Fonksiyonel derecelendirilmiş kompozitlerin üretimi ve karekterizasyonu
Production and characterization of functionally graded composites
Yazar: İSMAİL KAYABAŞI
Danışman: DOÇ. DR. GÖKHAN SUR
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Fonksiyonel derecelendirilmiş malzemeler = Functionally graded materials ; Kırılma dayanımı = Fracture strength ; Metal matrisli kompozitler = Metal matrix composites ; Mikroyapı = Microstructure ; Sertlik = Hardness ; Yoğunluk = Density

Özet:
Bu çalışmada, toz metalürji yöntemiyle kalınlığı boyunca tabaka sayısı, tabaka içeriği ve tabakalar arası geçiş formu farklı fonksiyonel derecelendirilmiş malzeme (FDM) üretimine yönelik yeni bir üretim metodolojisi geliştirilmiştir. Bu üretim metodolojisi FDM üretiminde iki aşamalı kalıplama sürecini kullanır. Bunlardan ilki FDM'nin tabaka sayısı ve tabaka geçiş formuna uygun, ayırıcılar ve yardımcı ekipmanlarla kalıp gözleri modüler yapıda isteğe uyarlanabilen toz dolum ve pellet üretim kalıbıdır. Bu kalıp, FDM'nin her bir tabakasının toz dolum sürecini ayırıcılarla kusursuz geçiş yüzey geometrisinde elde etmeyi sağlar. Diğer kalıp ise pellet haldeki FDM'nin ısıtma ünitesi ve hidrolik presle birlikte, sabit sıcaklık ve basınç altında sinterlenmesinde kullanılır. Çalışmada, düz ve trapez (30°, 45° ve 60°) geçişli 3 ve 4 tabakalı, her bir katmanı farklı takviye oranlı FDM'ler üretilmiştir. FDM'lerin üretiminde matris malzemesi olarak ortalama tane boyutu 60 m olan AA7075 alaşaım tozu ve takviye elemanı olarak ortalama tane boyutu 40 m B4C tozları kullanılmıştır. FDM'lerde tabakaların ağırlıkça B4C takviye oranı üç tabaklılarda sırasıyla % 0-30-60, dört tabakalılarda ise sırasıyla % 0-20-40-60 oranındadır. FDM'lerin üretim sürecinde ilk aşama, toz tartım ve homojen dağılım elde etme sonrası dikey ayırıcılı kalıp hücrelerine tozun doldurulması ve bu kalıp içerisinde oda sıcaklığında 10 MPa ön şıkıştırma işlemi uygulanarak pellet FDM elde edilmesidir. Ikinci aşamada pellet haldeki FDM'ye mukavemet kazandırmak için 30 dk süre boyunca, 560C sabit sıcaklıkta, 325 MPa sıkıştırma kuvveti uygulanarak FDM üretim süreci tamamlanmıştır. Üretilen FDM'lerin karakterizasyon süreçlerinde mikroyapı incelemeleri, sertlik, yoğunluk ve çapraz kırılma dayanımları incelenmiştir.
Üretilen FDM'lerin mikroyapı incelemelerinde tabaka geçişlerinde ayrılma veya çatlak oluşumu gözlenmemiştir. Ayrıca ağırlıkça düşük takviye elemanı oranlı tabakalarda (ağırlıkça % 20 ve % 30) nispeten homojen B4C takviye elemanı dağılımı gözlenmiştir. FDM'de B4C takviye oranı arttıkça topaklanma ve gözenek miktarında artış eğilimi gözlenmiştir. Üretilen numunelerde en yüksek yoğunluk değeri 2,7057 g/cm3 ile üç tabakalı 30° trapez geçişli FDM'de ölçülmüştür. En yüksek sertlik değeri de 170 HBN ile dört tabakalı düz geçişli FDM'nin ağırlıkça % 40 B4C takviyeli tabakasında ölçülmüştür. FDM'lerin çapraz kırılma dayanımı üç nokta eğme testiyle belirlenmiştir. Bu testler FDM'nin takviye elemanı yoğun ve takviye elemanı içermeyen yüzeylerinden yapılmış olup tüm FDM'lerde takviye elemanı yoğun yüzeyin kırılma dayanımı daha yüksek çıkmıştır. FDM'ler arasında en yüksek çapraz kırılma dayanımı 629 MPa ile dört tabakalı 30° trapez geçişli FDM'de takviye elemanı yoğun yüzeyden ölçümde elde edilmiştir. Takviye miktarı yüksek tabakların kırılma yüzeyinde görülen çukurların belirginliği ve derinliğinin azaldığı, kırılmanın gevrek kırılmaya uyduğu saptanmıştır.

Abstract:
In this study, the powder metallurgy method has developed a new production methodology for producing functionally graded materials (FGM) with different layer numbers, layer content and interlayer transition form. This manufacturing methodology uses a two-stage moulding process in FGM production. The first of these is the powder filling and pellet production mould, which can be customized in a modular structure with separators and auxiliary equipment, suitable for the number of layers and layer transition form of FGM. This mould allows the powder-filling process of each layer of FGM with separators in perfect transition surface geometry. The other mould is used for sintering FGM in pellet form with the heating unit and hydraulic press under constant temperature and pressure. The study produced FGMs with 3 and 4 layers, with flat and trapezoidal (30°, 45° and 60°) transitions, with different reinforcement ratios for each layer. In producing FGMs, AA7075 alloy powder with an average grain size of 60 µm was used as matrix material and B4C powder with an average grain size of 40 µm as a reinforcement element. The B4C reinforcement ratio of the layers in FGMs is 0-30-60 %, respectively, in three layers and 0-20-40-60 % in four layers, respectively. The first step in the production process of FGMs is to fill the powder into the mould cells with vertical separators after powder weighing and obtaining homogeneous distribution and to obtain green compact FGM by applying a 10 MPa pre-compression process at room temperature in this mould. In the second stage, the FGM production process was completed by applying a pressure of 325 MPa at a constant temperature of 560°C for 30 minutes to strengthen the green compact FGM. In the characterization processes of the produced FGMs, microstructure investigations, hardness, density and cross-fracture strength were investigated.
No separation or crack formation was observed at the layer transitions in the microstructure examinations of the produced FGMs. In addition, relatively homogeneous B4C reinforcing element distribution was observed in layers with low reinforcing element ratios (20 % and 30 % by weight). As the B4C reinforcement ratio increased in FGM, agglomeration and porosity tended to increase. The highest density value of 2.7057 g/cm3 in the produced samples was measured in three-layer FGM with a 30° trapezoidal transition. The highest hardness value was measured in the 40 wt % B4C reinforced layer of the four-layer straight-through FGM with 170 HBN. The three-point bending test determined the diagonal fracture strength of the FGMs. These tests were carried out on the FGM's reinforcing dense and non-reinforcing surfaces, and the fracture strength of the dense reinforcing surface was higher in all FGMs. Among the FGMs, the highest transverse fracture strength of 629 MPa was obtained in the four-layer 30° trapezoidal FGM with the reinforcement element measured from the dense surface. It was determined that the clarity and depth of the pits seen on the fracture surface of the plates with high reinforcement amounts decreased, and the fracture conformed to the brittle fracture.