Farklı karbür fazı içeren partikül takviyeli al matrisli kompozitlerin toz metalurjisi yöntemiyle üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of various carbide particulate reinforced aluminium matrix composites produced by powder metallurgy method
Yazar: RİFAT ONUR ÜLKÜSEVEN
Danışman: PROF. DR. BURAK ÖZKAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Alüminyum (Al) matrisli kompozitlere gelişen teknoloji ile beraber ilgi de artmıştır. Özellikle havacılık ve karayolu taşıtlarında kullanılan parçalarda önemli role sahiptirler. Al esaslı matrise genelde karbür, nitrür, oksit gibi takviye elemanlar eklenerek kompozit malzemenin sertliği, dayanımı arttırılır ve yüksek sıcaklıklarda da bu performansı koruması sağlanır. 
Al esaslı matrislere genelde partikül ya da fiber olarak çeşitli şekillerde takviye faz eklenebilmektedir. Fiberler partiküllere kıyasla daha zor üretim proseslerinden geçtiği ve daha yüksek maliyetli olduğu için endüstriyel olarak partikül esaslı kompozitlerin kullanımı daha yaygındır. Partiküllerin matris içinde dağılması, malzemenin dayanımını arttırmakla beraber süneklik ve tokluk özelliklerinde düşüşlere neden olabilmektedir. Bu özellikleri belirleyen parametreler ise takiye partikülünün boyutu, miktarı, sertliği ve ergime noktasıdır.
Literatürde alüminyum matrisli kompozitlerin üretiminde en çok karşılaşılan iki yöntem döküm ve toz metalurjisi yöntemleridir. Bu yöntemlerden hangisinin kullanılacağını belirleyen önemli bir etken ise takviye partiküllerinin yoğunluğudur. Şöyle ki, matris malzemesi ve takviye malzemesinin yoğunluğu arasında büyük fark var ise bu durumda takviye fazı matris içine homojen olarak dağıtmak döküm yöntemiyle mümkün olmayacaktır. Bu da yapıda her yerde aynı özelliklerin görülmemesine, aglomerasyonlara sebep olacaktır. Bir katı hal üretim yöntemi olan toz metalurjisi ile bu partiküllerin yapıda homojen dağılması daha olasıdır ve takviye miktarı istenildiği gibi ayarlanabilmektedir. 
Toz metalurjisi yöntemi tozların elde edilmesi, harmanlanması/öğütülmesi, preslenmesi ve sinterlenmesi gibi basamaklardan oluşmaktadır. Burada toz metalurjisi yöntemi içinde olan mekanik alaşımlama prosesine de yer verilmelidir. Öğütme prosesi ile yapılan mekanik alaşımlamada tozlar daha küçük partikül boyutuna sahip olmakta ve yüksek enerjili bir proses olan bu işlemde deformasyon sertleşmesi ile malzemenin sertliği de artmaktadır. Bu yöntem sayesinde daha homojen dağılım sağlanabilir.
