Vakum infiltrasyon yöntemiyle alüminyum matrisli hibrit kompozit üretimi
Aluminum matris hybrid composite production by vacuum infiltration method
Yazar: DİLARA BİRSEN
Danışman: PROF. DR. KEREM ALTUĞ GÜLER ; DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKHAN ÖZER
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Alüminyum matrisli kompozitler = Aluminum matrix composites ; Magnezyum silisit = Magnesium silicide ; Silisyum karbür = Silicon carbide ; İn situ = In situ

Özet:
Alüminyum matrisli hibrit kompozit malzemelerinin yaygın kullanılma sebebi yüksek özgül dayanımı ve aşınma direnci özelliklerine sahip olmasıdır. Bu çalışmada, hibrit kompozit üretimi için hem insitu hem de exsitu yöntemler kullanılmıştır. Başta insitu kompozit üretimini gerçekleştirmek ve ara yüzeyde ıslanabilirlik özelliğinin geliştirilmesi için, ergiyik malzemeye AM50 magnezyum alaşımı ilave edilmiştir. Bu yöntem ile insitu takviye malzemesi üretildiği gibi infiltrasyon da iyileştirilmektedir. Insitu yöntemde, AM50 alaşım ilavesi sonucu gerçekleşen reaksiyonlar yardımıyla ergimiş metalde takviye elemanı olan Mg2Si fazı oluşturulur. Exsitu yönteminde ergimiş metal, kalıba yerleştirilmiş SiC preformlara vakum desteği ile infiltre edilmektedir. Sonuç olarak, mikroyapıda alüminyum matris içinde SiC ve Mg2Si takviyeleri bulunmaktadır. Matris malzemesi olarak A356, A380 ve 413 alaşımları, seçilmiştir. Bu çalışmada %5-%10 ve %15 ağırlık oranlarına sahip AM50 magnezyum alaşımı, vakum infiltrasyon sürecinde hibrit kompozit üretmek için kullanılmış ve mekanik özelliklere etkileri araştırılmıştır. Diğer parametreler ise sabit tutularak üretim gerçekleştirilmiştir. Vakum infiltrasyon işlemi alçı bağlı dereceli hassas döküm kalıplarında yapılmıştır.
Üretilen her bir numunenin özelliklerin belirlenebilmesi için OM, SEM-EDS, aşınma test analizleri gerçekleştirilmiştir. Üretilen numunelerde infiltrasyon sorunu yaşanmamış SiC ve Mg2Si takviyeleri homojen bir şekilde yapı içerisinde dağılmıştır. Katılaşma sırasında
xiv
oluşan primer Mg2Si, ötektik Mg2Si, exsitu yöntemiyle ilave edilen SiC ve α-Al taneleri mikroyapıda görülmektedir. AM50 ağırlık oranı arttıkça primer Mg2Si tanesi büyümekte ve polihedron forma sahiptir. En büyük primer Mg2Si tanesi A356 matrisli %15 AM50 numunesinde görülmektedir. A356 alaşım yapısında magnezyum içeriği A380 ve 413 alaşımına göre yüksek olduğu için gözlemlenmiştir.
Yapı içerisine ilave edilen AM50 alaşımının ağırlık oranı arttıkça kompozit numunelerinde sertlik ve aşınma dayanımı belirgin bir yönde iyileşmemektedir. Yalnız A380 matrisli üretilen numunelerde AM50 ağırlık oranının artması ile sertlikte artış gözlemlenmektedir. A380 matrisli %15 ağırlık oranına sahip numunenin sertlik değeri 181 HB'dir. 413 matrisli %5 AM50 ağırlık oranına sahip numune 183,5 HB sertlik değerinde üretilmiştir.
A356 ve 413 matrisli numunelerde en iyi aşınma dayanımı gösteren numuneler %5 AM50 ağırlık oranına sahiptir. A356 matrisli %5 AM50 ağırlık oranına sahip numunenin aşınma oran değeri 0,031 (mm3/N.m) x103'tür, 413 matrisli %5 AM50 ağırlık oranına sahip numunede ise değer 0,059 (mm3/N.m) x103'tür.
Preform ve matris elemanı üzerindeki aşınma izleri incelendiğinde, takviye elemanın aşınma dayanımına olumlu yönde etkisi olduğu gözlemlenmiştir. Aşınma izi incelmiştir.

Abstract:
The reason for the widespread use of aluminum matrix hybrid composite materials is their high specific strength and wear resistance properties. In this study, both insitu and exsitu methods were used for hybrid composite production. AM50 magnesium alloy was added to the molten material in order to realize the in situ composite production and to improve the wettability at the interface. With this method, insitu reinforcement material is produced, and infiltration is also improved. In the insitu method, the Mg2Si phase, which is a reinforcing element in the molten metal, is formed with the help of the reactions that occur as a result of the addition of AM50 alloy. In the Exsitu method, molten metal is infiltrated into SiC preforms placed in the mold with vacuum support. As a result, there are SiC and Mg2Si reinforcements in the aluminum matrix in the microstructure. A356, A380 and 413 alloys were chosen as matrix material. In this study, AM50 magnesium alloy with 5%-10% and 15% weight ratios was used to produce hybrid composites in vacuum infiltration process and its effects on mechanical properties were investigated. Production was carried out by keeping other parameters constant. Vacuum infiltration was performed in gypsum bonded flask investment casting molds. OM, SEM-EDS, wear test analyzes were carried out in order to determine the properties of each produced sample.
SiC and Mg2Si reinforcements, which did not experience infiltration problems in the produced samples (except for 413-15 sample), were homogeneously dispersed in the
xvi
structure. Primary Mg2Si, eutectic Mg2Si, added by ex situ method SiC and α-Al grains are seen in the microstructure. As the AM50 weight ratio increases, the primary Mg2Si grain grows and has a polyhedron form. The largest primary Mg2Si grain is seen in 15% AM50 A356 matrix sample. It has been observed that the magnesium content in the A356 alloy structure is higher than that of the A380 and 413 alloy. As the weight ratio of the AM50 alloy added to the structure increases, the hardness and wear resistance of the composite samples do not significantly improve.
An increase in hardness is observed with the increase of AM50 weight ratio in samples produced only with A380 matrix. The hardness value of the A380 matrix sample with a weight ratio of 15% is 181 HB. The sample with 413 matrix and 5% AM50 weight ratio was produced with a hardness value of 183.5 HB.
The samples showing the best wear resistance in A356, and 413 matrix samples had 5% AM50 weight fraction. The wear rate value for the sample with 5% AM50 weight ratio with A356 matrix is 0.031 (mm3/N.m) x103. On the other hand, the value for the sample with 5% AM50 weight ratio with 413 matrix is 0.059 (mm3/N.m) x103.
When the wear marks on the preform and matrix element were examined, it was observed that the reinforcement element had a positive effect on the wear resistance. The wear mark is thinned on the preform zone.