Eşit kanal açısal presleme (EKAP) yöntemi kullanılarak Al-Zn-Mg alaşımının mekanik ve yüzey özelliklerinin araştırılması
Investigation of the mechanical and surface properties of Al-Zn-Mg alloy using the equal channel angular pressing ECAP method
Yazar: TAHA ALPER YILMAZ
Danışman: PROF. DR. YAŞAR TOTİK ; PROF. DR. BÜLENT BOSTAN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Aşınma dayanımı = Wear resistance ; Karakterizasyon = Characterization ; Plastik deformasyon = Plastic deformation ; Presleme = Pressing ; Taguchi deneyleri = Taguchi experiments

Özet:
Amaç: Endüstride en çok kullanılan metaller arasında yer alan alüminyum ve alaşımları; hafif olmaları, yüksek ısıl ve elektrik iletkenlikleri, artırılabilen mekanik özelikleri ve korozyona karşı yüksek dirençleri nedeniyle havacılık, uzay ve otomotiv gibi sektörler için günümüzde önemli bir malzeme konumundadır.  Özellikle son yıllarda, yüksek enerji verimliliği, uzun ömür, yüksek emniyet ve üstün mukavemet özelliklerine sahip malzemelerin geliştirilmesine yönelik çalışmalar giderek artmaktadır. Bu çalışmada aşırı plastik deformasyon yöntemlerinden Eşit Kanal Presleme (EKAP) ve yüzey kaplama yöntemlerinden Plazma Elektrolitik Oksidasyon (PEO) yöntemi kullanılarak, uzay ve havacılık uygulamalarında kullanılan Al-Zn-Mg alaşımlarının mekanik ve yüzey özellikleri iyileştirilerek bu sektörlerde kullanımının artırılması amaçlanmıştır.  
Yöntem: Al-Zn-Mg alaşımlarının mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi için EKAP prosesinde kullanılan rota, paso ve sıcaklık parametreleri ve seviyeleri L9 (33) deney planı kullanılarak Taguchi deney tasarım yöntemine göre optimize edilmiş ve bu parametrelere göre EKAP işlemi gerçekleştirilmiştir. EKAP işlemi uygulanmış tüm numunelerin yapısal, mekanik ve tribolojik davranışları SEM/EDS, EBSD, TEM, XRD, 2D profilometre, mikrosertlik ve pin-on-disk sistemleri kullanılarak analiz edilmiştir. Taguchi deney tasarımına göre optimum özelliklere sahip EKAP işlemi uygulanmış numune tespit edilerek, belirlenen kaplama parametrelerine göre plazma elektrolitik oksidasyon (PEO) işlemi uygulanmıştır. PEO kaplama işlemi uygulanmış numunelerin yapısal ve mekanik özellikleri de SEM, XRD, 2D profilometre, nanosertlik ve pin-on-disk sistemleri kullanılarak analiz edilmiştir.
Bulgular: Deney tasarımında belirlenen parametrelere göre gerçekleştirilen EKAP işleminin Al-Zn-Mg alaşımının içyapı ve mekanik özellikleri üzerinde etkili olduğu, bu işlem ile tane boyutlarının azaldığı, sertlik ve aşınma davranışlarının arttığı gözlenmiştir. Ayrıca içyapı ve mekanik özellikler üzerinde EKAP parametrelerinin önemli etkiye sahip olduğu, azalan sıcaklık ve artan paso sayısı ile Al-Zn-Mg alaşımlarında tane boyutunun azaldığı, sertlik ve aşınma özelliklerinin arttığı belirlenmiştir. Yapılan EKAP işlemlerinde 185,1 HV ile en yüksek sertliğe ve 465 nm ile en düşük tane boyutuna, BC rotasında 100 °C sıcaklıkta 8 paso (B8) işlem görmüş numunede elde edilmiştir. EKAP işlemleri sonucunda en iyi özelliklerin elde edildiği B8 numunesine uygulanan PEO kaplama işlemi neticesinde yüzeyde büyütülen Al2O3 tabakasının, Al-Zn-Mg alaşımlarının yüzey özelliklerini geliştirdiği, sertlik ve aşınma davranışlarını önemli derecede iyileştirdiği gözlenmiştir. 
