Oksit partikül takviyeli alüminyum alaşımlarının mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi
Improvement of the mechanical properties of oxide particle reinforced aluminum alloys
Yazar: SALİH BİLAL ÇETİNKAL
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ACARER ; DOÇ. DR. İLYAS ŞAVKLIYILDIZ
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Günümüzde birçok alanda yaygın olarak alüminyum ve alüminyum alaşımları kullanılmaktadır. Spesifik veya yüksek mekanik özellikler elde edebilmek için alüminyum matrisli kompozit (AMK) üretimi yaygınlaşmaya başlamıştır. AMK'lerin imalatında hem takviye şekli (partikül, fiber, dentritik, nano vb.) hem de üretim yöntemi (talaşlı imalat, toz metalurjisi, döküm, vb.) olarak birçok parametre bulunmaktadır. 
Bu çalışmanın amacı, alüminyum alaşımına takviye edilen seramik partiküllerin mikroyapı ve mekanik özelliklerde ne tür değişiklikler meydana getirdiğini incelemektir. Matris malzemesi olarak AlSi10Mg alaşımı ve takviye elemanı olarak da nano boyuttaki Y2O3 partikülleri farklı takviye oranlarında (ağ. %0,3, 0,6 ve 0,9) kullanılmıştır. Partikül takviyeli AMK üretiminde geleneksel döküm yöntemi kullanılmıştır. Döküm esnasında yapılacak olan takviye yöntemleri; takviye formu (toz ve tablet) ve mekanik alaşımlandırma olmak üzere iki ana parametreye bağlıdır. Külçeden elde edilen AlSi10Mg geri dönüşüm talaşı gerekli temizleme işlemlerinden sonra mekanik alaşımlandırma cihazında Y2O3 tozu ile 1 saat boyunca öğütülmüştür. Alaşımlandırma işleminden elde edilen kompozit tozların bir kısmı toz formunda paketlenirken, bir kısmı da soğuk preste 50MPa basınç altında 15 mm çapında tablet formuna getirilmiştir. AlSi10Mg matrisli AMK malzemelerde meydana gelen mikroyapısal veya mekanik değişimlerin alaşımlandırma sonrası elde edilen Y2O3/AlSi10Mg kompozit tozunun mu yoksa saf Y2O3 tozunun etkisi mi olduğunu rahat anlayabilmek için ön işlemsiz Y2O3 tozu da paketlenmiştir.
Döküm aşamasına geçildiğinde yapılacak takviye oranlarına göre toz ve tablet miktarları tartılarak hazırlanıp döküm içerisine ilave edilmiştir. Karıştırma ile takviyeler yapı içerisine homojen dağıtılmıştır. Daha sonra metal kalıba dökülmüştür. Referans numune dahil toplam 10 farklı döküm gerçekleştirilmiştir. 
Çalışma sonuçlarını karşılaştırabilmek için hazır AlSi10Mg külçesi temin edilmiştir. Direk külçeden referans numune almak yerine, takviyeli numunelerin üretiminde uygulanan üretim süreci ve aynı döküm parametreleri ile referans numune üretilmiştir. Takviye yöntemi ve takviye oranının üretilen tozlardaki morfoloji ve kristalografik özelliklere etkisini anlamak için metalografik numune hazırlama işlemi yapıldıktan sonra optik mikroskop (OM), taramalı elektron mikroskobu (SEM), enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDS), X-ışını kırınımı (XRD) ve nano indentasyon analizleri gerçekleştirilmiştir. Takviye yöntemi ve takviye oranının üretilen AMK numunelerinin mekanik özelliklerine etkilerini anlamak için yoğunluk, çekme ve basma testleri gerçekleştirilmiştir.
Tüm üretimlerden elde edilen veriler karşılaştırılınca;
	Ön işlemsiz Y2O3 tozu (S) takviye edilmiş numune ile referans numunenin test ve analizleri sonuçları incelendiğinde Y2O3 takviyesinin etkisi, 
	Ön işlemsiz Y2O3 tozu (S) takviye edilmiş numune ile mekanik alaşımlandırma işlemi ile üretilen Y2O3/AlSi10Mg kompozit tozu (MA) takviye edilmiş numunenin test ve analizleri sonuçları incelendiğinde mekanik alaşımlandırmanın etkisi,
	Mekanik alaşımlandırma işlemi ile üretilen Y2O3/AlSi10Mg kompozit tozu (MA) takviye edilmiş numune ile mekanik alaşımlandırma işlemi ile üretilen ve preslenen Y2O3/AlSi10Mg kompozit tableti (TAM) takviye edilmiş numunenin test ve analiz sonuçları incelendiğinde ise takviye formunun etkisi görülmektedir.
