Alüminyum esaslı zirkonyum diborür takviyeli fonksiyonel derecelendirilmiş kompozitlerin üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of functional grading aluminum based zirconium diboride reinforced composites
Yazar: SERCAN TÜRE
Danışman: PROF. DR. ÖMER SAVAŞ
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
Dizin: Alüminyum matrisli kompozitler = Aluminum matrix composites

Özet:
Günümüz malzeme araştırmaların temel hedefi, teknolojik malzeme ihtiyaçlarının karşılanması için daha yüksek kalitede ve daha düşük maliyetli malzemelerin piyasaya sunulmasıdır. Özellikle endüstriyel uygulamalarda, yüksek mukavemet-ağırlık oranı ve düşük termal genleşme katsayısı gibi özellikleri ile zirkonyum diborür (ZrB2) takviyeli alüminyum esaslı kompozit gibi malzemeler büyük ilgi görmektedir. Bu çalışmada fonksiyonel derecelendirilmiş alüminyum esaslı ZrB2 takviyeli kompozitlerin sedimantasyon yöntemiyle üretilmesi ve aşınma özelliklerinin incelenmesi hedeflenmektedir. Sıvı matris içinde ZrB2 partikülleri oluşturmak için in-situ tekniği kullanılmıştır. Öncelikle, ZrB2 partiküllerinin sentezi için 1200°C'de Al-Zr-B çözeltisi pota içinde hazırlanmıştır. Daha sonra sıcaklık 800°C'ye düşürülerek, sıvı alüminyum içinde katı ZrB2 partikülleri in-situ tekniğiyle sentezlenmiştir. ZrB2 partiküllerinin fonksiyonel olarak derecelendirilmesi için çözelti bu sıcaklıkta 180 dakika fırında bekletilmiş ve sonrasında doğal soğumaya bırakılmıştır. Bu yöntemle, sıvı alüminyum içindeki katı ZrB2 partikülleri, yerçekimi kuvvetinin etkisiyle kalıbın tabanına doğru sedimente olmuştur. Üretilen kompozit malzemeden farklı ebatlarda numuneler kesilerek, malzemenin karakterizasyonu; optik mikroskop, spektrometre, X-ışınları difraksiyonu ve taramalı elektron mikroskobu kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, numunelerin yoğunlukları ölçülmüş, sertlik değerleri hesaplanmış, aşınma ve korozyon testleri gerçekleştirilmiştir. Üretilen numuneden boyuna alınan kesit incelendiğinde numunenin alt bölgesinde koyu bir bölge oluştuğu gözlenmiştir. Elde edilen bulgulara göre ZrB2'ce zengin kısmında partikül oranının ağırlıkça %10 olduğu, fakir bölgelerde ise partikül oranının ağırlıkça %0 olduğu tespit edilmiştir. ZrB2'ce zengin bölgenin yoğunluk değerinin 2,84 g/cm3 ve sertlik değerinin 50,13 HB olduğu, ZrB2'ce fakir bölgenin yoğunluk değerinin 2,60 g/cm3, sertlik değerinin 32,30 HB olduğu hesaplanmıştır. Aşınma testleri kuru kayma aşınma tekniği kullanılarak git-gel (reciprocating) modunda gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada, aşınma parametreleri olarak bölgesel değişim, uygulanan yük ve kayma hızı faktörleri dikkate alınmıştır. Yol faktörü tüm testlerde 200 m sabit tutulmuştur. Aşınma deneyleri sonucunda aşınma oranları ve sürtünme katsayıları elde edilmiştir. Korozyon testleri sonucunda malzemenin farklı takviye oranına sahip bölgelerdeki korozyon direnci elde edilmiştir.
Sonuç olarak alüminyum içerisinde artan ZrB2 takviye oranı ile malzemenin yoğunluk ve sertlik değerlerinin artığı, aşınma oranının azaldığı, korozyon direncinin düştüğü, malzemenin mekanik ve tribolojik özelliklerinin iyileştiği görülmüştür.

Abstract:
The main goal of today's materials research is to introduce higher quality and lower cost materials to the market to meet technological material needs. Particularly in industrial applications, materials such as zirconium diboride (ZrB2) reinforced aluminum-based composites attract great attention with their properties such as high strength-to-weight ratio and low thermal expansion coefficient. In this study, it is aimed to produce functionally graded aluminum based ZrB2 reinforced composites by sedimentation method and to examine their wear properties. The in-situ technique was used to form ZrB2 particles in the liquid matrix. First of all, Al-Zr-B solution was prepared in a crucible at 1200°C for the synthesis of ZrB2 particles. Then, the temperature was reduced to 800°C and solid ZrB2 particles in liquid aluminum were synthesized using the in-situ technique. To functionally grade ZrB2 particles, the solution was kept in the oven at this temperature for 180 minutes and then allowed to cool naturally. With this method, solid ZrB2 particles in liquid aluminum sedimented towards the bottom of the mold under the effect of gravity force. By cutting samples of different sizes from the produced composite, the characterization of the material was carried out using optical microscope, scanning electron microscope, X-ray diffraction and spectrometry. Additionally, the density of the samples was measured, hardness values were calculated, and wear and corrosion tests were performed. When the longitudinal section taken from the produced sample was examined, it was observed that a dark area formed in the lower region of the sample. According to the findings, it was determined that the particle ratio was 10% by weight in the ZrB2-rich part, and the particle ratio was 0% by weight in the poor regions. It was calculated that the density value of the ZrB2-rich region is 2.84 g/cm3 and the hardness value is 50.13 HB, while the density value of the ZrB2-poor region is 2.60 g/cm3 and the hardness value is 32.30 HB. Wear tests were carried out in reciprocating mode using the dry sliding wear technique. In this study, regional variation, applied load and sliding speed factors were taken into account as wear parameters. The road factor was kept constant at 200 m in all tests. As a result of wear experiments, wear rates and friction coefficients were obtained. As a result of the corrosion tests, the corrosion resistance of the material in areas with different reinforcement ratios was obtained.
As a result, it has been observed that with the increasing ZrB2 reinforcement ratio in aluminum, the density and hardness values of the material increase, the wear rate decreases, the corrosion resistance decreases and the mechanical and tribological properties of the material improve.