Sıcak presleme yöntemi ile Al2Cu ve h-BN  katkılı alüminyum ve alüminyum alaşım matrisli kompozitlerin aşınma davranışlarının incelenmesi
Investigation of abrasion behavior of aluminum and aluminum alloy reinforced with Al2Cu and h-BN produced by hot pressing
Yazar: BURAK SAMED DOĞU
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Alüminyum alaşımları son dönemde geleneksel malzemelere kıyasla iyi seviyedeki kimyasal ve fiziksel özelliklerinden dolayı ön plana çıkmaktadır. Endüstriyel alanda çelikten sonra en çok kullanılan metallerin başında gelmektedir. Özellikle yüksek mukavemet ve tokluk ile birlikte ağırlık kazancından dolayı havacılık ve otomotiv sektörlerinde geniş bir kullanım alanına sahiptir. Alüminyum ve alüminyum alaşımları çeşitli bileşimler ile kompozit üretiminde çok yönlü bir yapıya sahiptir. Bu nedenle alüminyum matris kompozitlerin endüstriyel sektördeki çalışmaları artmaktadır. Alüminyum matris kompozitleri alüminyum alaşımının kullanım alanına bağlı olarak istenilen ölçüde mekanik özellikleri göstermediği durumlarda çeşitli katkı malzemeleri ve üretim yöntemleri ile üretilebilmektedir. 7075 alüminyum alaşımı yüksek mukavemet ve korozyon direncine sahip olmasına karşın özellikle savunma sanayi, otomotiv ve havacılık sektörlerinde istenilen aşınma direnci ve sertlik değerlerini her zaman karşılayamamaktadır. 
Alüminyum matris kompozitlerde kullanılan oksit, karbür, nitrür ve intermetalik yapılı katkı malzemeleri aşınma davranışı ve sertlik gibi mekanik özellikleri geliştirmek maksadıyla  kullanılmaktadır. Bu kompozitlerde; porlu yapı, katkı maddelerinin iyi tutunamaması veya dağılımlarının homojen olmaması temel sorunlar arasındadır. Son yıllarda yapılan çalışmalarda, ilave edilen malzeme ve  üretim yöntemlerinin çeşitliliği ile verimi arttırmaya yoğunlaşılmıştır.
Sıcak presleme tekniği ile düşük sıcaklıklarda ve kısa sürelerde yüksek yoğunluklu malzeme üretimi gerçekleştirilirken, aynı zamanda presleme ile sinterleme işlemlerinin tek seferde gerçekleştirilmesiyle düşük maliyetli bir kompozit üretim teknikğidir. Alüminyum alaşımlarından farklı olarak çeşitli metallerin ve bu metallerin alaşımlarının üretilmesine olanak sağlamaktadır. Özellikle sıvı hal ile üretilemeyen ve sinterleme sıcaklığı düşük olan parçalar için sıcak presleme yöntemi öne çıkmaktadır. Kompozit üretiminde yaygın bir şekilde kullanılan karıştırmalı döküm yönteminin aksine bu yöntemle yüksek yoğunluklu bir yapı elde edilebilmektedir. 
Alüminyum-bakır (Al2Cu) intermetaliği yüksek mekanik özelliklerinin yanında düşük yoğunluğa sahip olması nedeniyle kompozit üretiminde önemli katkı malzemelerinden birisidir. Aynı zamanda hegzagonal bor nitrür (h-BN) yüksek yağlağıcılık özelliği ve düşük yoğunluğu ile son dönemlerde kompozitlerde kullanılan katkı malzemelerdendir. Bu çalışmada sıcak presleme yöntemi ile saf alüminyum, alüminyum 7075 ve alüminyum silisyum (AlSi12) alaşımlarına Al2Cu ve h-BN katkıları ilave edilmiş ve üretilen kompozitlerin aşınma ve sertlik özelliklerinin geliştirilmesi hedeflenmiştir. 
