WE43 Mg matrisli nanopartikül B4C katkılı kompozit malzemelerin toz metalürjisi yöntemiyle üretimi ve mekanik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of WE43 Mg matrix B4C nanoparticles reinforced with production method by powder metallurgy and mechanical properties of composite materials
Yazar: UFUK TAŞCI
Danışman: PROF. DR. BÜLENT BOSTAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Magnezyum ve alaşımları düşük yoğunluk, yüksek mukavemet-ağırlık oranı, yüksek termal iletkenliği, titreşim sönümleme kapasitesi ve geri dönüştürülebilirlik gibi özelliklere sahiptir. Hafif olmalarından dolayı havacılık, otomotiv ve uzay endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Magnezyum ve alaşımlarının bu şekilde üstün özellikleri sergilemesinin yanı sıra daha az aşınma direnci, zayıf korozyon direnci, yüksek sıcaklıkta daha az mukavemet, düşük süneklik ve elastisite modüle sahip olmaları ise zayıf özellikleridir. Bu özellikleri geliştirmek için deneysel çalışmalarda nadir toprak elementleri içeren WE43 (Mg–4.2Y–2.5Nd–1Gd–0.6Zr) magnezyum alaşımına spark plazma sinterleme ve sıcak presleme yöntemleri kullanılarak ağırlıkça %0,5 ve 2 oranlarında nano bor karbür takviyesi yapılmıştır. Küresel formdaki matris tozlarının morfolojisini değiştirmeden seramik partiküllerin homojen dağıtılması amacıyla yüksek enerjili atmosfer kontrollü 3 boyutlu karıştırıcı cihazın tasarımı ve üretim işlemi gerçekleştirilmiştir. Başlangıç kompozit tozlar üretilen cihaz kullanılarak, inert ortamda 1/5 toz bilye oranı 300 rpm' de 240 dakika sürede karıştırma işlemine tabi tutulmuştur. Hazırlanan başlangıç kompozit tozları üzerinde her iki yöntem kullanılarak deney numunelerinin üretimi yapılmıştır. Sırasıyla sıcak presleme ile 525 °C' de 350 MPa yük altında 60 dakika sinterleme süresi, spark plazma sinterleme yönteminde ise, 525 °C'de, 35 MPa yük uygulanarak 6 dakika sinterleme süresi uygulanarak deney numuneleri üretilmiştir. Her iki yöntem ile üretilen tüm numunelere sertlik, çapraz kırılma dayanım ve aşınma testi uygulanmıştır. Testler sonucunda sertlik, çapraz kırılma dayanımı ve tribolojik özellikleri gibi en iyi mekanik özellikler spark plazma sinterleme ile üretilmiş numunelerde tespit edilmiştir. En yüksek çapraz kırılma dayanım test sonucu 440,56 MPa ya sahip WE43+%2 nB4C numunesinde olduğu belirlenmiştir. En düşük spesifik aşınma miktarı ise yine spark plazma sinterleme ile üretilmiş WE43+%2 nB4C numunesinde olduğu görülmüştür. Artan seramik partikül takviye oranına bağlı olarak sertlik ve çapraz kırılma dayanım sonuçlarında artış olduğu tespit edilmiştir. Tribolojik özelliklerde benzer şekilde artan takviye oranına bağlı olarak sürtünme katsayısında ve aşınma oranında azalma belirlenmiştir.

Abstract:
Magnesium and its alloys have properties such as low density, high strength-to-weight ratio, high thermal conductivity, vibration-damping capacity and recyclability. Due to their lightweight, they are widely used in the aerospace, automotive and space industries. Despite such properties, magnesium and its alloys have less wear resistance, poor corrosion resistance, less strength at high temperatures, low ductility and modulus of elasticity. To improve these properties, 0.5% and 2% by weight nano boron carbide reinforcement were applied to WE43 (Mg–4.2Y–2.5Nd–1Gd–0.6Zr) magnesium alloy containing rare earth elements, using spark plasma sintering and hot pressing methods. To distribute the ceramic particles homogeneously without changing the morphology of the spherical matrix powders, the design and production process of a high-energy atmosphere-controlled 3D mixer device was carried out. Using the device for which the initial composite powders were produced, a 1/5 powder ball ratio was subjected to mixing at 300 rpm for 240 minutes in an inert environment. The prepared composite powders were produced by using both methods. Samples were produced by hot pressing at 525 °C under 350 MPa load and 60 minutes of sintering time. In the spark plasma sintering method, a sintering time of 6 minutes was applied at 525°C by applying a load of 35 MPa. Hardness, cross-fracture strength and abrasion tests were applied to all samples produced by both methods. As a result of the tests, the best mechanical properties, hardness, cross-fracture strength and tribological properties were determined in the samples produced by spark plasma sintering. It was determined that the highest cross-fracture strength test result was in the WE43+2% nB4C sample with 440.56 MPa. The lowest specific wear amount was observed in the WE43+2% nB4C sample, which was also produced by spark plasma sintering. It has been determined that there is an increase in the hardness and cross-fracture strength results depending on the increasing ceramic particle reinforcement ratio. Similarly, a decrease in friction coefficient and wear rate was determined depending on the increasing reinforcement ratio in tribological properties.