Yerli grafen nano plakalarla takviye edilmiş Al-Cu esaslı alaşım matrisli kompozitlerin toz metalurjisi yöntemi ile üretimi, ısıl işlemi ve karakterizasyonu
Production of native graphene nano platelets reinforced Al-Cu alloy based composi̇tes wi̇th powder metallurgy, heat treatment and characterization
Yazar: KÜBRA ÇANKAYA
Danışman: DOÇ. DR. NAZLI AKÇAMLI
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Alüminyum alaşımları = Aluminum alloys ; Deşarj sistemleri = Discharge systems ; Isıl işlem = Heat treatment ; Karakterizasyon = Characterization ; Mekanik alaşımlama = Mechanical alloying ; Toz metalurjisi = Powder metallurgy

Özet:
Alüminyum ve alaşımlarının otomotiv, havacılık ve savunma sanayinde özellikle ileri malzeme özelliklerine ihtiyaç duyulan alanlardaki kullanımları düşük mukavemet ve dayanımları nedeniyle sınırlanmaktadır. Birçok mühendislik uygulamasında hafif ve aynı zamanda yüksek dayanımlı malzemelerin kullanımı öne çıkmaktadır. Bazı özel Al alaşımlarının hafif ve yüksek dayanımlı olmaları sayesinde zırh malzemesi olarak kullanımını gösteren önemli çalışmalar mevcuttur ve bu özeliklerinin geliştirilmesi üzerinde yoğun araştırmalar devam etmektedir. Al alaşım esaslı kompozit malzemeler bu ihtiyaçlara yönelik olarak daha üstün özelliklere sahip malzemelerin üretimine imkân sağlamaktadır. Toz metalurjisi süreçlerinde yüksek enerjili öğütücülerde mekanik alaşımlama ile nano boyutlarda Al alaşım tozları ve takiben çok ince taneli kompozit yapılar elde edilebilmektedir. Mekanik alaşımlama döküm gibi geleneksel alaşımlama metotlarına kıyasla çok ince taneli alaşımların elde edilmesi, kristal kafes içerisinde alaşım elementlerinin çözünürlüğünün arttırılması ile aşırı doymuş katı çözeltilerin elde edilebilmesi ve metastabil intermetalik bileşiklerin oluşturulması yoluyla mukavemetin attırılabilmesi gibi önemli avantajlar sağlamaktadır. Bunlara ek olarak, kompozit malzemelerin üretiminde karşılaşılan takviye elemanlarının kompozit matris içerisinde homojen olarak dağıtılmaması ve aglomerasyon gibi sorunların önüne geçilebilmesi için en etkili yöntemlerden biri mekanik alaşımlamadır. Son yıllarda nano partikül boyutuna sahip, çok ince katmanlı ve birim ağırlık başına en güçlü malzemelerden biri olan grafen, Al esaslı kompozitler için önemli bir takviye malzemesi olma potansiyeline sahiptir. Karbon esaslı takviye elemanları içerisinde grafenin kırışık yüzey yapısı sayesinde karbon nanotüplere kıyasla matris içerisinde dağılımının daha yüksek olduğu ve matrise daha iyi tutunarak yüksek mekanik özelliklerini yapıya transfer edebildiği literatürde belirtilmektedir. Ancak, toz metalurjisi yöntemleri ile grafenin Al matrisli kompozitler içerisindeki kullanımı henüz tüm yönleriyle araştırılmış değildir. Tez kapsamında, laboratuvarlarımızda orijinal dizayn edilmiş elektrik ark reaktöründe yerli olarak üretilen grafen nano plakalar ile takviye edilmiş Al-Cu alaşım esaslı kompozitler toz metalurjisi yöntemleri ile üretilmiş ve bu alaşımların mikroyapısal, mekanik, tribolojik ve korozyon özellikleri incelenmiştir. Al-5,5Cu  esaslı alaşımların ve grafen takviyeli kompozitlerin toz metalurjisi yöntemleri ile elementel tozlardan başlayarak hazırlanmasına ve toz/sinter ürün özelliklerinin detaylı incelenmesine dayanan bu tez, seçilen alaşım bileşimleri ve bu alaşımların grafen takviyeli kompozitlerinin hazırlanması üzerinde literatürdeki ilk çalışmaları ortaya koymaktadır. 
