Al7075-Al2O3-Grafen ve Al7075-ZrO2-Grafen hibrit kompozitlerin mekanik, tribolojik özelliklerinin ve mikroyapısının incelenmesi
Investigation of mechanical, tribological properties and microstructure of Al7075-Al2O3-graphene and Al7075-ZrO2-Graphene hybrid composites
Yazar: ELİF IŞIK
Danışman: DOÇ. DR. MAHMUT CAN ŞENEL
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, alüminyum matrise alümina (Al2O3), zirkonya (ZrO2) ve grafen nanotabaka takviyesinin kompozitlerin mikroyapılarına, mekanik (yoğunluk, gözeneklilik oranı, sertlik, basma dayanımı) ve tribolojik özelliklerine (kütle kaybı, aşınma oranı, sürtünme katsayısı) olan etkisi incelenmiştir. Toz metalürjisi ve indüksiyonla sıcak işlem yöntemleri kullanılarak, Al7075-ZrO2, Al7075-ZrO2-Grafen, Al7075-Al2O3 ve Al7075-Al2O3-Grafen kompozitlerin üretimi gerçekleştirilmiştir. Çalışma kapsamında takviye oranının ve ısıl işlem türünün (sinterleme, indüksiyonla ısıl işlem) kompozitlerin mikroyapılarına, mekanik ve tribolojik özelliklerine olan etkileri detaylı bir şekilde araştırılmıştır. 
Mekanik ve tribolojik testler sonucunda; Al7075-ZrO2 kompozitler içerisinde en yüksek deneysel yoğunluk (2,72 g/cm3), sertlik (157±4 HV), basma dayanımı (443±7 MPa) ve en düşük aşınma oranı (1,1x10-4 mm3/Nm) değerlerine sinterlenmiş ve indüksiyonla ısıl işlem görmüş Al7075-%6ZrO2 kompozitte erişilmiştir. Al7075-Al2O3 kompozitlerde ise en yüksek mekanik ve tribolojik özelliklere (deneysel yoğunluk, sertlik, basma dayanımı, aşınma oranı) Al7075-%12Al2O3 (2,7 g/cm3, 170±2 HV, 471±6 MPa, 0,9x10-4 mm3/Nm) kompozitte ulaşılmıştır. Ardından Al7075-ZrO2 ve Al7075-Al2O3 kompozitler içerisinde en  üstün özellikler sergileyen takviye oranları (ağırlıkça %6 ve 12) sabit tutularak yapıya grafen takviyesi yapılmış ve alüminyum hibrit kompozit üretimi gerçekleştirilmiştir. Grafen takviyesi yapılmış hibrit kompozitlerde ise en yüksek mekanik ve tribolojik özelliklere (deneysel yoğunluk, gözeneklilik oranı, sertlik, basma dayanımı ve aşınma oranı) sinterlenmiş ve indüksiyonla ısıl işlem görmüş Al7075-%6ZrO2-%0,1Grafen (2,74 g/cm3, %6,7, 169±2 HV, 478±4 MPa, 1x10-4 mm3/Nm) ve Al7075-%12Al2O3-%0,1Grafen (2,72 g/cm3, %7,5, 178±1 HV, 486±4 MPa, 0,7x10-4 mm3/Nm) kompozitlerde erişilmiştir. Ağırlıkça %0,1 takviye oranından sonra nano boyuta sahip olan grafen partikülleri elektrostatik çekim kuvvetleri sebebiyle topaklanma eğilimi gösterdiğinden malzeme özelliklerinde düşüş gözlenmiştir. Ayrıca sinterleme sonrası yapılan indüksiyonla ısıl işlem ile mekanik ve tribolojik özelliklerde ciddi artışlar elde edilmiş olup bu işlemin etkili bir yöntem olduğu kanıtlanmıştır.


Anahtar Sözcükler: Toz Metalürjisi, Al7075, Alümina, Zirkonya, Grafen

Abstract:
In this study, the effect of alumina (Al2O3), zirconia (ZrO2), and graphene reinforcements on the microstructure, mechanical (density, porosity, hardness, compressive strength), and tribological properties (mass loss, wear rate, friction coefficient) of composites were investigated. Al7075-ZrO2, Al7075-ZrO2-Graphene, Al7075-Al2O3 and Al7075-Al2O3-Graphene composites were fabricated by powder metallurgy and induction heat treatment methods. Also, the effects of reinforcement ratio and heat treatment type (sintering, induction heat treatment) on the microstructure, mechanical and tribological properties of the composites were examined in detail.
As a result of mechanical and tribological tests; the highest apparent density (2,72 g/cm3), hardness (157±4 HV), compressive strength (443±7 MPa), and the lowest wear rate (1,1x10-4 mm3/Nm) values of Al7075-ZrO2 composites were achieved in sintered and induction heat treated Al7075-6%ZrO2 composites. In Al7075-Al2O3 composites, the highest mechanical and tribological properties (apparent density, hardness, compressive strength, wear rate) were achieved in Al7075-12%Al2O3 (2,7 g/cm3, 170±2 HV, 471±6 MPa, 0,9x10-4 mm3/Nm) composites. Then, Al7075-ZrO2 and Al7075-Al2O3 hybrid composites were produced by reinforcing the structure with graphene while keeping the reinforcement ratios (6 and 12 wt%) constant, which gave the highest properties. Graphene-reinforced hybrid composites have the highest mechanical and tribological properties (apparent density, porosity, hardness, compressive strength, and wear rate) were achieved in sintered and induction heat-treated Al7075-6%ZrO2-0,1%Graphene (2,74 g/cm3, 6,7%, 169±2 HV, 478±4 MPa, 1x10-4 mm3/Nm) and Al7075-12%Al2O3-0.1%Graphene (2,72 g/cm3, 7,5%, 178±1 HV, 486±4 MPa, 0,7x10-4 mm3/Nm) composites. After the 0,1 wt% reinforcement ratio, graphene particles with nano-size show a tendency to agglomerate due to electrostatic attraction forces, and a decrease in material properties is observed. In addition, significant increases in the mechanical and tribological properties have been obtained with induction heat treatment after sintering and this process has proven effective.


Keywords: Powder Metallurgy, Al7075, Alumina, Zirconia, Graphene