Uçucu kül içeren alüminyum matrisli kompozit üretimi, özellikleri ve mikroyapı karakterizasyonu
Fabrication and microstructure characterization of fly ash containing aluminyum matrix composites
Yazar: SEDAT KOLUKISA
Danışman: PROF.DR. AHMET TOPUZ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 1999
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Alüminyum matrisli kompozitler = Aluminum matrix composites ; Kompozitler = Composites ; Metal matrisli kompozitler = Metal matrix composites ; Uçucu kül = Fly ash ; Üretim = Production

Özet:
ÖZET Son yıllarda, partikül takviyeli metal matrisli kompozitlere (MMK), özelliklede alüminyum alaşım matrisli olanlara ilgi gösterilmiştir. Bu ilginin sebebi, kaçınılmaz olarak oluşan darbe dayanımı ve kırılma tokluğunun azalmasına rağmen, seramik partiküllerin alüminyum alaşımlara katılmasıyla, elastisite modülünde (rij itlik), akma dayanımında, çekme dayanımında, aşınma dayanımında ve sertliğinde, hacimsel takviye oranlarına (Vf) bağlı olarak belirgin artışların sağlanmasıdır. Ayrıca ısıl iletkenlik ve ısıl genleşme değerleri de uygun olabilmektedir. Ancak çok iyi mekanik ve fiziksel özelliklere sahip kompozit malzeme üretimi, uygulanan üretim yöntemine ve kullanılan takviye (pekiştirici) malzemesine bağlı olarak yüksek maliyet ve üretim teknolojisi gerektirir. Kompozit üretimindeki sınırlayıcı bu faktörlerin elimine edilmesi amacı ile daha ucuz takviye elemanlarının ve üretim yöntemlerinin uygulanması ihtiyacı doğmuştur. Bu çalışmamızda, kompozit malzeme üretim maliyetlerinin düşürülebilmesi ve termik santrallerin atık malzemesi olan düşük maliyetli uçucu küllerin değerlendirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda ETİAL 171 (A360) ve ETİAL 120 (443) matris malzemesi olarak seçilen alüminyum alaşımlarına %5, %10, %15 ve %20 hacim oranlarda Tunçbilek ve Yatağan termik santrallerinden sağlanan uçucu kül ilavesiyle AMK malzemelerin üretimi gerçekleştirilmiştir. AMK malzemelerin üretiminde karıştırma (stir-mix) yöntemi uygulanmıştır. Deneyler 750, 850, 950 °C ergime sıcaklıklarında ve 400, 560,750 d/dak. karıştırma devir sayılarında, özel olarak tasarımı yapılan seramik kaplı karıştırıcı (mikser) kullanılarak yapılmıştır. Karıştırma ve döküm sıcaklığı, karıştırma hızı, mikser geometrisi gibi parametrelerin çok sınırlı bir aralıkta değişebilmesi, karıştırma safhasındaki oksidasyon meyli ve homojen partikül dağılımındaki güçlükler, üretimin sınırlayıcı etkenleri olarak sayılabilir. Ancak bu kısıtlayıcı engellerin giderilmesi ile ilgili öneriler, tezin bilgi akışı içinde sunulmuştur. Uygulanan üretim yöntemi ile alüminyum alaşım matrise, uçucu kül takviyesinin maksimum %20 (hacimsel) ile sınırlı olduğu gözlenmiştir. Bu oranın üzerindeki uçucu kül takviyelerinde, ıslatma kabiliyetinin hızla düştüğü ve akıcılığın kaybolduğu görülmüştür. Üretimi tamamlanan kompozit numunelerin mekanik ve fiziksel özelliklerinin tespiti amacı ile çekme, eğme, elastik modül, darbe, yoğunluk, sertlik, aşınma, testleri ile optik ve elektron mikroskobik mikro yapı ve kırılma yüzey incelemeleri yapılmıştır. Deney sonuçlarında optimum değerler, 850 °C karıştırma sıcaklığında, 560 d/dak karıştırma devir sayısı koşullarında elde edilmiştir. Yapılan testler sonucunda hacimsel %15 takviye oranlarına kadar aşınma, çekme, eğme dayanımı, elastiklik modülü değerlerinde artış, kopma uzaması ve darbe dayanımında, hacimsel takviye oranlarının artması ile azalma görülmüştür. Böyle bir uygulama ile, özellikle büyük miktarlardaki ticari amaçlı kompozit üretiminde, uçucu kül takviyesi (dolgusu) ile alüminyum alaşım sarfiyatında, hacimsel takviye oranlarına bağlı olarak tasarruf sağlanabilecek ve atık bir malzeme olan uçucu küller, ucuz bir takviye elemanı olarak değerlendirilebilecektir. X

Abstract:
ABSTRACT In recent years there has been a great deal of interest in particulate-reinforced metal-matrix composites (MMCs), and in particular those based on existing aluminium alloys. This is because the addition of ceramic particles to duminium alloys, as a function of volume fraction (Vf) can lead to improvements in elastic modulus, yield stress, tensile strength, wear resistance and hardness, although invariably accompanied by reductions in ductility and fracture toughness. Also controlled, low thermal expansivity and thermal conductivity meet engineering requirements. Despite these attractive properties, fabrication of composites having high mechanical and physical properties, requires advanced technology, regarding to the fabrication process and reinforcing chosen. To eliminate these restrictions on composite fabrication, application of low cost reinforcements and uncomplicated production process should be encouraged. Cost saving in composite fabrication process, reinforcement, and utilisation of coal combustion by-products (fly ash) aimed in this research work. AMC's fabricated from ETÎAL 171 (A360) and ETÎAL 120 (443) aluminium alloys and Tunçbilek, Yatağan fly ashes were used as reinforcement with volume fractions %5, %10, %15, %20. Stir mixing and casting process were used for the fabrication of fly ash containing aluminium-matrix composites (AMC's). Specially designed and ceramic covered mixer were used for string of melted aluminium alloy at 750, 850, 950 °C elevated temperatures and 400, 560, 750 rpm rotation rates. Variation of limited parameters such as, string and casting temperatures, string rate, mixer geometry, oxidation tendency, difficulties in homogeneity of particle distribution can be classified as a limitation of a fly ash containing AMC fabrication. Proposals for the elimination of these restrictions were presented in relevant sections. It has been observed that, with the applied fabrication process, maximum %20 (volume) fly ash can be added to aluminium alloy matrix. Addition of fly ash, over volume fractions (Vfmax) %20 tend to effect wetting ability and fluidity of aluminium alloy melt were also observed. Tensile, hardness, wear, elastic modulus, density, bend, impact tests applied to investigate mechanical and physical properties of fabricated AMK specimens and optical, scanning electron microscope micro graph were taken for microstructure characterisation. Referring to the experimental data, optimum properties were achieved at 850 °C string temperature and 560 rpm mixer rotation rates. From the test results, up to % 15 reinforcement volume fractions, increase in wear resistance, hardness, tensile strength, elastic modulus and decrease in elongation and impact strength were observed as a function of reinforcement volume fraction (Vf). With this application, utilising low cost fly ash as a filler material, significant amount of aluminium alloy can be saved, in commercial fabrication of reinforced aluminium alloy tools. XI