Kil-ponza hibrit takviyeli alüminyum matrisli sintaktik köpük metalin üretimi, iç yapı ve mekanik özelliklerinin incelenmesi
Production, microstructure and mechanical characterization of clay-pumice hybrid reinforced aluminum matrix syntactic foam
- Tez No: 955349
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ALİ GÖKŞENLİ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 105
Özet
Mühendislikte ana unsurlardan biri olarak yer alan malzeme biliminde, gelişen teknolojiyle birlikte artmakta olan yeni nesil malzeme taleplerini karşılamak adına çeşitli çalışmalar yapılmaktadır. Özellikle kompozit malzemeler üzerine yoğunlaşan bu çalışmalar farklı malzeme tiplerini bir araya getirerek bu özgünlüklerin bir uyum içinde kullanılmasını sağlayarak yeni özelliklerde malzemeler üretmeye çalışmaktadır. 20. yy başlarında ilk çalışmalarıyla malzeme dünyasına ismini yazdıran köpük metaller günümüzde hala devam edilen çalışmalarla birlikte geliştiriliyor ve halihazırda otomotiv, havacılık, yapısal parçalar, biomedikal uygulamalarda kullanılıyor. Köpük metaller geleneksel metallere göre içindeki kapalı veya açık hücreli yapılar sayesinde aynı hacimde daha düşük yoğunluklarla üretilebiliyor, böylelikle mühendislikte ağırlık azaltma gibi uygulamalarda kullanılabilecek bir malzeme olarak göze çarpıyor. Aynı zamanda köpük metaller basma kuvvetleri etkisi altındayken yüksek enerji absorpsiyon değerlerine ulaşabiliyor, bu özelliğiyle birlikte enerji emilim kabiliyeti yüksek ve içi boşluklu yapıdaki geometrileri sayesinde ses yalıtımı, ısı geçişi, gibi avantajlarıyla öne çıkmaktadır. Sintaktik köpük metaller, kapalı hücreli köpük metallerin bir çeşidi olup takviye parçacıklarının metal matris içine dağıtılması sonucu oluşturulan köpük metal türüdür. Bu yapılar metal matris tiplerine, takviye tiplerine, yapısal farklılıklarına, takviye boyutları ve hacim oranlarına göre çeşitli performans avantajları sağlayabilmektedirler. Günümüze kadar yapılan araştırmalarda bu performans incelemeleri, farklı takviye malzemeleri ve metal kombinasyonları üzerinde hem malzeme davranışlarını inceleyen hemde bu malzemelerin üretilebilirliğini araştıran çalışmalar yürütülmüştür. Takviye malzemelerin seçiminde önemli kriterlerden bazıları malzemeye kolay erişim, düşük maliyet ve çevresel sürdürülebilirlik olarak belirtilmiştir. Sintaktik köpük metal araştırma alanını konu alan bu çalışmada Al7075 metal matrisli, genleştirilmiş kil takviyeli, ponza takviyeli ve hacimsel olarak %50 genleştirilmiş kil ve %50 ponza karıştırılmış hibrit takviyeli 3 farklı matris-takviye kombinasyonu kullanılarak sintaktik köpük metaller basınçlı infiltrasyon yöntemi aracılığıyla üretilmiştir. Bu 3 farklı malzeme kombinasyonunda 7 adetlik 3 grup olacak şekilde toplam 21 adet numune üretilmiştir. Bu numunelerin her malzeme grubundan 1 adet olacak şekilde toplam 3 adet mikroyapı incelemelerinde kullanılmak üzere, her grup için 6 adet olacak şekilde toplam 18 adet numune ise basma deneyi için üretilmiştir. Her grupta basma deneyi için üretilen 6 numuneden 3 tanesi T6 ısıl işlemine tabi tutulmuştur. Böylelikle deney sonuçları 3 farklı malzeme grubu ve 2 farklı ısıl işlem durumuyla 6 farklı durumda incelenmiştir. Bu çalışmada Al7075' in 2,81 g/cm3 olan yoğunluğunu takviye malzemeler ekleyerek