GNP) ile güçlendirilmiş alüminyum 2024 alaşımının (AA2024) mekanik özelliklerini inceleyerek literatür boşluğunu doldurmayı amaçlamaktadır. Bu araştırmanın literatüre ilk katkısı, AA2024'ün karakterizasyonu konu alan lazer gücü, tarama aralığı ve tarama hızının LPBF tekniği kullanılarak üretilen malzemelerde üretim sırasındaki parametrelerin mekanik ve mikro-yapısal özellikleri üzerindeki etkisini araştırmaktır. Daha da önemlisi, bu araştırma imalat işleme parametreleri ile numune özellikleri arasındaki korelasyonu anlamaya yardımcı olmaktadır. GNP'lerin alaşıma takviyesinin hem öğütülmüş tozun (bilyeli öğütme yöntemi ile) hem de numunelerin (LPBF ile) mekanik ve mikro-yapısal özellikleri üzerindeki etkisinin araştırılması, bu çalışmanın başka bir yeniliğidir. Sonuç olarak, yüksek bağıl yoğunluk (99,9%) ve Archimedes yoğunluklarına (99,7%) sahip neredeyse çatlaksız yapılar elde edilmiştir. Bu çalışmanın ikinci katkısı, çeşitli bilyeli öğütme hızlarının ve sürelerinin GNP takviyeli kompozit toz üzerindeki etkisini araştırmaktır. Toz morfolojisi, akışkanlığı ve partiküllerin etkileşimi araştırılmıştır. Bu araştırmanın literatüre kattığı üçüncü önem ise Ayrık Elemanlar Yöntemi (DEM) kullanan partiküllerin akış modelinin oluşturulmasıdır. Model, literatürde yaygın olarak kullanılan parçacık şekillerinin ve gerçek toz parçacık şekillerinden esinlenerek tasarlanan partiküllerin akışını tahmin etmek için oluşturulmuştur. Bu çalışmanın dördüncü katkısı, grafen (Gr) yoğunluğu ve lazer tarama hızının kompozitlerin aşınma performansı, mikro-yapısal ve mekanik özellikleri üzerindeki etkisini araştırmaktır. Deneysel bulgular, bir miktar Gr'nin Nihai Gerilme Dayanımını (UTS), kristal boyutunu, mikro-sertliğini, aşınma dayanımını ve sürtünme katsayısını sırasıyla 7%, 37,6%, 45%, 50% ve 56%'ya kadar iyileştirdiğini göstermektedir. Gr ilavesi ayrıca yapıda daha fazla gözenek ve çatlak oluşmasına neden olmuştur. Az miktarda Gr'nin kompozit üzerindeki önemli etkisi, gözeneklilik ve çatlak artışına rağmen UTS'deki iyileşme ile görülmüştür. Bu çalışmanın bir diğer yeniliği ise, belirli miktarda GNP eklenmesi halinde kompozitlerin mekanik ve mikro-yapısal özelliklerinin artışını gösteren yapısal ve mekanik özellikler arasındaki ilişkidir. Böylelikle ağırlık-dayanım ilişkisini azaltan karmaşık enine kesit profilleri (örneğin; ağ yapılı, üçgen, dalgalı veya petek kafes geometrileri) bu gelişmiş alaşım kullanılarak LPBF tekniği ile üretilebilir. Ulaşım araçları gibi ağırlığın çok önemli olduğu uygulamalarda bu alaşımla hem güçlü hem de hafif yapılar inşa etmek mümkündür.

Özet (Çeviri)

