Alüminyum matrisli tungsten karbür ve grafen takviyeli kompozitin üretim ve mekanik özelliklerin belirlenmesi
The determination of fabrication and mechanical properties of aluminium matrix tungsten carbide and graphene reinforced composite
Yazar: GÜRKAN SOY
Danışman: DOÇ. DR. SALİH KORUCU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Alüminyum alaşımları = Aluminum alloys ; Alüminyum matrisli kompozitler = Aluminum matrix composites ; Grafen = Graphene ; Toz metalurjisi = Powder metallurgy ; Tungsten karbür = Tunsten carbide

Özet:
Teknolojik gelişmeler doğrultusunda, uygun maliyetli, yüksek dayanımlı ve hafif malzemelere yönelik talepler, yeni ve gelişmiş özelliklere sahip malzeme arayışını zorunlu hale getirmektedir. Mühendislik uygulamaları için gerekli özelliklerin sağlanmasında malzemelerin optimum özelliklere göre uyarlanabilmesi açısından kompozit malzemeler ön plana çıkmaktadır. Özellikle, hafiflik, yüksek sertlik ve mukavemet gibi önemli özellikleri birlikte sunan Alüminyum Matrisli Kompozitler (AMK) endüstride tercih edilen bir kompozit malzeme grubudur. Bu tez çalışmasında, toz metalurjisi yöntemi kullanılarak AA2024 ve AA7075 matrisli ağırlıkça %0,2; %0,4 ve %0,6 grafen, %3, %6 ve %12 Tungsten karbür (WC) katkılı kompozitler üretilerek artan katkı oranlarının mekanik özelliklere etkisi araştırılmıştır. Kompozit malzemelerin üretimi öncesinde kullanılacak tozlara Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), X-Işını Spektrometresi (XRD) ve Termogravimetrik ve Diferansiyel termal analizler (TGA/DTA) yapılmıştır. Katkı elemanlarının matris içerisinde etkili ve homojen dağılımını sağlamak için farklı kompozisyonlarda hazırlanan tozlar, geliştirilen Üç Boyutlu Karıştırma Sistemi yardımıyla 60 dk süresince karıştırılarak farklı yönlerdeki katkı dağılımları incelenmiştir. Kompozit malzemelerin sinterleme sıcaklıklarının belirlenmesi amacıyla 560, 570, 580, 590, 600, 620, 640 ve 660 °C sıcaklıklarda sinterleme çalışmaları yapılmıştır. Sinterleme çalışmaları sonrasında yoğunluk, sertlik, mikroyapı ve TGA/DTA analizleri birlikte değerlendirilerek kompozitler için fırın programları oluşturulmuştur. Karıştırılan tozlar sıcak presleme yoluyla 575 °C sıcaklıkta 60 dk süresince şekillendirilmiştir. Şekillendirilen grafen takviyeli kompozitler 620 °C, WC takviyeli kompozitler 610 °C'de fırın programlarına göre kamara tipi fırın içerisinde argon atmosferiyle 60 dk boyunca sinterlenmiştir. Üretilen kompozit malzemelere yoğunluk, sertlik, üç nokta eğme, çekme ve aşınma deneyleri yapılmıştır. Mikroyapısal karakterizasyon ve faz dönüşümleri Optik Mikroskop, SEM, Enerji Dağılım Spektrometresi (EDS), Enerji Dağılım X-Işını spektrometresi (EDX) ve XRD analizleriyle incelenmiştir. En yüksek sertlik değeri (%22 artış) ve çekme dayanımı (%44 artış) AA2024-%12WC kompozitte ve en yüksek aşınma direnci (%47 artış) AA2024-%0,2 grafen kompozitte elde edilmiştir.

Abstract:
In line with technological developments, the demands for cost-effective, high-strength and lightweight materials necessitate the search for materials with new and advanced properties. Composite materials come to the fore in terms of adapting the materials according to the optimum properties in providing the required properties for engineering applications. In particular, Aluminum Matrix Composites (AMC), which offers essential features such as lightness, high hardness and strength, is a preferred composite material group in the industry. This study produced 0,2%; 0,4% and 0,6% Graphene, 3%, 6% and 12% Tungsten Carbide (WC) reinforced AA2024 and AA7075 matrix composites by powder metallurgy method, and the effect of reinforcement on mechanical properties was investigated. Before the production of composite materials, Scanning Electron Microscope (SEM), X-Ray Spectrometer (XRD) and Thermogravimetric and Differential Thermal Analysis (TGA/DTA) were performed on the powders to be used. To ensure the effective and homogeneous distribution of the additives in the matrix, the powders prepared in different compositions were mixed for 60 minutes with the help of the developed 3D Mixing System, and the reinforcement distributions in different directions were examined. To determine the sintering temperatures of composite materials, sintering studies were carried out at temperatures of 560, 570, 580, 590, 600, 620, 640 and 660 °C. After sintering studies, density, hardness, microstructure and TGA/DTA analyses were evaluated together and furnace programs were created for composites. The mixed powders were shaped by hot pressing at 575 °C for 60 minutes. The shaped graphene-reinforced composites were sintered at 620 °C and WC-reinforced composites at 610 °C for 60 minutes in an argon atmosphere in a chamber furnace according to furnace programs. Density, hardness, three-point bending, tensile and wear tests were performed on the composite materials. Microstructural characterization and phase transformations were investigated by Optical Microscope, SEM, Energy Dispersion Spectrometer (EDS), Energy Dispersion X-Ray spectrometry (EDX) and XRD analysis. The highest hardness value (22% increase) and tensile strength (44% increase) were obtained in AA2024-12% WC composite and the highest wear resistance (47% increase) was obtained in AA2024-0.2% graphene composites.