Sıcak presleme işlemi sonrasında elde edilen kompozitlerin ısıl işlem öncesi ve sonrası aşınma davranışları ve sertlik değerleri karşılaştırılarak incelenmiştir. Isıl işlem prosesi olarak T6 yöntemi kompozitlere uygulanmıştır.
Alüminyum matrisli kompozitlerin, X-ışını dikraksiyonu analizleri, kesit incelemeleri ve sertlik ölçümleri yapılarak karakterize edilmiş, ardından numunelere aşınma deneyleri gerçekleştirilmiştir. Aynı zamanda numunelerin teorik ve gerçek yoğunlukları hesaplanmıştır. Yoğunluk hesaplamaları sonucunda kompozitlerin katkısız alüminyum ve alüminyum alaşımlarına nazaran yoğunluklarının daha yüksek olduğu görülmüştür. 
Deney sonuçları değerlendirildiğinde, genel olarak sıcak presleme yöntemi ile üretilen kompozitlerin içerisinde bulunan katkılar homojen bir dağılım  göstermişlerdir. Al2Cu intermetaliği, saf aluminyum, aluminyum-silisyum ve 7075 alaşımlarının sertlik ve aşınma davranışlarını olumlu yönde etkilediği gözlemlenmiştir. Hegzagonal bor nitrür (h-BN) katıkı malzemesinin aşınma testi sırasında sürtünme katsayısını düşüreceği öngörülmesine rağmen Al2Cu intermetaliği bulunan numuneye h-BN ilavesi gerçekleştirildiğinde sürtünme katsayısının arttığı gözlemlenmiştir. 
Yapılan çalışmalara ek olarak en iyi sonuç veren numuneler mikro-ark oksidasyon (MAO) yöntemi ile kaplanmıştır. Kaplanan numunelerin aşınma davranışları incelenmiş, kaplamaların sertlikleri ölçülmüş ve yüzey ile kesit SEM analizleri gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Aluminum and its alloys have gained significant importance in last decades with their good chemical and physical properties instead of traditional metallic materials. Aluminum is one of the most abundant elements in the earth's crust. Therefore, it is one of the most used metals after steel in the industrial applications such as automotive, aerospace, telecommunication, marine etc. However, the low hardness, low wear resistance and high friction coefficient of aluminum and its alloys have a possibility to shorten the service life of aluminum alloys and restrict their usage. Aluminum alloys are generally alloyed with elements such as copper, magnesium, zinc, silicon, manganese, and lithium. Also, chromium, titanium, zirconium, lead, bismuth, and nickel can be added as minor elements in aluminum alloys. Aluminum alloys are divided into two main groups; forging alloys and casting alloys. Many alloys are treated by heat treatment for further improvement in their mechanical properties. These processes include solution heat treatment, quenching, and precipitation, or aging. Some of both cast and forged alloys are described as heat treatable.
Although composite materials are as old as human civilization, they became widespread after the Second World War. A composite material is a material produced by the physical combination of monolithic compounds and having unique properties compared to their monolithic forms. Nowadays, with developing new technologies, conventional materials fall behind the requirements. Therefore, the most prominent features of composite materials compared to conventional materials are lightness, high hardness, abrasion resistance, and durability. The aim of this study is to improve the mechanical properties of the composite structures with production methods and reinforcements.
In aluminum matrix composite materials, various reinforcements can be used. Ceramics, oxides, intermetallic materials, nitrates and many other structures are used as reinforcements in the production of aluminum matrix composites. Low-weight metals, such as aluminum, magnesium, and titanium, are among the most popular metals chosen as matrix materials. Aluminum is one of the most effective matrix materials and low weight is an important criterion especially in the aerospace and automotive industry. Enhanced mechanical properties of composites by using inexpensive additives have been more and more attractive due to economical issues. Al2O3, SiC, B4C, AlN and C (graphite) are the most commonly used additives in metal matrix composites. Recently, carbon nanotubes have also been used in producing composites.
