Farklı Alternatif Bağlayıcı Metal Matrisli Kompozitlerin Üretilmesi ve Mekanik Davranışları
The Production of Metal Matrix Composites with Different Alternative Binders and Mechanical Behaviors
Yazar: ESAD KAYA
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA ULUTAN
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Kaplama = Coating ; Kompozit malzemeler = Composite materials ; Toz metalurjisi = Powder metallurgy ; Triboloji = Tribology

Özet:
Günümüzde geniş bir kullanım alanına sahip olan WC takviyeli metal matrisli
kompozitler (MMK) önemli mühendislik malzemelerindendir. Bu çalışmada, WC, Fe, Ni ve C
tozları kullanılarak toz metalurjisi yöntemi ile metal matrisli kompozit malzemeler üretilmiştir.
Deneysel çalışmaların birinci aşamasında tozlar homojen karıştırma işlemi yapıldıktan sonra,
tek yönlü ve takiben soğuk izostatik olarak preslenmiş ve basınçsız argon ortamında
sinterlenmişlerdir. Üretilen numunelerin mikroyapı (yoğunluk, faz) ve mekanik (sertlik,
elastisite modülü, kırılma tokluğu) özellikleri deneysel olarak incelenmiştir. Yapılan çalışmada
bağlayıcı faz olarak farklı oranlarda Fe ve Ni katkısının mikroyapı ve mekanik özelliklere olan
etkisi araştırılmıştır. Fe ve Ni katkıları için kritik bir oranın olduğu ve tespit edilen miktarın
üstünde katılmasının kırılma tokluğunu azalttığı tespit edilmiştir. Numunelerde en uygun Fe-Ni
içeriğine sahip kimyasal bileşim, mikroyapı ve mekanik kıstaslara göre belirlenmiştir. Deneysel
çalışmaların ikinci aşamasında en uygun kimyasal içeriğe sahip gruptan üretilen numunelere
fiziksel buhar biriktirme yöntemi (PVD) ile TiN, TiAlN, CrAlN ve TiSiN kaplamaları
uygulanmıştır. Yüzey özellikleri değiştirilen numunelerin mikroyapı (kalınlık, faz, yüzey
pürüzlüğü ve topoğrafyası), mekanik (sertlik, elastisite modülü, plastisite indeksleri) ve
tribolojik özellikleri (nano çizik ve aşınma testleri) deneysel olarak incelenmiştir. İnce film
kaplamalarda herhangi çatlak veya süreksizlik tespit edilmemiştir. Yapılan çalışmalarda en
yüksek ortalama yüzey pürüzlülüğü değerlerinin TiN kaplamada olduğu tespit edilmiştir. Üçlü
nitrür kaplamaların, TiN kaplamaya göre daha üstün sertlik, elastisite modülü ve plastisite
indeks değerlerine sahip olduğu saptanmıştır. Farklı derinliklerde yapılan nano çizik testlerinde
üçlü nitrür kaplamalar sünek davranış gösterirken, TiN kaplamanın gevrek davranış gösterdiği
tespit edilmiştir. Tüm kaplamalarda aşınma direnci alt taş malzemeye göre 1,87 ile 17,13 kat
arasında arttırılmıştır. TiN kaplamaya göre üçlü nitrür kaplamalarda aşınma direnci 2,44 ile 9,13
kat arasında iyileşme göstermiştir. En yüksek sürtünme katsayısı alt taş malzemede
gözlemlenmişken, en düşük sürtünme katsayısı TiSiN kaplamada tespit edilmiştir. TiSiN
kaplamaların diğer kaplamalara göre üstün özellikler gösterdiği tespit edilmiştir.

Abstract:
WC reinforced metal matrix composites (MMC) have a wide usage area. These materials
are one of the important materials nowadays. In this study, metal matrix composite materials
were produced by powder metallurgy method using WC, Fe, Ni, and C powders. In the first
stage of the experimental studies, the powders were homogeneously mixed subsequently axially
and cold isostatically pressed. The obtained green forms were sintered in an unpressurized argon
media. The microstructure (density, phase) and mechanical (hardness, modulus of elasticity,
fracture toughness) properties of the samples were investigated experimentally. In this study,
the effect of different amounts of Fe and Ni additives as the binding phase on the mentioned
properties were investigated. It has been determined that there is a critical ratio for Fe and Ni
additives. The excessive addition reduces the fracture toughness. The optimum chemical
composition with the Fe-Ni content was determined according to microstructure and mechanical
properties. In the second stage of the experimental studies, optimum chemical content samples
were coated with TiN, TiAlN, CrAlN, and TiSiN by physical vapor deposition method (PVD).
The microstructure (coating thickness, phase, surface roughness, and topography), mechanical
(hardness, modulus of elasticity, plasticity indexes), tribological properties (nano scratch, and
wear tests) of the coatings were investigated experimentally. No cracks or defects were detected
in the coatings. The highest average surface roughness values were found in TiN coating. It has
been determined that ternary nitride coatings perform higher hardness, modulus of elasticity,
and plasticity index values than TiN coating. It was determined that ternary nitride coatings
exhibited ductile behavior while TiN coating exhibited brittle behavior under applying loads in
nano scratch tests at different depths. The wear resistance is increased between 1.87 and 17.13
times in comparison to the substrate material. Compared to TiN coating, the wear resistance of
ternary nitride coatings improved between 2.44 and 9.13 times. The highest coefficient of
friction (COF) was observed in the substrate, while the lowest coefficient of friction was found
in the TiSiN coating. It was observed that TiSiN coatings have superior mechanical and
tribological properties compared to other coatings.