Vanadyum ve niyobyum karbür/oksit partikül takviyeli alüminyum metal matriks kompozitlerin toz metalurjisi yöntemleriyle üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of vanadium and niobyum carbide/oxide particle reinforced aluminum metal matrix composites by powder metallurgy methods
- Tez No: 949580
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DUYGU AĞAOĞULLARI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Metalurji Mühendisliği, Aeronautical Engineering, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 122
Özet
Mühendislik uygulamalarında kullanılan malzemeler; metaller, seramikler, polimerler ve kompozitler olmak üzere dört ana gruba ayrılmaktadır. Bu malzemeler, fiziksel ve kimyasal özelliklerine bağlı olarak farklı endüstriyel uygulama alanlarında kullanılır. Metaller, yüksek mukavemet ve süneklik gerektiren uygulamalarda; seramikler, yüksek sıcaklık ve aşınma direnci istenen ortamlarda; polimerler ise hafiflik ve kolay şekillendirilebilirlik avantajları sayesinde geniş bir kullanım alanına sahiptir. Farklı özelliklerin bir araya getirilmesini sağlayan malzeme türü ise kompozitlerdir. Kompozit malzemeler, en az iki farklı fazın birleşimiyle oluşan ve üstün özellikler sergileyen mühendislik malzemeleridir. Bu fazlardan biri sürekli olan matriks faz, diğeri ise takviye fazıdır. Takviye faz, genellikle parçacık, kısa lif, uzun lif ya da tabaka şeklinde olabilir. Matriks malzeme yük taşıyıcı görev üstlenirken, takviye faz ise kompozitin mukavemetini, sertliğini ve aşınma direncini artırmaktadır. Metal matriks kompozitler (MMK), matriks fazı olarak metal veya metal alaşımı kullanılan ve genellikle seramik içerikli takviyelerle güçlendirilen kompozitlerdir. MMK'lar, yüksek mukavemet, iyi aşınma direnci, yüksek sıcaklık dayanımı ve düşük yoğunluk gibi avantajları sayesinde havacılık, otomotiv ve savunma sanayii başta olmak üzere birçok alanda tercih edilmektedir. Özellikle alüminyum esaslı metal matriks kompozitler (AMMK), hafiflik, yüksek özgül mukavemet ve korozyon direnci gibi özellikleri ile ön plana çıkmaktadır. Ancak geleneksel alüminyum alaşımları, ileri mühendislik uygulamaları için yeterli mekanik ve tribolojik özellikleri sağlayamamaktadır. Bu nedenle, SiC, B4C, Al2O3, NbC ve VC gibi sert seramik fazların alüminyum matriksine ilavesi, kompozitlerin performansını artırmak amacıyla sıkça başvurulan bir yöntemdir. Bu takviyeler, kompozitin mikroyapısını, yoğunluğunu, sertliğini ve aşınma davranışını doğrudan etkilemektedir. Bu çalışmada, toz metalurjisi yöntemi ile vanadyum karbür-oksit (VKO) ve niyobyum karbür-oksit (NKO) takviyeli alüminyum esaslı metal matriks kompozitler sentezlenmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında, elementel haldeki vanadyum (V) ve niyobyum (Nb) tozları, grafit (C) ile belirli oranlarda karıştırılarak farklı sürelerde (15 dk, 30 dk, 1 sa) mekanik alaşımlamaya tabi tutulmuş ve ardından 900 °C'de 3 sa tavlanmıştır. Elde edilen VKO ve NKO takviyelerine XRD, partikül boyut analizi, yoğunluk ve SEM incelemeleri uygulanarak yapısal özellikleri belirlenmiştir. Elde edilen verilere göre, 1 sa mekanik alaşımlama ile hazırlanan takviye tozları en uygun mikroyapısal özellikleri göstermiştir. İkinci aşamada ise, elde edilen VKO ve NKO tozları, ağ. %2, %5, %10 ve %15 oranlarında saf alüminyum ile karıştırılarak 4 sa boyunca yüksek enerjili öğütücüde öğütülmüştür. Hazırlanan toz karışımları, tek eksenli presleme ile kompakt hale getirilmiş, bağlayıcı giderme sonrası soğuk izostatik presleme ile nihai forma gelen numuneler 600 °C'de sinterlenmiştir. Üretilen numuneler üzerinden Arşimet yoğunluk ölçümleri, Vickers sertlik testleri ve kuru kayma aşınma testleri gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar incelendiğinde, %10 VKO takviyeli numunenin 2.21 GPa ile en yüksek sertlik değerine sahip olduğu görülmüştür. NKO takviyesi açısından ise en iyi sonuç %15 takviye oranında 1.39 GPa sertlik değeri ile elde edilmiştir. Aşınma testlerinde de benzer şekilde, %10 VKO ve %15 NKO içeren kompozitlerin en düşük aşınma hacim kaybına sahip olduğu belirlenmiştir. Bu tez çalışmasının sonucunda, VKO ve NKO takviyelerinin AMMK'lerin mekanik ve tribolojik özelliklerini olumlu yönde geliştirdiği tespit edilmiştir. Ayrıca optimum takviye oranlarının VKO için %10, NKO için ise %15 olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Bu tür kompozitler, yüksek performans gerektiren yapısal uygulamalarda alternatif bir malzeme çözümü sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
