Karışım tasarımı yaklaşımı ile magnezyum esaslı nanokompozit malzeme üretilmesi ve malzeme özelliklerinin optimizasyonu
Manufacturing of magnesium nanocomposite material and optimization of the material properties by mixture design
Yazar: YAHYA KAYA
Danışman: PROF. DR. MEHMET BAKİ KARAMIŞ
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Yüksek dayanımlı ve hafif malzemelerin kara ve hava taşımacılığı ile ileri savunma sistemlerinde kullanım potansiyeli oldukça artmıştır. Enerji verimliliği, çevreye duyarlılık, yasal zorunluluklar, yüksek performans, çalışma ortamı gibi koşullar ve hızla yükselen yüksek kalite standartları nedeniyle, Dünyada bol miktarda mevcut olan, geri dönüşüm imkanı ve yüksek özgül dayanım özelliği gibi olumlu özellikleri nedeniyle magnezyum oldukça ilgi çeken bir metaldir. Bu olumlu özelliklerine rağmen yüksek sıcaklık ve korozyon koşullarından kolayca etkilenen özellikleri ise kullanım alanlarını kısıtlayan faktörler olmuştur. Magnezyumun olumsuz özelliklerinin takviye elemanı kullanılarak iyileştirilmesi ile elde edilecek metal matrisli kompozitler, günden güne artan hafif malzeme ihtiyacı için iyi bir alternatif olarak görülmektedir.
Bu çalışmada takviye malzemesi olarak, nano boyutta olmanın getirdiği avantajlar ve oldukça yüksek mekanik özellikleri nedeniyle karbon nanotüp ile magnezyumun yüksek sıcaklık ve korozyon dayanımını artıran nadir toprak elementlerinden seryum takviye elemanı olarak tercih edilmiştir. Yukarıda verilen amaçlara ulaşabilmek için bu araştırmada ortalama 266 µm boyutunda AZ41 magnezyum alaşımı talaşı matris malzemesi olarak kullanılmıştır. Bu matrise güçlendirmek maksadıyla takviye elemanı olarak 5-20 nm çaplı ve 1- 10 µm uzunluklu çok duvarlı karbon nanotüp ile < 44 µm  tane boyutuna sahip seryum kullanılmıştır. Magnezyum esaslı nanokompozit malzemelerin elde edilmesi için toz metalürjisi yöntemi kullanılmıştır. Takviye elemanlarının belirtilen özelliklere olan etkilerinin incelenmesi amacıyla karışım tasarımı yöntemi kullanılarak numune karışım oranları belirlenmiştir. Bu çalışma kapsamında geliştirilen nano malzemeleri homojen karıştırma yöntemi kullanılarak karışım tasarımına uygun olarak karıştırılan toz gruplarıyla elde edilen ham kompozitler (biletler) ekstrüze edilerek çubuk haline getirildikten sonra her bir teste uygun numuneler hazırlanarak nanokompozit malzemelerin mikroyapı, çekme dayanımı, uzama, sertlik, yoğunluk, gözeneklilik, darbe ve korozyon dayanımı gibi özellikleri incelenmiştir. İlgilenilen özellikler için tahmin modelleri geliştirilerek oluşturulan yüzey grafikleriyle özellik-takviye elemanı ilişkisi incelenerek değerlendirilmiştir. Yapılan değerlendirmeler sonucunda genel olarak karbon nanotüp takviyesinin tek başına kompozit malzemenin enerji sönümleme özelliğini önemli oranda arttırdığı, korozyon direncinin azalması konusunda önemli etkiye sahipken mekanik özelliklerin azalmasında daha az etkiye sahip olduğu belirlenmiştir. Bununla birlikte seryumun oda şartlarında ve yüksek sıcaklıklarda korozyon direncini artırdığı, enerji sönümleme özelliklerine önemli bir etkisi olmadığı, yüksek oranda (bu çalışmada kullanılan) katılmasının ise kompoziti sünekleştirdiği tespit edilmiştir. İkili ve üçlü kompozit numunelerinde takviye elemanlarının kombine etkileri incelendiğinde, gerilme-uzama, korozyon ve enerji sönümleme özelliklerinin KNT ve seryum takviyelerinin üst sınırlarında en kötü seviyeye düştüğü belirlenmiştir. Ancak özelliklerin teker teker veya hep birden iyileştiği optimum karışım oranları bu çalışmada kullanılan karışım tasarımı yöntemiyle tespit edilmiştir. Ayrıca takviye elemanlarının kompozit malzeme özelliklerine olan genel etkilerinin çoğunlukla doğrusal olmaması, tüm takviye oranları için kompozit malzeme üretip sonuçlarını değerlendirmenin süre ve maliyet bakımından mümkün olmaması nedeniyle malzeme geliştirme çalışmalarında karışım tasarımı yönteminin kullanılmasının uygun olduğu elde edilen sonuçlarla açık bir şekilde ortaya konmuştur.

Abstract:
The potential usage of high strength and lightweight materials for land and air transportation, advanced defence system is considerably increased. Because of energy efficiency, environmental awareness, legal requirements, high performance, working conditions and rapidly increasing quality standards, magnesium is very attractive material with the properties such as abundancy, recyclability and high strength-density ratio. Despite of these favourable properties, the unfavourable properties such as degradation under high temperatures and corrosive conditions are the factors which constraints its usage. Metal matrix composites obtained by improving magnesium with reinforcements are considered as a good alternative for day by day increasing need of lightweight materials.
In this study, carbon nanotube with advantage of being nano-sized material and high mechanical properties, and cerium one of the rare earth element which improves magnesium's high temperature and corrosion resistance are preferred to use as reinforcement. For attaining to the aims given above, in this study, AZ41 magnesium alloy with average particle size of 266 µm is used as matrix material. To reinforce the matrix material, multiwalled carbon nanotube with 5-10 nm outer diameter and 1-10 µm length, and < 44 µm particle sized cerium are used. Magnesium matrix nano composite materials are manufactured by powder metallurgy. To investigate the effects of the reinforcement materials' on properties, volume fraction of powders are determined by mixture design. Raw composites (billets) obtained through mixing the powder combinations according to the mixture design via a method for homogeneous mixing of nano materials developed during this study. After that, the billets are extruded for obtaining a rod, and suitable samples for each test are prepared from the rods to examine the properties of the nano composites such as microstructure, tensile strength, elongation, hardness, density, porosity, impact and corrosion resistance. Reinforcement-property relationships are examined by surface graphs which generated from the prediction models developed for the interested properties. As a result of evaluations, as sole reinforcement, it is determined that carbon nanotubes are significantly improves the energy absorption property of composite material, whereas it has significant effect on degradation of the corrosion resistance property while the effect on degradation of the mechanical properties is lower. However, it is determined that cerium improves the materials' corrosion resistance at both of room and high temperature conditions, and it has no effect on energy absorption property. On the other hand, it improves ductility of the composite with its high proportions (as used in this study). When the combined effects of reinforcements on the binary and ternary composite samples are considered, tensile-strain, corrosion and energy absorption properties are degraded to the worst level at high levels of both reinforcements. Nevertheless, optimum mixing proportions are determined by mixture design in case of the properties are improved individually and all together. Furthermore, it is clearly proved by the result of this study, mixture design method is suitable for material development studies. Because, the effects of the reinforcements on the properties of the composite is generally non-linear, and manufacturing of composites for combinations of all reinforcement is nearly impossible due to cost and time.