Bu tez çalışmasının ana amacı, alüminyum matrisli kompozitleri çeşitli takviyelerle üreterek, üretilen numunelerin toz metalurjisi için çok önemli olan preslenebilirlik kabiliyetleri, sinterlenme sonrası karakterizasyonu ve mekanik özellikleri bakımından kıyaslamak, hali hazırda kullanılan malzemeler yerine alternatif malzemeler geliştirmeye çalışmaktır. Tez konusu kapsamında, toz metalurjisi yöntemiyle üretilen parçacık takviyeli kompozitlerde matris malzemesi olarak saf alüminyum, takviye partikül malzemeleri olarak ise silisyum karbür (SiC), molibden karbür (Mo2C) ve tantal karbür (TaC) tozları kullanılmıştır. Tozlar ticari yollardan elde edilmiş, deneysel çalışmalarda farklı rotalar kullanılmış, bu farklı rotalarda değişken olarak farklı takviye karbür içerikleri (SiC, Mo2C, TaC), farklı takviye miktarları(ağ. %5-10-15 ve hac. %10)  , yağlayıcı varlığı (ağ.%0,5 çinko stearat) , farklı mekanik alaşımlama süreleri (15dk, 30 dk, 1saat ve 2 saat) ve enerjileri, son olarak ise farklı öğütücü kap ve bilyaların (tungsten karbür veya çelik) preslenebilirliğe etkileri incelenmiştir. Mekanik alaşımlama işleminden önce ve sonra tozlara partikül boyut dağılımı, XRD faz analizi yapılmış ve SEM görüntülerine bakılarak boyut ve şekil anlamında özellikleri tayin edilmiştir. Presleme işlemi için tek eksenli hassas hidrolik el presi model pres kullanılmıştır. Daha sonra preslenmiş numuneler 600°C'de 2 saat boyunca tüp fırın içerisinde argon atmosferi altında sinterlenmiştir. Bu değişen  parametrelerin tozların preslenebilirlik davranışlarına nasıl etki ettiği, yoğunlaşabilme parametreleri ve sertliğe etkileri incelenmiştir. Her deney numunesinin preslenebilirlik profilleri ve sertlik değerleri belirlenmiş, yoğunluk ve sertlik değerleri göz önünde bulundurularak seçilen numunelere aşınma testleri uygulanmıştır.
Deneysel çalışmalar sonucunda toz metalurjisi yöntemi ile seramik partikül takviyeli metal matrisli kompozitler başarıyla üretilebilmiştir. XRD çalışmaları sonucunda, yüksek enerji ile 2 saat öğütülmüş Al-hac.%10SiC numunesi hariç, toz veya bulk numunelerde takviye faz ile matris arasında ara bileşiklerin oluşmadığı  veya öğütme ortamından dolayı kirlilik görülmediği gözlemlenmiştir.
Preslenebilirliğin artan SiC miktarı ile arttığı, artan Mo2C miktarı ile azaldığı, TaC söz konusu olduğunda ise en iyi göreceli yoğunluk değerinin ağırlıkça %10 oranında katıldığında elde edildiği görülmüştür. Farklı karbürlerin farklı miktarlarından değişik preslenebilirlik eğrileri elde ediliyor ve genel olarak SiC ve TaC takviyeli malzemeler saf alüminyuma yakın değerler gösterirken, Mo2C takviyeli numunelerin daha düşük preslenebilirlik gösterdiği, çinko stearatlı numunelerin preslenebilirliğinin daha iyi olduğu görülmüştür. Mekanik alaşımlama çalışmaları sonucunda ise düşük enerji ile 2 saate kadar yapılan öğütmenin preslenebilirlikte harmanlanmış karışım ile arasında pek bir fark olmadığı, yüksek enerji ile öğütülen tozların preslenebilirliklerinin, öğütülmemiş veya düşük enerji ile öğütülmüş tozlara oranla daha az olduğu saptanmıştır. Harmanlanmış ve mekanik alaşımlanmış numunelerde sinter sonrası yoğunluklar %88 ile %99 arasında değişim göstermektedir. 
Mikro sertlik ölçümü sonucunda 3.62 GPa ile en yüksek sertlik değerine sahip olan Al-hac.%10TaC kompozisyonuna sahip numunedir ve diğerleriyle arasında büyük bir fark gözlemlenmiştir. Sertlik ölçümleri sonucunda 2 saat öğütülmüş 4 numuneye aşınma testi yapılmasına karar verilmiştir. Bu numuneler; 2 saat boyunca düşük enerji ile öğütülmüş Al-hac.%10SiC, yüksek enerji ile öğütülmüş Al-hac.%10SiC, Al-hac.%10Mo2C ve Al-hac.%10TaC içeriğine sahiptir. 
