Al-ZrO2-grafen ve Al-SiO2-grafen hibrit kompozitlerin mekanik, tribolojik özelliklerinin ve mikroyapısının incelenmesi
Investigation of the mechanical, tribological properties and microstructure of Al-ZrO2-graphene and Al-SiO2-graphene hybrid composites
Yazar: MUZAFFER ÜSTÜN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MAHMUT CAN ŞENEL
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Alüminyum = Aluminum ; Grafen = Graphene ; Metal matrisli kompozitler = Metal matrix composites ; Toz metalurjisi = Powder metallurgy

Özet:
Bu çalışmada, Al-SiO2, Al-ZrO2, Al-SiO2-grafen ve Al-ZrO2-grafen kompozitler toz metalürjisi yöntemiyle üretilmiştir. Alüminyum matris içerisine SiO2 (ağırlıkça %1, 3, 6, 9), ZrO2 (ağırlıkça %1, 3, 6, 9, 12) ve grafen (ağırlıkça %0,15, 0,30, 0,45) katkısının kompozitlerin mekanik (yoğunluk, gözeneklilik oranı sertlik, basma dayanımı), tribolojik (kütle kaybı aşınma oranı, sürtünme katsayısı) özelliklerine ve mikroyapısına olan etkileri incelenmiştir.
Al-SiO2 kompozit numunelere uygulanan mekanik ve tribolojik test sonuçlarına göre; en iyi mekanik özellikler ile minimum aşınmanın Al-%6SiO2 kompozit yapıda elde edildiği belirlenmiştir. Grafen katkısının etkisini belirlemek amacıyla Al-%6SiO2 yapıya ağırlıkça %0,15, 0,30 ve 0,45 oranlarında grafen eklenerek Al-%6SiO2-grafen hibrit kompozitler üretilmiştir. Üretilen kompozitlere uygulanan testler neticesinde; en yüksek deneysel yoğunluk (2,66 g/cm3), Vickers sertliği (61,8±1,5 HV), basma dayanımı (390,4 MPa) ile en düşük aşınma oranı (2,9×10-3 mm3/(Nm)), kütle kaybı (10 mg) ve sürtünme katsayısı (0,21) Al-%6SiO2-%0,15grafen kompozit yapıda elde edilmiştir. Artan grafen katkı oranıyla mekanik ve tribolojik özelliklerin kötüleştiği belirlenmiştir. Bu durum, taramalı elektron mikroskobuyla gerçekleştirilen kırık yüzey mikroyapı incelemeleriyle de doğrulanmıştır. 
Al-ZrO2 kompozit numunelere uygulanan mekanik ve tribolojik testler neticesinde; maksimum deneysel yoğunluk, Vickers sertliği, basma dayanımı ile en düşük aşınma oranı, kütle kaybı ve sürtünme katsayısı Al-%9ZrO2 kompozitte elde edilmiştir. Al-%9ZrO2 yapı içerisine ağırlıkça %0,15, 0,30, 0,45 katkı oranlarında grafen eklenerek Al-%9ZrO2-grafen hibrit kompozitler üretilmiştir. Üretilen kompozitlere uygulanan testler neticesinde; en iyi mekanik özellikler (yoğunluk: 2,86 g/cm3, sertlik: 75±2 HV, basma dayanımı: 490 MPa) ve tribolojik özellikler (kütle kaybı: 11 mg, aşınma oranı: 3,1x 10-3 mm3/(Nm), sürtünme katsayısı: 0,15) Al-%9ZrO2-%0,15grafen kompozit yapıda elde edilmiştir. Kompozit yapı içerisinde artan grafen takviyesiyle grafenin topaklanma eğilimine girdiği ve bu durumun da mekanik özellikleri olumsuz yönde etkilediği tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler: Alüminyum, Grafen, ZrO2, SiO2, Toz Metalürjisi, Metal Matrisli Kompozit

Abstract:
In this study, Al-SiO2, Al-ZrO2, Al-SiO2-graphene and Al-ZrO2-graphene composites were produced by the powder metallurgy method. The effect of SiO2 (1, 3, 6, 9 wt. %), ZrO2 (1, 3, 6, 9, 12 wt. %) and graphene addition (0.15, 0.30, 0.45wt. %) to the aluminum matrix on the mechanical (density, porosity rate, hardness, compressive strength), tribological properties (mass loss, wear rate, friction coefficient) and microstructure of the composites were investigated.
According to the mechanical and tribological test results of Al-SiO2 composites, it was determined that the best mechanical properties and minimum wear were obtained in Al-6%SiO2 composite structure. In order to determine the effect of graphene addition, Al-6%SiO2-Graphene composites fabricatedwith various graphene contents (0.15, 0.30, 0.45wt. %). As a results of the performed tests, the highest experimental density (2.66 g/cm3), Vickers hardness (61.8±1.5 HV), compressive strength (390.4 MPa) and lowest wear rate (2.9×10-3 mm3/(Nm)), mass loss (10 mg) and friction coefficient (0.21) were obtained in Al-6SiO2-0,15% graphene composite structure. It was determined that the mechanical and tribological properties deteriorated with increasing graphene reinforcemenet ratio. It was also confirmed by the fractured surface microstructure investigations via scanning electron microscopy.
As a result of the mechanical and tribological tests applied to Al-ZrO2 composites, maximum experimental density, Vickers hardness, compressive strength and lowest wear rate, mass loss and friction coefficient were obtained in Al-9%ZrO2 composite. Al-9%ZrO2-graphene hybrid composites were produced with graphene addition (0.15, 0.30, 0.45wt. %) into the Al-9%ZrO2 structure. As a result of the tests, the best mechanical properties (density: 2.86 g/cm3, hardness: 75±2 HV, compressive strength: 490 MPa) and tribological properties (mass loss: 11 mg, wear rate: 3.1x 10-3 mm3/(Nm)), friction coefficient: 0.15) was obtained at Al-9%ZrO2-0.15% graphene composite structure. It has been determined that the graphene have agglomeration tendency with increasing graphene content in the composite structure, which adversely affects the mechanical properties.

Key words: Aluminum, Graphene, SiO2, ZrO2, Powder Metallurgy, Metal Matrix Composite