Aluminium is the third most abundant material in the Earth's crust and, along with its alloys, is essential in many engineering sectors, including aerospace, automotive, defence, marine, construction, and medicine, owing to its high damage tolerance, fatigue resistance, conductivity, corrosion resistance, and low density. Despite this, some mechanical properties of Aluminium and its alloys are still inadequate to satisfy increasing industrial demands. Consequently, reinforcing an element indicates that superior mechanical properties of the new composite may be achieved by embedding reinforcement materials into the metal matrix. In the circumstances, Laser Powder Bed Fusion (LPBF) offers significant benefits, including geometric freedom of geometrically complex items with high precision, rapid production, short fabrication lead-time and reasonable cost, when compared with traditional manufacturing techniques. However, the mechanical properties and microstructure of the new composite have not been fully explored, as their manufacturability using LPBF is extremely challenging. Hence, the current study addresses the knowledge gap by emphasizing the LPBF of Aluminium 2024 Alloy (AA2024) reinforced with Graphene Nanoplatelets (GNPs) synthesized using ball milling. This study aims to investigate the effect of GNPs-reinforced AA2024 composite under various Graphene (Gr) percentages using ball milling and LPBF. The initial contribution of this research is the characterization of raw AA2024 which investigates the effect of laser power, hatch spacing and scanning speed on the mechanical and microstructural properties of as-fabricated AA2024 manufactured using LPBF. More importantly, this research aids in understanding the correlation between fabrication processing parameters and specimen characteristics. Exploring the effect of adding GNPs to AA2024 on the mechanical and microstructural properties of both milled powder (by ball-milling) and as-fabricated specimens (by LPBF) is another novelty of this study. The results reveal that almost crack-free structures with high relative (99.9%) and Archimedes' densities (99.7%) have been achieved. The second contribution of this study is to investigate the effect of various ball milling speeds and times on GNPs reinforced composite powder. Powder morphology, flowability and agglomeration have been investigated. The flowability model employing a Discrete Element Method (DEM) is the third contribution of this research. The model was created to predict the flowability of commonly used particles and most representative milled particles of real powder morphologies. The fourth contribution of this study is the effect of Gr concentration and scanning speed on the composites' wear performance, as well as their microstructural and mechanical properties. The experimental findings demonstrate that a certain amount of Gr enhances its Ultimate Tensile Strength (UTS), crystallite sizes, microhardness, wear rate and friction coefficient by up to 7%, 37.6%, 45%, 50% and 56%, respectively. The addition of Gr, on the other hand, led to the formation of more porosity and cracks in the structure. The significant impact of a small amount of Gr on composite is demonstrated by the enhancement in UTS despite considerable porosity and crack development. The relationship between microstructure and composite mechanical properties is research's another novelty, which demonstrates the substantial contribution of a certain quantity of GNPs to the improvement of advanced composites' mechanical and microstructural properties. Hereby, complex cross-sectional regions (i.e., the reticular, triangular, wavy or honeycomb lattice geometries) that decrease the weight-strength relationship may be produced using this advanced alloy with the LPBF technique. For applications where weight is crucially important, such as transportation vehicles, it is possible to build structures that are both strong and light with this alloy.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    696330

    İndüksiyonla sıcak işlemin grafen/Si3N4 takviyeli Al2024 esaslı kompozitlerin mekanik özelliklerine ve mikroyapısına olan etkisinin araştırılması

    Investigation of the effect of hot treatment by induction on the mechanical properties and microstructure of graphene/Si3N4 reinforced Al2024 based composites

    ÜMMET MAHMUTOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Makine MühendisliğiOndokuz Mayıs Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MAHMUT CAN ŞENEL

  2. Tez No

    563901

    Investigation of tribological properties of graphene nanoplatelets reinforced metal matrix nanocomposites

    Grafen nanolevha takviyeli metal matrisli nanokompozitlerin tribolojik özelliklerinin incelenmesi

    SEÇKİN MARTİN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Makine Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SİNAN KANDEMİR

  3. Tez No

    857887

    Nano partikül takviyeli bakır kompoziyonunun sinterlenmesi ve mekanik özelliklerinin belirlenmesi

    Sintering of nano particle reinforced copper composition and determination of mechanical and electrical properties

    ALPER MUTLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Mekatronik Mühendisliğiİzmir Demokrasi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. UĞUR ÇAVDAR

  4. Tez No

    450968

    Titanyum karbür ve grafen nano plaka (GNP) takviyeli zirkonyum karbür seramiklerinin spark plazma sinterleme yöntemi ile üretimi ve karakterizasyonu

    Production and characterization of titanium carbide and graphene nanoplatelets (GNP) reinforced zirconium carbide ceramics prepared by spark plasma sintering

    BURAK ÇAĞRI OCAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜLTEKİN GÖLLER

  5. Tez No

    958660

    Grafen takviyeli hibrit nanokompozit levhaların düşük hızlı darbe dirençlerinin incelenmesi

    Investigation of low-velocity impact resistance of graphene reinforced hybrid nanocomposite plates

    UMUT ÖZGÜR ÖZALTAY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Makine MühendisliğiMersin Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ALPER GÜNÖZ

Geri Dön