Materials used in engineering applications are classified into four main groups: metals, ceramics, polymers, and composites. These materials are utilized in various industrial applications depending on their physical and chemical properties. While metals are used in applications requiring high strength and ductility, ceramics are preferred in environments that demand high temperature and/or wear resistance. Polymers, on the other hand, offer advantages in terms of lightness and processability in industrial applications. The material group that allows for the simultaneous utilization of these diverse properties is composite materials. Composite materials are formed by combining at least one matrix phase and one reinforcement phase. Typically, the matrix phase bears the load, while the reinforcement phase improves the material's mechanical properties, such as strength, hardness, and wear resistance. Composites are classified into different groups based on the type of reinforcement elements, such as particles, short fibers, continuous fibers, and layered structures. The material class developed by adding ceramic or metallic reinforcement elements to a metal matrix phase is called metal matrix composites (MMCs). MMCs are particularly noteworthy in applications due to their superior mechanical properties, such as high strength, hardness, and wear resistance. Lightweight metals like aluminum, titanium, and magnesium are frequently used as matrix phases in MMCs. Aluminum metal matrix composites (AMMCs) hold a significant position among MMCs. Aluminum possesses characteristics such as lightness, high strength, and corrosion resistance. However, the properties of conventional aluminum alloys, such as strength and wear resistance, are often insufficient to meet the demands of advanced technological applications. AMMCs have become a preferred material group in various sectors, including aerospace, automotive, maritime, and aviation, thanks to their enhanced physical and mechanical properties. To improve the strength and wear resistance of aluminum and enhance its mechanical and tribological properties, the addition of hard and stable phases such as SiC, B4C, Al2O3, NbC, and VC as reinforcements plays a critical role in enhancing the performance of these materials. Various methods are used in the synthesis of AMMCs, which can be classified into liquid phase methods, solid phase methods, and powder metallurgy methods. The production process in which the matrix material is melted and reinforcement elements are added is referred to as the liquid phase method, while the process of simultaneously processing pre-prepared matrix and reinforcement materials is defined as the solid phase method. The most well-known of the liquid phase methods is the casting method. In this production model, the process of achieving a homogeneous distribution of reinforcements within the metal matrix is challenging. Reinforcements with sub-micron sizes tend to agglomerate in the molten matrix, preventing the final composite from being homogeneous The powder metallurgy method is a widely preferred production technique in the synthesis of AMMCs. The primary aim of this method is to ensure the homogeneous distribution of reinforcement materials within the matrix and to enable the composites to achieve superior mechanical properties. In powder metallurgy, after the powders are blended and ground, the processes of shaping and sintering these powders take place. In powder metallurgy, it is easy to adjust the composition of the synthesized composite, which provides a significant advantage in modifying the final product's properties. Since the grinding process occurs in a high-energy environment, it ensures homogeneity between phases and significantly reduces the particle size of the powders compared to the starting material. As the grinding time increases, the particle distribution in mechanical alloying tends to narrow. The reduction in particle size also leads to a decrease in the driving force required during the sintering process. In this study, vanadium carbide-oxide (VKO) and niobium carbide-oxide (NKO) reinforced aluminum-based metal matrix composites were synthesized by powder metallurgy method. In the first stage of the study, elemental vanadium (V) and niobium (Nb) powders were mixed with graphite (C) in certain ratios and subjected to mechanical alloying for different times (15 min, 30 min, 1 h) and then annealed at 900°C for 3 h. XRD, particle size analysis, density and SEM examinations were applied to the obtained VKO and