Tez çalışması aşamasında takviye malzemesi olarak kullanılan grafen nano plakalar kendi laboratuvarlarımızda elektrik ark yöntemi ile önceden optimize edilmiş koşullarda yüksek saflık ve kalitede, nano boyutlarda, birkaç-tabakalı olarak sentezlenmiştir. Üretilen grafen nano plakalar, mekanik alaşımla ile sentezlenen Al-ağ.%5,5Cu, esaslı 3 farklı bileşime sahip alaşımlara ağ. %5'e kadar grafen ile takviye edilerek ince taneli kompozitler üretilmiştir. Mekanik alaşımlanmış tozların preslenmesi ve basınçsız sinterlenmesi ile Al-5,5Cu esaslı alaşımlar ve grafen takviyeli edilmiş  farklı matris bileşimine sahip kompozitler üretilmiştir. Ayrıca seçilen bir grup numuneye  T6 ısıl işlem prosesi uygulanmıştır. Çözeltiye alınan numunelere  su verilip yapay olarak yaşlandırılmıştır.Sinterlenen numuneler sırasıyla 3 saat 500◦C ve 20 saat 170◦C bekletilmiştir.  Üretilen tozların ve sinterlenmiş ürünlerin karakterizasyon çalışmaları fiziksel ( X-ışını difraktometresi (XRD; latis gerilimi-kristalit boyutları saptama)), bileşimsel (XRD, taramalı elektron mikroskobu (SEM)), mikroyapısal (optik mikroskop, SEM,) ve korozyon, mekanik (çekme ve basma) ve tribolojik (aşınma)  testler ile gerçekleştirilmiştir. 
Al-5,5Cu esaslı alaşım tozları için yapılan XRD analizinde, herhangi bir metalik faza veya mekanik alaşımlama prosesinden kaynaklı bie empüriteye rastlanmamıştır. Artan mekanik alaşımlama süresi ve GNP miktarı ile mekanik alaşımlanmış tozların ortalama kristalit boyutu değerlerinin azalma ve latis gerilimi değerlerinde ise artış görülmüştür.SEM görüntülerinde ise mekanik alaşımla öncesi köşeli, küresel veya elips şekilde  olan partiküllerin  yassılaştığı gözlemlenmiştir. Al-5,5Cu esaslı alaşım tozlarının sinterlenmesiyle elde edilen farklı bileşimlerdeki tüm kompozitlerin XRD analizlerinde toz numunelerden farklı olarak Al2Cu faz oluşumu gözlenmiştir. Sertlik ölçümleri sonrasında elde edilen verilere göre mekanik alaşımlama sürelerinin artışıyla sertlik değerleri artmaktadır. Grafen miktarının artışıyla ölçülen sertlik değeri %1 GNP katkısına kadar artarken %2 ve %5 GNP katklılı numunelerde azalmaktadır. Basma sonuçları da sertlik sonuçlarıyla benzer şekilde alınmıştır. %1 GNP katkılı numulere uygulanan çekme testinde mekanik alaşımlamanın çekme mukavemetinde olumlu etkisi gözlemlenmiştir. Aşınma testi sonuçlarına göre numunelerde artan grafen miktarı ile birlikte aşınma oranlarının azaldığı, fakat ağ.%5 grafen içeren numunelerin aşınma oranının farklılık gösterdiği görülmektedir. Burada ilave edilen grafen fazının yağlayıcı etki yaratarak aşınma miktarını azalttığı düşünülmektedir. Grafen ilavesi ile birlikte genel olarak kompozitlerin korozyon dirençlerinin bir miktar azaldığı anlaşılmaktadır Buna göre, grafen takviyesinin korozyon hızında ağ. %5'e kadar çok belirgin bir değişim yapmadığı ancak ağ.%5 grafen içeriğine sahip numunede korozyon hızının önemli ölçüde arttığı görülmektedir. Al-5,5Cu-0,5Mn-0,3Mg-xGNP numunelerine uygulanan  T6 ısıl işlemi sonrasında, yapılarında bulunan ve dayanımı artıran Cu ve Mg bileşenlerinin kararlı çökeltiler haline gelmesiyle sertlik ve basma mukavemetlerinde artış meydana gelmiştir.