Farklı türlerde takviye faz içeren (SiC,Mo2C,TaC) ve farklı sürelerde öğütülmüş kompozit numunelerin aşınma testleri sonucunda kaybolan hacim miktarları hesaplanmıştır. Sonuçlar incelendiğinde takviye karbür türüne bağlı olarak aşınma miktarının değiştiği, Mo2C ve TaC içeren numunelerin aşınma miktarının SiC içeren numunelere nazaran çok daha az olduğu görülmektedir. Artan öğütme enerjisi ile de sinterlenmiş kompozit numunelerin aşınma direncinin arttığı görülmektedir. Toz metalurjisi ile takviye karbürlerin mikroyapıda homojen dağılımı sağlanmış, hedeflenen yoğunluklara yaklaşılmış ayrıca karışım haldeki tozdan hazırlananlara kıyasla mekanik özelliklerde iyileşme gözlemlenmiştir.

Abstract:
Aluminum (Al) matrix composites are preferred engineering materials with the developing technology in recent years. They were especially used aviation, automotive and many industries due to their superior mechanical and physical properties. Al based MMC products were used for many application areas due to its light weight. Because, weight reduction of the composites reduce the fuel consumption, so it is important for fuel economy. 
Al and its alloys are usually reinforced carbides, nitrides, borides and oxides to improve the hardness, strength, wear resistance, corrosion resistance and high temperature performance of the composite materials. These reinforcement materials are added as fiber whisker and particulate forms. Particulate reinforcements were commonly used for industrial applications compared to fibers. Because, fiber production is difficult and expensive process. Additionally, particulate reinforcements can be homogeneously dispersed into the matrix metals. Particulate reinforcements increase the strength of the matrix material, but they decrease ductility and toughness. Particle size, quantity, hardness and melting point of the reinforcement materials effect these properties.
Al based MMCSs were produced with solid state and liquid state production processes. Generally, casting and powder metallurgy are two most commonly encountered methods in the production of aluminum matrix composites. An important factor determining which of these methods is used is the density of the reinforcing particulate material. If there is a large difference between density of the matrix material and density of the reinforcing material, it will not be possible to disperse the reinforcing phase homogeneously into the matrix by casting. This will lead to agglomeration of the same properties in the structure. Powder metallurgy, a solid state production method, is more likely to be homogeneously distributed and the amount of reinforcement can be adjusted as desired.
Powder metallurgy method consists of steps; obtaining, blending / grinding, pressing and sintering of powders. Here it is good to open a separate parenthesis to the mechanical alloying process in powder metallurgy. In the mechanical alloying by grinding process, the powders have a smaller particle size and the hardness of the material increases with deformation hardening in this process which is a high energy process. A more homogenous distribution can be achieved by this method.
The main purpose of this thesis study is to produce aluminum matrix composites with various reinforcements and to compare the compressibility capabilities of studied powders then effect of compressibility of sintering with respect to sintering characterization and mechanical properties, which are very important for powder metallurgy, and to try to develop alternative materials instead of the materials used. In the thesis subject, in the particle reinforced composites produced by powder metallurgy, pure aluminum is used as matrix material, silicon carbide (SiC), molybdenum carbide (Mo2C) and tantalum carbide (TaC) powders are used as reinforcing particulate materials. Powders were obtained commercially, different routes were used in experimental studies, varying carbide contents (SiC, Mo2C, TaC), varying amounts of reinforcement (wt. 5-10-15% and vol. 10%), lubricant presence(wt.0.5% zinc stearate) as variable in these different routes. The effects of different mechanical alloying times (15 min, 30 min, 1 hr and 2 hr) and energies  on the compressibility and effects of different grinding chambers and balls (tungsten carbide or steel) were investigated.
The effects of these changing parameters on the compressibility behaviors of powders, their effects on condensability parameters and hardness were investigated. The compressibility profiles and hardness values of each test sample were determined, and the samples were subjected to abrasion tests by taking into consideration the density and hardness values.