NKO reinforcements to determine their structural properties. According to the obtained data, the reinforcement powders prepared with 1 h mechanical alloying showed the most suitable microstructural properties. In the second stage, the obtained VKO and NKO powders were mixed with pure aluminum at 2%, 5%, 10% and 15% by weight and ground in a high-energy mill for 4 h. The prepared powder mixtures were compacted by uniaxial pressing, and after binder removal, cold isostatic pressing to reach their final form and the samples were sintered at 600°C. In the second part of the study, pure aluminum powders were mechanically alloyed for 4 hours with VCO and NCO reinforcement powders at various ratios (2%, 5%, 10%, and 15% by weight). Thus, the effects of both different reinforcement amounts and different reinforcement materials on the physical and mechanical properties of aluminum were investigated. The mechanically alloyed composite powders were pressed uniaxially using a hydraulic press to form bulk material. To prevent agglomeration of the powders during mechanical alloying, a binder removal process was applied to eliminate the stearic acid agent added to the mixture. Then, the samples were sintered at 600°C. After the sintering process, the samples were pressed with cold pressing and turned into bulk. After metallographic processes were applied to the obtained samples, characterization tests were performed. According to the Archimedes density measurement values, the increase in the reinforcement ratio affected the density values. In the hardness and wear tests, the average hardness value of VC-reinforced AMMK was measured as 1.55, and this value was measured as 2.21 GPa in 10% VKO reinforcement. As a result of this study conducted for NKO reinforcement, the average value was measured as 1.33 GPa, and 1.39 GPa in 15% NKO reinforcement. When the wear volume losses were examined, it was calculated that the least volume loss was experienced in 10% VKO and 15% NKO reinforcements, similar to the hardness values. According to the results of this thesis study, the mechanical properties of the reinforcement added to the Al matrix were increased. It was observed that 10% VKO reinforcement was the optimum value in VKO reinforcement, and that adding more reinforcement to the matrix by weight decreased the mechanical properties. The highest mechanical values in NKO reinforcement were achieved as a result of the addition of 15% NKO. The use of reinforcements with high hardness and strength values such as VKO and NKO improved the mechanical properties. It was concluded that these composites can be used in industries such as automobile, aviation, and space due to their mechanical properties.
Benzer Tezler
- Fabrication of vanadium and niobium borides via milling-assisted solid state synthesis methods and sintering techniques
Vanadyum ve niyobyum borürlerin öğütme destekli katı hal sentezleme yöntemleri ve sinterleme teknikleri ile üretimi
ÖZGE BALCI
Doktora
İngilizce
2015
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. İSMAİL DUMAN
- Niyobyum (NB) ile güçlendirilmiş demir (FE) matrisli alaşımların toz metalurjisi yöntemiyle üretimi ve mekanik özelliklerinin araştırılması
An investigation on mechanical properties of nb added fe – matrix alloy produced by powder metallurgy method
DOĞAN ÖZDEMİRLER
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Metalurji MühendisliğiKarabük Üniversitesiİmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SÜLEYMAN GÜNDÜZ
- Effect of vanadium and niobium additions on microstructure, mechanical, tribological and corrosion properties of aisi 603 steel produced by powder metallurgy method
Toz metalurjisi yöntemiyle üretilen aisi 603 çeliğine vanadyum ve niyobyum katkisinin mikroyapi, mekanik, tribolojik ve korozyon özelliklerine etkisi
MOHAMED ERHAIMA EMAHMED ERHAIMA
Doktora
İngilizce
2025
Makine MühendisliğiKarabük ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HARUN ÇUĞ
- Mikroalaşımlı östemperlenmiş küresel grafitli dökme demirlerde vanadyum ve niyobyumun mekanik özelliklere etkisi
Effect of vanadium and niobium on mechanical properties in microalloyed austempered ductile iron
BEYZA METE DOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. NURİ SOLAK
- Sertleştirme ve menevişleme ısıl işlem parametrelerinin P91 çeliğinin mekanik özellikleri üzerine etkileri
Effect of quencing and tempering heat treatment parameters on the mechanical properties of P91 steel
CANER TÖRE
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEVAT BORA DERİN