Üretim parametrelerinin (takviye yöntemi ve takviye oranı) AMK malzemelerinin mikro yapıya etkileri optik mikroskop, SEM, TEM, EDS ve nano indentasyon ile, mekanik özelliklere etkileri yoğunluk, sertlik, çekme ve basma sonuçları ile değerlendirilmiştir. TAM3 malzemesinin yoğunluğu (gr/cm3) referans malzemenin yoğunluğuna yakın olmasına rağmen sertlik, çekme ve basma değerlerinde sırasıyla %30, %8,5 ve %22,5 'luk artışlar elde edilmiştir.
Literatürdeki araştırmalarda benzer takviye yöntemine (mekanik alaşımlandırma ile elde edilen kompozit tablet) rastlanmamıştır. Sonuç olarak; bu tezde yenilikçi bir takviye yöntemi kullanılmıştır.

Abstract:
Nowadays, aluminum and aluminum alloys are widely used in various fields. To achieve specific or high mechanical properties, the production of aluminum matrix composites (AMCs) has begun to proliferate. In the manufacturing of AMCs, there are many parameters, including both the form of reinforcement (particle, fiber, dendritic, nano, etc.) and the production method (machining, powder metallurgy, casting, etc.).
The aim of this study is to reinforce an aluminum alloy with ceramic particles to alter its microstructure and mechanical properties. AlSi10Mg alloy is used as the matrix material, and nano-sized Y2O3 particles are used as the reinforcement element in different reinforcement ratios (wt.% 0.3, 0.6, and 0.9). The conventional casting method was used in the production of particle-reinforced AMCs. The reinforcement method to be applied during casting depend on two main parameters: the form of reinforcement (powder and tablet) and mechanical milling. Recycled AlSi10Mg chips obtained from ingots were subjected to necessary cleaning processes and then underwent a one-hour milling process with Y2O3 powder in a mechanical milling device. A portion of the composite powders obtained from the milling process was packaged in powder form, while another portion was cold-pressed into tablet form with a diameter of 15 mm under a pressure of 50 MPa. To understand whether the microstructural or mechanical changes in the AlSi10Mg alloy are due to the Y2O3/AlSi10Mg composite powder obtained after milling or the Y2O3 powder itself, the un-milled Y2O3 powder was also packaged.
During the casting phase, the amounts of powder and tablets were weighed and prepared according to the reinforcement ratios and added into the casting. The reinforcements were homogeneously distributed within the structure through mixing and then poured into a metal mold. A total of 10 different castings, including the reference sample, were carried out.
To compare the results of the study, a ready-made AlSi10Mg ingot was obtained. Instead of directly using the ingot as a reference sample, a reference sample was produced using the same production process and casting parameters applied in the production of reinforced samples. To understand the effects of the reinforcement method and reinforcement ratio on morphology and crystallographic properties, metallographic sample preparation was carried out, followed by characterization with optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), X-ray diffraction (XRD), and nanoindentation analyses. The effects of the reinforcement method and reinforcement ratio on mechanical properties were examined through density, tensile, and compression tests.
When comparing the data obtained from all productions:
	The test and analysis results of the sample reinforced with un-milled Y2O3 powder (S) and the reference sample showed the effect of Y2O3 reinforcement.
	The test and analysis results of the sample reinforced with un-milled Y2O3 powder (S) and the sample reinforced with Y2O3/AlSi10Mg composite powder (MA) produced by mechanical milling demonstrated the effect of mechanical milling.
	The test and analysis results of the sample reinforced with Y2O3/AlSi10Mg composite powder (MA) produced by mechanical milling and the sample reinforced with Y2O3/AlSi10Mg composite tablet (TAM) produced by mechanical milling and pressing revealed the effect of the reinforcement form.
The effects of production parameters (reinforcement method, reinforcement ratio) on the microstructure of AMC materials were evaluated using optical microscopy, SEM, TEM, EDS, and nanoindentation, while their effects on mechanical properties were assessed through density, hardness, tensile, and compression results. Although the density (g/cm3) of TAM3 material was close to than that of the reference material, increases of 30%, 8.5%, and 22.5% were obtained in hardness, tensile, and compression values, respectively.
Similar reinforcement method (composite tablet obtained by mechanical milling) have not been encountered in the literature. Consequently, an innovative reinforcement method has been utilized in this thesis.