azaltmak hedeflenmiştir ve bu düşük yoğunluklu sintaktik köpük metallerin mikroyapıları ve mekanik davranışları incelenmiş ve yorumlanmıştır. Çalışmalar sonucunda alüminyum takviyeli sintaktik metal köpüklerin 1,47 – 1,85 g/cm3 değerleri arasında yoğunluk azaltılması sağlanmıştır. Bu da alüminyuma göre bağıl yoğunluk hesaplandığında sırasıyla %52 - %66 olarak sonuçlanmıştır. Elde edilen bu değerler literatürde gerçekleştirilen diğer çalışmalarla elde edilen değerlerle uyumludur. Üretimde, takım çeliğinden imal edilen 30 mm çapında iki parçalı kalıp, piston, hava kanalı açılmış pul ve sıkıştırma bileziği kullanılmıştır. Farklı üretim prosesleri ve parametreleri denenmesinin ardından en verimli ürün elde edilen proses şu şekilde gerçekleşmiştir: Soğuk kalıp önce piston ve bilezik dışındaki kalıp parçaları birleştirilerek toplanır. Ardından yüksek oranda takviye malzeme ile doldurulduktan sonra üstüne silindir alüminyum dan kesilmiş katı haldeki alüminyum parça konulur, metalin üstünede piston ile tampon bölge oluşturması için düşük oranda takviye eklenir. Kalıp ve piston fırında 720°C' de 30dk bekletiliyor. Ardından fırın dışına alınan kalıp bilezik içine yerleştiriliyor ve bilezikdeki vidalar yardımıyla sıcak kalıp saniyeler içinde sıkıştırılıyor son olarak sıcak piston fırından çıkarılarak kalıbın üstüne kapatılıyor ve üzerine 19,61 N yük uygulanarak piston bu sabit yükün etkisiyle kalıba basınç uyguluyor ve kalıp oda sıcaklığında 20dk soğumaya bırakılıyor, ardından kalıp açılarak numune çıkartılıyor. Kalıptaki çapaklanmalar temizlendikten sonra üretim prosesi tekrarlanmaya hazır hale geliyor. Ayrıca numuneler üretildikten sonra standartlara uygun boyutlarda kesilmek üzere torna tezgahında talaşlı imalata tabi tutulmuştur. Bunun yanında mikroyapı incelemeleri için zımpara ve parlatma işlemleri gerçekleştirilmiştir. Isıl işleme yatkınlığı sebebiyle seçilen Al7075 matrisli sintaktik köpük metaller 3 saat 480°C'de bekletilmiştir ardından su verme işlemi gerçekleştirilmiş ve 12 saat boyunca 120°C'de yapay olarak yaşlandırılarak T6 ısıl işlemine tabi tutulmuştur. Mikroyapı incelemelerinde homojen yada homojen dağılıma yakın takviye dağılımlar gözlemlenmiştir. Ayrıca takviye parçacıklarının birbirlerine olan yakınlıkları yada birleşmeleri neticesinde bazı bölgelerde alüminyumun nüfuz etmesini engellemiş ve mikro boşluklar oluşmuştur. Bazı bölgelerde ise dolum eksikliği gözlemlenmiştir. Yapılan basma testleri sonucunda elde edilen maksimum basma gerilmeleri 45,68 – 94,73 MPa, plato dayanımları 17,67 – 85,75 MPa ve enerji absorpsiyon değerleri 14,20 – 42,81 MJ/m3 aralıklarında seyretmiştir genel olarak literatürdeki çalışmalarla uyum söz konusudur. Isıl işlem uygulanmış numunelerin dayanımlarının ; ısıl işlem uygulanmayan numunelere göre ortalama olarak maksimum basma gerilmesinde %41, plato dayanımında %63 ve enerji absorpsiyonunda ise %55 daha iyi performans gösterdiği tespit edilmiştir. Bu çalışmaların sonucunda özelikle kil-ponza hibrit takviyeli alüminyum sintaktik köpük metallerin basınçlı infiltrasyon yöntemiyle üretimi hakkında yöntem ve parametre bilgisi sağlarken bu malzemelerin mekanik özelliklerini ortaya koyarak malzemelerin ileride oluşabilecek kullanım alanları için deneysel bilgi sağlamak ve yol göstermek hedeflenmiştir.