Sonuç: Aşırı plastik deformasyon yöntemlerinden biri olan EKAP işlemi ve PEO işleminin Al-Zn-Mg alaşımlarının içyapı, mekanik ve yüzey özelliklerini önemli derecede iyileştirdiği belirlenmiştir. EKAP işleminde rota, paso sayısı ve sıcaklığın etkili olduğu, en iyi rotanın BC, en etkin paso sayısının 8 ve en etkin sıcaklığın 100 °C olduğu belirlenmiştir. EKAP işlemi uygulanmış numune üzerinde PEO işlemi ile büyütülen Al2O3 tabakasının alaşımın yüzey özellikleri ve aşınma davranışını önemli derecede artırdığı tespit edilmiştir.

Abstract:
Purpose: Aluminum and its alloys, which are among the most used metals in the industry; it is an important material for sectors such as aviation, aerospace and automotive due to its lightness, high thermal and electrical conductivity, mechanical properties that can be increased and high resistance to corrosion. Especially in recent years, efforts to develop materials with high energy efficiency, long life, high safety and superior strength have been increasing. In this study, it is aimed to improve the mechanical and surface properties of Al-Zn-Mg alloys used in space and aerospace applications by using Equal Channel Angular Pressing (ECAP), one of the severe plastic deformation methods, and the Plasma Electrolytic Oxidation (PEO) method, which is one of the surface coating methods, to increase the use in these sectors.
Method: In order to improve the mechanical properties of Al-Zn-Mg alloys, the route, pass and temperature parameters and levels used in the EKAP process were optimized according to the Taguchi test design method using the L9 (33) experiment plan and ECAP process was carried out according to these parameters. Structural, mechanical and abrasion behaviors of all samples with ECAP process were analyzed using SEM/EDS, EBSD, TEM, XRD, 2D profilometer, microhardness and pin-on-disk systems. According to the Taguchi experiment design, the ECAP process applied sample with optimum properties was determined, and plasma electrolytic oxidation (PEO) process was applied according to the determined coating parameters. The structural and mechanical properties of the PEO coated samples were also analyzed using SEM, XRD, 2D profilometer, nanohardness and pin-on-disk systems.
Findings: It was observed that the ECAP process, which was performed according to the parameters determined in the experimental design, had an effect on the internal structure and mechanical properties of the Al-Zn-Mg alloy, with this process, the grain size decreased and the hardness and wear behavior increased. In addition, it has been determined that ECAP parameters have a significant effect on the internal structure and mechanical properties, with decreasing temperature and increasing number of passes, grain size decreases in Al-Zn-Mg alloys, and hardness and wear properties increase. In the ECAP processes, the highest hardness with 185,1 HV and the lowest particle size with 465 nm were obtained in 8 pass (B8) treated samples at 100 °C in the BC route. As a result of the PEO coating process applied to the B8 sample where the best properties were obtained as a result of ECAP processes, it was observed that the Al2O3 layer, which was enlarged on the surface, improved the surface properties of Al-Zn-Mg alloys and significantly improved their hardness and wear behavior.
Results: It was determined that ECAP process and PEO process, which is one of the severe plastic deformation methods, significantly improved the internal structure, mechanical and surface properties of Al-Zn-Mg alloys. It was determined that the route, number of passes and temperature were effective in the ECAP process, the best route was BC, the most effective number of passes was 8 and the most effective temperature was 100 °C. It was determined that the Al2O3 layer enlarged by PEO treatment on the ECAP treated sample significantly increased the surface properties and wear behavior of the alloy.