Toz metalurjisi yöntemiyle üretilen grafen katkılı Al-Cu alaşımının sertlik ve aşınma özelliklerinin incelenmesi
Investigation of hardness and wear properties of graphene reinforced Al-Cu alloy produced by powder metallurgy method
Yazar: CANTEKİN KAYKILARLI
Danışman: PROF. DR. NURHAN CANSEVER ; PROF. DR. DENİZ UZUNSOY
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Son yıllarda ortaya çıkan ihtiyaçlardan dolayı metal matrisli kompozitler (MMK) araştırmacılar tarafından en çok ilgilenilen yapısal malzemeler olmuştur. Özellikle partikül takviyeli Al matrisli kompozitler sahip oldukları dayanım, sertlik, darbe direnci ve aşınma direnci gibi özellikleri nedeniyle büyük ilgi görmektedir. 
Al matrisli kompozit malzemeler sahip oldukları düşük yoğunluk-yüksek mekanik dayanım, sertlik ve korozyon direnci gibi özellikleri nedeniyle otomotiv ve havacılık sanayi başta olmak üzere pek çok alanda kullanılmaktadır. Al matrisli kompozit malzemeler için çeşitli oksitler, karbürler ve borürler katkı malzemesi olarak tercih edilmiştir. Grafen ise sahip olduğu üstün mekanik, termal ve elektriksel özellikleri sebebiyle, MMK'ler için katkı malzemesi olarak kullanımına yönelik yoğun bir şekilde araştırmalar devam etmektedir. 
Bu çalışmada, grafen katkısız Al-4Cu ile birlikte ağırlıkça %0,25-0,5-1 oranında grafen katkılı Al-4Cu kompozit malzemesi mekanik alaşımlama (MA) yöntemiyle üretilmiştir. Katkı malzemesi olarak kullanılan grafen ise daha önce yapılmış çalışmalar neticesinde optimize edilmiş koşullarda, elektrik ark yöntemiyle birkaç tabakalı olarak laboratuvarımızda üretilmiştir. Her bir numune bileşimi için hazırlanan Al, Cu ve grafen tozları 5, 7 ve 9 saatlik MA işlemine tabi tutulmuştur. Elde edilen toz karışımı diferansiyel termal analizi (DTA), X ışını difraksiyonu (XRD) ve toz partikül boyutu ölçümü işlemlerine tabi tutulmuştur. Mekanik olarak alaşımlanmış tozlar tek eksenli pres yardımıyla 400 MPa yük ile pelet haline getirilmiştir. Peletlenen numunelerin sinterleme öncesi yoğunlukları Arşimet yoğunluk ölçüm metoduyla ölçülmüştür. Preslenen numuneler 300oC'de 2 saat boyunca bağlayıcı giderme işlemine tabi tutulmuştur. Bağlayıcı giderme işleminin ardından 590oC'de 3 saat boyunca sinterleme işlemi uygulanmıştır. Bağlayıcı giderme ve sinterleme işlemi Ar atmosferinde gerçekleştirilmiştir. Sinterlenen numunelerde Arşimet yoğunluk ölçümü, optik mikroskop (OM) ile görüntüleme, XRD analizi, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile görüntüleme, sertlik ve aşınma testleri gerçekleştirilmiştir. Üretilen kompozitlerin karakterizasyon sonuçları, artan grafen miktarı ve MA süresinin artmasının malzemenin aşınma direncini olumlu yönde etkilediğini ortaya koymuştur. Malzemeye ilave edilen grafen katkısının malzemenin sertliğini düşürdüğü tespit edilmiştir.

Abstract:
Al matrix composites have been used in many industries such as aerospace, defence, electronics and automotive due to their low density, high mechanical strength, stifness, good corrosion resistance and high impact resistance.
Various oxides, carbides and borides are preferred as reinforcement materials for Al matrix composites. Graphene has outstanding mechanical, thermal and electrical properties and it is a potential candidate as reinforcement additive for Al matrix composites to obtain enhanced mechanical properties. 
In the present study, Al-4Cu matrix composite powders were produced from elemental powders of Al and Cu via mechanical alloying technique. Also, graphene reinforcements were synthesis via electric arc discharge method in our laboratories by previously optimized process parameters as few-layered platelets. Powder metallurgy routes were used to produce composites having different amount of graphene as 0 0.25 0.50 and 1 wt%. The starting powders of Al, Cu and graphene were mechanically alloyed for different durations up to 9 h. The characterization of mechanically alloyed powders were performed using differential thermal analysis (DTA), X-Ray diffraction (XRD) and powder particle size measurement. Mechanical alloyed powders uniaxially pressed at 400 MPa and binding removaled at 300oC for 2 hours and sintered at 590 °C for 3 hours under Ar atmosphere. Structural and physical properties of sintered samples were investigated through Archimedes density, optical microscopy (OM), Scanning electron microscope (SEM), XRD techniques. Additionally, mechanical characterization of bulk sample were performed in terms of hardness and reciprocating wear tests. As a result, the increasing amount of graphene and MA duration increased the wear resistance of the material. Graphene reduce the hardness of the material.