In the first step, Al and carbide powder mixtures are blended for 30 min in Turbula dry mixer. Another set of Al-vol.10%SiC samples is mechanically alloyed for 15 min, 30 min, 1 hour and 2 hours, Al-vol.10%Mo2C and Al-vol.10%TaC mixtures are mechanically alloyed for 2 hours in a high energy ball milling environment. Powders are poured into the milling chambers in the Glove Box under Argon atmosphere and also the chambers are opened in here after milling process. Before and after mechanical alloying, laser particle size distribution, XRD phase analyses were performed to the powders and their properties were determined in terms of size and shape by looking at SEM images. Following the milling process, these characterization steps of the as-blended Al-SiC, Al-Mo2C, Al-TaC and as-milled Al-SiC, Al-Mo2C, Al-TaC powders are conducted. Phase analyses showed that there was no chemical reaction between the particles during mechanical alloying. Particle sizes of the milled powders were supported and particle shapes were observed with scanning electron microscope analysis. 
After the characterization investigations of powders, milled and unmilled composite powders are compacted in MSE uniaxial hydraulic model press machine with 390 MPa. At the debinding part of process; stearic acid removed out of the green bodies under Argon atmosphere at 420 °C with a 3°C/minute heating rate and 1 hour holding time. The pressed samples were then sintered in an argon atmosphere in a tube furnace for 2 hours at 600 °C. Microstructures of the Al-SiC, Al-Mo2C and Al-TaC based MMC's are characterized via optical microscope (OM) and scanning electron microscope (SEM).
As a result of experimental studies, ceramic particle reinforced metal matrix composites were successfully produced by powder metallurgy method. As a result of XRD studies, it was observed that no intermediate compounds were formed between the impregnated phase and the matrix in the powder or bulk samples, or no contamination due to the grinding medium, except for the high-energy milled for 2 hours Al-vol.10% SiC sample.
It would appear that the compressibility increases with increasing amount of SiC, decreases with increasing amount of Mo2C, and when the TaC is the best relative density value is obtained by adding 10% by weight. We understand that different compressibility curves are obtained from different amounts of different carbides and SiC and TaC reinforced materials generally demonstrate values close to pure aluminum, while Mo2C reinforced samples demonstrate lower compressibility, and the compressibility of zinc stearate samples is better. As a result of mechanical alloying studies, it was found that the milling done with low energy up to 2 hours did not have much difference between the pressurized blend and the compressibility of high-energy milled powders was less than that of milled or low-energy milled powders. Sintered densities in blended and mechanically alloyed samples vary between 88% and 99%.
The final step of the experiments was mechanical tests including microhardness and
abrasion tests. Microhardness and abrasion tests showed that, increasing mechanical alloying time and reinforcement amount makes affirmative effects on the mechanical properties of the sintered materials. Microhardness values of the metal matrix composites achieved to two times higher un-milled sintered samples.
Microhardness measurement, with the highest value of 3.62 GPa, is the sample with Al-vol.10%TaC composition and a significant difference has been observed with the others. As a result of the hardness measurements, it was decided to carry out the abrasion test on 4 samples that milled for 2 hours. These samples; low energy milled Al-vol.10%SiC, high energy milled 10%SiC, high energy milled Al-vol.10%Mo2C and high energy milled Al-vol.10%TaC samples.
According to the abrasion test of different types of reinforcement phase (SiC, Mo2C, TaC) and grinding samples of different energies, the amount of wear depending on the type of reinforcement carbide varies when the decreasing volume amounts are examined, the amount of wear of Mo2C and TaC samples are much less than the wear rate of SiC containing samples. As it is seen that from the results, the wear resistance of the sintered composite samples increased with the increasing milling energy.
Finally it can be concluded that, the homogenous distribution of the carbides in the microstructure with powder metallurgy was achieved via increasing MA time. Densities and also the development of mechanical properties were reached.