The path of production of any composite part plays a vital role in determining the final properties of the composite. There are many techniques applied in the manufacture of metal matrix composite products. The industrial production of aluminum matrix composites can be classified into three main groups. These are solid-state processes, liquid state processes, and in-situ processes. Powder metallurgy, infiltration, extrusion, casting are widely used in the production of metal matrix composites. Among these methods, the stir casting technique is one of the most preferred methods due to the high production number and the production of various sizes and shapes. In the stir casting process, the formation of composites is carried out by reinforcements into the molten metal being mixed. Generally, this technique is accomplished by reinforcing the selected molten metal matrix. This technique is also very simple and one of the most widely used methods commercially.
On the other hand, graphite molds are generally used today in hot pressing. If protective gas sections are used for graphite molds in hot press, the service life of the molds can be longer. Hot pressing technique can be carried out using single or double action. The lower support part may be fixed in the system. The force required for pressing is given by the upper part. The main reasons for using this method are; lower cost, pressing and sintering process can be done at one time, the structure of the produced part is smooth and the production can be done at low temperatures.
Hot pressing technique is one of the most advantageous methods to produce metal matrix composites due to the various properties. Unlike stir casting, it is a technique that can be applied to metals and materials with low sintering and melting temperature. Hot pressing technique is a method in which heat and pressure are used together to produce a material with reduced porosity. This method can be used for parts that are impossible to produce in a liquid state and which have low sintering temperature. Although the interface of the reinforcement with the matrix in the stir casting is good, it is difficult to obtain high homogeneity. Although the infiltration technique produces a dense component, such as in hot pressing, a high proportion of residual stress occurs in contrast to hot pressing. Physical deformations are minimized by the hot-pressing method. 
Aluminum-copper (Al2Cu) intermetallic is used in composite production due to its high mechanical properties and low-density. At the same time, hexagonal boron nitride (h-BN) is one of the reinforcements used in composites due to high retention and low density. In this study, we aimed to improve the abrasion behavior and hardness of composites reinforced by Al2Cu and h-BN and produced by the hot-pressing methods. Al and Cu powders have been pressed and exposed to heat treatment to synthesis Al2Cu according to the Al-Cu phase diagram. The obtained pellets were powdered to use in composite production. Pure aluminum, aluminum 7075 and aluminum-silicon (AlSi12) alloy were used as a matrix. Also, samples that only hot-pressing applied were compared with heat-treated conditions.
For the determination of the phases in the composites, phase analyses were performed by an X-ray diffractometer (XRD). Wear tests were carried out at room temperature on a reciprocating wear tester. Surface roughness of samples was measured by a surface profilometer. Wear surfaces and cross-sections of samples were examined by optical microscope and scanning electron microscope (SEM). Composite density differences were investigated by using the Archimedes method. Determining density helped to compare specimens with their before reinforced states. Evaluated results also revealed how much is the enhanced in abrasion behavior and an increase in hardness with an increase in density.
Obtained composites by hot-pressing showed a homogeneous distribution and had a low porous structure. Samples reinforced with Al2Cu showed that improved abrasion behavior and hardness. Although h-BN material was thought to reduce the coefficient of friction, samples that reinforced with both h-BN and Al2Cu showed a higher coefficient of friction than only reinforced samples with Al2Cu. The same situation has occurred in the hardness of materials. Specimens that were reinforced with h-BN negatively affected abrasion behavior and the hardnesses of composites.  When the optical microscope images are examined, it was determined that h-BN materials did not hold the matrix well.
Micro-arc oxidation (MAO) was applied to samples showing the best results. Wear tests results showed that MAO coatings provided superior wear resistance as compared to the uncoated samples. For both of the samples, coating hardness, surface roughness and coating thickness were measured. Also, surfaces and cross-sections of MAO samples were examined by scanning electron microscope (SEM). Samples examined with SEM showed that the interface of coating with 7075 reinforced with Al2Cu material was better than the AlSi12 composites. Also, large quantities of pores and micro-cracks were observed in the coating region on AlSi12 composites. These observed pores and micro-cracks caused to decrease in hardness of the MAO coating of AlSi12.