Özet (Çeviri)
In the field of materials science, which is one of the main pillars of engineering, various studies are being conducted to meet the increasing demand for new-generation materials driven by advancing technologies. Particularly, research focusing on composite materials aims to combine different material types and utilize their unique properties in harmony to develop materials with novel characteristics. Metal foams, which gained recognition in the early 20th century, continue to be developed and are currently used in automotive, aerospace, structural components, and biomedical applications. Compared to conventional metals, metal foams can be produced at lower densities due to their open- or closed-cell internal structures, making them particularly suitable for weight reduction applications in engineering. Additionally, metal foams exhibit high energy absorption capabilities under compressive loads, and their hollow structures offer advantages such as sound insulation and thermal resistance. Syntactic metal foams, a subclass of closed-cell foams, are produced by embedding hollow reinforcement particles into a metallic matrix. These materials offer various performance advantages depending on the type of matrix, reinforcement materials, structural configuration, particle size, and volume fraction. Existing studies have investigated different reinforcement and matrix combinations in terms of both material behavior and manufacturability. Key criteria for selecting reinforcement materials include accessibility, low cost, and environmental sustainability. In this study, syntactic foams with an Al7075 matrix were produced using a pressure infiltration method. Three types of reinforcement systems were utilized: expanded clay, pumice, and a 50:50 hybrid combination of both. A total of 21 samples were produced, grouped into three sets of seven specimens. One sample from each group was used for microstructural analysis, while the remaining six were subjected to compressive testing. Of these, three from each group were further subjected to T6 heat treatment. Thus, experimental results were evaluated under six different conditions: three material groups and two heat treatment states. The primary objective was to reduce the density of Al7075 (2.81 g/cm³) by incorporating reinforcement materials, and to investigate the microstructural and mechanical properties of the resulting low-density syntactic foams. The produced sytactic foams achieved densities ranging between 1.47–1.85 g/cm³, corresponding to relative densities of 52–66% compared to the base metal, which aligns well with values reported in the literature. The calculated average density values with respect to reinforcement types shows reinforcement material effect on the density values. Clay reinforced syntactic foam metals had produced with average density of 1,76 g/cm³, pumice reinforced syntactic foam metals had produced with average density of 1,52 g/cm³, hybrid reinforced syntactic foam metals had produced with average density of 1,66 g/cm³. Due to pumice has got more porous and lighter structure then clay we have seen that density results. The manufacturing process involved a two-piece mold made of tool steel, a piston, a perforated disc with an air channel, and a compression ring. After evaluating different processing parameters, the most efficient production procedure was as follows: the mold, excluding the piston and compression ring, was assembled and filled with reinforcement particles. A solid aluminum piece cut from a cylindrical rod was placed on top, followed by a smaller amount of reinforcement material. The mold and piston were then heated in a furnace at 720°C for 30 minutes. After heating, the mold was quickly assembled with the compression ring, and the hot piston was inserted and pressed with a fixed load of 19.61 N. The mold was left to cool at room temperature for 20 minutes, after which the samples were removed, cleaned, and prepared for further production. All samples were machined to standard dimensions, and microstructural samples were polished for examination. Due to its heat treatability, Al7075 was selected as the matrix material. The T6 heat treatment involved solutionizing at 480°C for 3 hours, quenching, and artificial aging at 120°C for 12 hours. Microstructural analysis revealed uniform or near-uniform distribution of reinforcement particles. However, particle agglomerations in some regions led to local porosity or hindered aluminum infiltration. Incomplete filling was also observed in some areas. There