Abstract:
Application of aluminum and its alloys remains limited because of its low strength and wear resistance in automotive, aerospace and defense industries in which advanced material properties needed. Usage of light weight and high strength materials gains importance in many engineering applications. In addition, there have been significant researches in literature, indicating the usage of some special Al alloys as armor materials due to their lightness and high strength and intense research efforts have been focused towards Al alloy based ballistic armor materials. Al alloy based composite materials enable producing advanced materials to meet these demands. Nano-structured Al alloy powders and ultrafine grained composite structures can be produced by the mechanical alloying through high energy ball milling in the powder metallurgy stages. Together with the formation of ultrafine grained alloys, mechanical alloying enables enhancing the strength by formation of super saturated solid solutions via increasing the solid solubility limits of alloying elements in the matrix phase and formation of metastable intermetallic phases. In addition, mechanical alloying is the most effective method to provide homogeneous distribution of reinforcement additives in the matrix phase, which is the most common problem encountering in the fabrication of composite materials. Graphene with its nano particle size, fine layered structure and being one of the strongest material per unit weight, it has a great potential to become a very important reinforcement additive for Al-based composites. It was stated in the literature that among the carbon-based reinforcement additives graphene shows better distribution and matrix adherence properties due to its wrinkled surface and it can efficiently transfer its high mechanical strength to the matrix.
In this thesis,the synthesized graphene nano-platelets were incorporated into the mechanically alloyed Al-5.5wt.%Cu, based alloy having 3 different compositions and fine-grained composites were fabricated. By pressing the mechanically alloyed powdersand pressureless sintering Al-5,5Cu based alloys and graphene-reinforced composites were obtained. Additionally, age-hardening heat treatment was applied to some composites for improving the mechanical properties. Solution and age-hardening heat treatments were exerted on the sintered composites by holding them at 500◦C for 3 h and 170 ◦C for 20 h, respectively. Characterization of the synthesized powders and sintered samples were performed by physical ( X-ray diffractometer (XRD- determination of lattice strain and crystallite size)), compositional (XRD, scanning electron microscope (SEM)), microstructural (optical microscope, SEM,)), mechanical (tensile and compression), corrosion and tribological tests (wear volume loss). 
In the XRD analysis for Al-5,5Cu based alloy powders, metallic phases or impurities originating from the mechanical alloying process weren't found.With increasing mechanical alloying time and GNP amount, crystallite size values of the mechanically alloyed powders decreased and the lattice stress values increased. In the SEM images, it was observed that the angular, spherical or elliptical particles became flat. Al2Cu phase formation was observed in XRD analyzes of all composites with different compositions obtained by sintering Al-5,5Cu based alloy powders. According to the data obtained after the hardness test, the hardness values increase with the increase of the mechanical alloying times. The hardness value measured with the increase in the amount of graphene increases up to wt.%1 GNP additive, while it decreases in the samples with wt.%2 and wt.%5 GNP additives. Compression results were obtained similarly to the hardness results. A positive effect of mechanical alloying on tensile strength was observed in the tensile test applied to wt.%1 GNP added samples.According to the wear test results, it is seen that the wear rates decrease with the increasing amount of graphene in the samples, but the wear rate of the samples containing wt%5 graphene differs. It is thought that the graphene phase added here reduces the amount of wear by creating a lubricating effect. It is understood that the corrosion resistance of composites decreases somewhat with the addition of graphene. Accordingly, it is seen that the graphene reinforcement did not make a significant change in the corrosion rate up to wt%5, but the corrosion rate increased significantly in the sample with wt%5graphene content. After the T6 heat treatment applied to the Al-5.5Cu-0.5Mn-0.3Mg-xGNP samples, the hardness and compression strengths increased as the Cu and Mg components in their structures, which increase the strength, became stable precipitates.