Sedimantasyon yöntemi ile fonksiyonel derecelendirilmiş TiB2/Al-Cu-Si kompozitlerin üretilebilirliğinin araştırılması
Investigation of the productibility of functionally graded TiB2/Al-Cu-Si composites by sedimentation method
Yazar: UĞUR ALİ AKYOL
Danışman: PROF. DR. ÖMER SAVAŞ ; DOÇ. DR. ENGİN KOCAMAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Alüminyum alaşımları, düşük yoğunlukları ve yüksek spesifik mukavemetleri nedeniyle otomotiv, uçak ve denizcilik endüstrilerinde oldukça popüler malzemelerdir. Öte yandan alüminyum ve alaşımlarının aşınma özelliklerinin zayıf olması, aşınmaya maruz kalan parçaların üretiminin bu malzemelerin kullanımı sınırlamaktadır. Bu malzemelerin aşınma direncini artırmada kullanılan en önemli yöntemlerden biri de kompozit malzeme yaklaşımıdır. Artan takviye oranı ile birlikte kompozit malzemelerde kırılma tokluğu düşmektedir. Bu problem kompozitlerin fonksiyonel olarak derecelendirilmesi ile giderilmektedir. Bu çalışmada sedimentasyon yöntemi ile fonksiyonel derecelendirilmiş alüminyum esaslı titanyum dibörür takviyeli (TiB2/Al-Si-Cu) kompozitlerin üretimi hedeflenmiştir. Matris malzemesi olarak endüstride yaygın olarak kullanılan Etial 110 alaşımı tercih edilmiştir. Çalışmada takviye fazı olarak kullanılan TiB2 partikülleri ergiyik Etial 110 alaşımı içerisinde in-situ tekniği ile oluşturulmuştur. Bu sayede kompozit üretiminde önemli bir problem olan ıslatılabilirdik problemi aşılmış ve daha homojen bir yapı elde edilmiştir. Kompozit üretimine yönelik olarak yaklaşık 1200°C'de Al-Cu-Si-Ti-B çözeltisi hazırlanmış, ardından 850°C'ye indirilerek sıvı Al-Si-Cu (Etial 110) eriği içerinde TiB2 partiküllerinin sentezlenmesi sağlanmıştır. Çözelti sonrasında 850°C'de 2 saat bekletildikten sonra katılaştırılmıştır. Bu sayede sıvı çözelti içerisindeki katı TiB2 partikülleri kalıp dibine doğru çökeltilerek kompozitlerin fonksiyonel olarak derecelendirilmesi sağlanmıştır. Isıl işlem şartlarının kompozitlerin üzerime etkilerini ortaya koymak maksadıyla üretilen kompozitler doğal yaşlandırma (T4), yapay yaşlandırılma (T6) ve aşırı yaşlandırma (T7) ısıl işlemleri uygulanmıştır. Çalışmada üretilen kompozitlerin karakterizasyonu OM (optik mikroskop), SEM (taramalı elektron mikroskobu), XRD (X-ışınları difraksiyonu) teknikleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ayrıca kompozitlerin yoğunluk ve sertlik ölçümleri de yapılmıştır. Çalışma sonunda elde edilen bulgulara göre üretilen kompozit malzemelerin üç bölgeden oluştuğu gözlemlenmiş ve bu bölgelerin takviyeli (zengin) bölge, takviyeli geçiş bölgesi ve takviyesiz (fakir) bölge olarak farklı oranlarda TiB2 takviye fazı içerdiği tespit edilmiştir. Takviyeli bölgelerin sertlik değerlerinin takviyesiz bölgeye göre daha yüksek olduğu anlaşılmıştır. Çalışmada en düşük sertlik değeri doğal yaşlandırılmış (T4) TiB2 takviye fazı bakımında fakir olan bölgede yaklaşık 64 HB olarak ölçülmüştür. En yüksek sertlik değeri ise suni (T6) olarak yaşlandırılmış TiB2 'ce zengin bölgede 120 HB olarak ölçülmüştür. Çalışmada kompozit malzemeler 3 bölgeye ayrılarak tribolojik özellikleri incelenmiştir. Aşınma deneyleri sonucunda artan TiB2 takviye oranı ile birlikte Etial 110 alaşımlarının tribolojik özelliklerinin düştüğü tespit edilmiştir.

Abstract:
Aluminum alloys are highly popular materials in the automotive, aerospace, and maritime industries due to their low density and high specific strength. However, their poor wear properties restrict their use in components exposed to abrasion. One of the primary methods used to enhance the wear resistance of these materials is the composite material approach. Increasing the reinforcement ratio in composite materials typically results in decreased fracture toughness. This issue is addressed by functionally grading the composites. This study aims to produce functionally graded aluminum-based titanium diboride reinforced (TiB2/Al-Si-Cu) composites using the sedimentation method. The matrix material chosen for the study is the widely used Etial 110 alloy in the industry. In the study, TiB2 particles used as the reinforcement phase were created within the molten Etial 110 alloy using the insitu technique. This method overcame the wetting issue, a significant problem in composite production, and resulted in a more homogeneous structure. For composite production, an Al-Cu-Si-Ti-B solution was prepared at approximately 1200°C, followed by lowering the temperature to 850°C to synthesize TiB2 particles within the liquid Al-Si-Cu (Etial 110) melt. After holding the solution at 850°C for 2 hours, it was solidified. This allowed solid TiB2 particles within the liquid solution to precipitate towards the mold bottom, thereby achieving functional grading of the composites. In order to reveal the composites under extreme heat treatment conditions, the produced composites are subjected to natural aging (T4), artificial aging (T6) and extreme aging (T7) heat treatments. The characterization of the produced composites was conducted using OM (optical microscope), SEM (scanning electron microscope), and XRD (X-ray diffraction) techniques. Additionally, density and hardness measurements of the composites were performed. According to the findings, the produced composite materials were observed to consist of three zones: reinforced (rich) zone, reinforced transition zone, and unreinforced (lean) zone, containing TiB2 reinforcement phase in varying proportions. It was noted that the hardness values in the reinforced zones were higher compared to the unreinforced zone. The lowest hardness value measured in the study was approximately 64 HB in the TiB2 lean region after natural aging (T4). The highest hardness value, measured at 120 HB, was observed in the TiB2 rich region after artificial aging (T6). The tribological properties of the composite material were investigated by dividing it into three zones. As a result of wear tests, it has been determined that the tribological properties of Etial 110 alloys decrease with increasing TiB2 reinforcement ratio.