were casting cavities due to air trapping while casting process happening. Also fusion of the reinforcement particles are observed with the effect of heat and pressure. Another effect of the heat and pressure was aluminum infiltration into the microspheres due to their nonregular and week structures on their outer surfaces. Additionally Oxidation-induced darkening of the sample was observed in areas of the mold exposed to air. This was particularly evident in the area where the upper mold opening would fit the piston. All of these microstructural defects possibly has got an effect on the mechanical behavior of this syntactic foam metals. Compressive test results showed maximum compressive strengths ranging from 45.68 to 94.73 MPa, plateau stresses from 17.67 to 85.75 MPa, and energy absorption values between 14.20 and 42.81 MJ/m³, which are consistent with the literature. Maximum compressive strength value for non heat treated sample achieved by clay reinforced sample as 75,01 MPa and for heat treated sample maximum compressive strength achieved by hybrid reinforced sample as 94,73 MPa. Maximum plateau strength for non heat treated sample achieved by pumice reinforced sample as 58,43 MPa and for heat treated sample maximum plateau strength achieved by pumice as 85,75 MPa. Maximum energy absoprtion value for non heat treated sample achieved by hybrid as 29,28 MJ/m³ and for heat treated sample maximum energy absorption value achieved by pumice reinforced sample as 42,81 MJ/m³. Sudden drops in stress observed in stress-strain curves were attributed to cracking and failure during compression. Samples exceeding the plateau region underwent densification and exhibited increased strength. Heat-treated samples showed, on average, 41% higher compressive strength, 63% higher plateau strength, and 55% greater energy absorption than untreated ones. Regarding reinforcement effects, pumice-reinforced foams had the lowest density, clay-reinforced ones the highest, and hybrid foams were in between. Despite their higher density, clay-reinforced foams exhibited the lower average mechanical test results of plateau stress and energy absorption. Pumice-based foams performed better than clay-based ones except the average maximum compression stress values, but the hybrid group displayed the highest average mechanical performance across all tests. The reinforcement selection has got significant importance on mechanical behavior of the syntactic foam metal and heat treatment also highly increases mechanical properties of syntactic metal foams as per our tests and observations demonstrates. As a result, this study not only provides experimental insight into the production process and parameters for pressure-infiltrated clay-pumice hybrid syntactic foams but also reveals their mechanical behavior, offering valuable guidance for future application areas.
Benzer Tezler
- Biyopolimer ile etkileştirilmiş kil/ponza tozu karışımlarının bazı geoteknik özelliklerininaraştırılması
Investigation of some geotechnical properties of clay / pumice powder mixed by biopolymer
GAMZE GENCER
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
İnşaat MühendisliğiAtatürk Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ZEYNEP NEŞE KURT ALBAYRAK
- Genleştirilmiş kil takviyeli Al 7075 matrisli sintaktik köpük metalin basınçlı döküm yöntemiyle üretimi, fiziksel ve mekanik özelliklerinin incelenmesi
Production of expanded clay reinforced Al 7075 matrix syntactic foam by die casting method and investigation of physical and mechanical properties
İSMAİL CEM AKGÜN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ GÖKŞENLİ
- Ponza katkılı tuğla üretimi ve bu tuğlaların mekanik ve boşluk özelliklerinin incelenmesi
The Production of bricks with pumice additive and the investigation of the mechanical and pore properties of these bricks
AYŞE GÜL GÜZEL
- Hafif agregalı betonun boşluk yapısının mekanik ve fiziksel özelliklere etkisi
The effect of pore structure on mechanical and physical properties of lightweight aggregate concrete
NİHAT KABAY
Doktora
Türkçe
2009
İnşaat MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FEVZİYE AKÖZ
- Farklı kök ortamlarında soğuk plastik serada yetiştirilen yaprak salatada, gelişme ve verimin karşılaştırılması
Comparison of growth and yield in leaf lettuce cultivated in different root media in a cold plastic greenhouse
FUNDA AYYILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
ZiraatTekirdağ Namık Kemal ÜniversitesiBahçe Bitkileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERVET VARIŞ