Titanyum, zirkonyum ve bor katkılı a356 alaşımlarının termal iletkenliklerinin ve mekanik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of thermal conductivity and mechanical properties of titanium, zirconium and boron doped a356 (Al-si-mg) alloys
Yazar: ZEYNEP SUEDA BASAR
Danışman: PROF. DR. NECMETTİN MARAŞLI
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Üretim Metalurjisi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Alüminyum yer kabuğunda en yaygın olarak bulunan üçüncü element olmasının yanı sıra demirden sonra en fazla kullanılan metaldir. Teknoloji ve endüstrinin gelişmesiyle birlikte çeliğe alternatif bir malzeme olarak kullanımı yaygınlaşmıştır. Bilim adamları, günümüze kadar alüminyumun diğer kimyasal elementlerle bileşik oluşturmasının kolaylığıyla çok farklı özelliklere sahip alaşımlar geliştirebilmişlerdir. Alüminyum, beklenen özellikleri bir kombinasyon olarak bir arada sunan önemli bir mühendislik malzemesidir. Demirden üç kat daha hafif olmasının yanında yüksek dayanıma sahiptir. Yüksek şekillendirilebilirlik, mekanik özelliklerinin iyiliği, iletkenlik, ekonomik ve uzun ömürlü olması, nihai ürün prosesinin kolaylığı ve korozyon direncinin yüksek olması alüminyumun her geçen gün kullanımını arttırmaktadır. Alüminyum olmadan, modern binalar, otomotiv, havacılık, enerji, gıda ve diğer endüstrilerin geliştirilmesi düşünülemez. Günümüzde; otomotiv ve hava araçlarında %27, yapı malzemelerinde %25, elektronik ve mühendislik malzemelerinde %21, paket ve ambalaj malzemelerinde %13 ve diğer sektörlerde %14 olmak üzere geniş bir kullanım alanına sahiptir. 
xvi 
Özellikle otomotiv endüstrisinde; yüksek mekanik özelliklere sahip, korozyon direnci yüksek ve daha hafif parçalar alüminyum olmadan elde edilemez. Otomotiv ve havacılık sektöründe tasarımcılar, alüminyumun tüm avantajlarını taşıyan farklı malzeme arayışı içerisine girmişler ve sadece karbonfiberler aday olarak belirleyebilmişlerdir. Buna rağmen kompozitlerin üretim maliyetleri alüminyumdan daha yüksek olmasının yanı sıra, ek olarak karbon kompozitler bazı durumlarda gerekli güvenlik seviyesine ulaşamamıştır. Bu nedenle alüminyum otomotiv ve havacılık sektöründe vazgeçilmez bir malzeme olarak yerini almıştır. Otomotiv sektöründe yakıt tüketimi ve güvenlik en önemli kriterlerdendir. Alüminyum, hafifliğiyle yakıt tüketimini azaltmakta, mekanik özellikleri ile güvenliği sağlamakta ve yüksek korozyon direnci ile uzun ömürlülüğü birlikte sunmaktadır. Otomotiv sektöründe; kullanılan alüminyum alaşımlarının ağırlıkça %80'ini döküm parçaları oluşturmaktadır. Yüksek dökülebilirlik kabiliyetine sahip olan Al-Si-Mg alaşımları karmaşık parçaların üretiminde, yüksek mukavemet gerektiren parçalarda ise Al-Si-Cu alaşımları kullanılmaktadır. 
Alüminyum alaşımlarında malzemenin karakterizasyonunu etkileyen birçok parametre bulunmaktadır. Kimyasal bileşim ve katılaşma hızı ana etki parametrelerindedir. Tane inceltme ise mekanik özellikleri etkileyen en önemli parametrelerden birisidir. Alüminyum döküm alaşımlarında en yaygın kullanılan tane incelticiler; Al-Ti, Al-Ti-B, Al-B ve Al-Ti-C mastır alaşımlarıdır. Bunların dışında son yıllarda, Skandiyum (Sc) ve Zirkonyum (Zr)'un tane inceltmeye olan etkileri üzerinde çalışmalar mevcuttur. 
Metallerin ve metalik alaşımların ısısal ve mekanik özelliklerinin bilinmesi pek çok endüstriyel alanda önemli bir yere sahiptir. Malzemelerin sağlamlık ve performanslarının değerlendirilmesinde termal iletkenlik (k) etkin bir rol oynamaktadır. Termal iletkenlik; malzemelerin kristal yapısı, erime sıcaklığı, yoğunluğu gibi karakteristik özelliklerinden biridir. Termal iletkenlik değeri saf metallerde sıcaklığa bağlı iken alaşım metallerinde sıcaklık ve bileşenin bir fonksiyonu olarak değişir.   
Çok bileşenli alaşımlarda bileşimdeki değişim malzemenin mikroyapısını dolayısıyla termal (ısı iletkenlik, özgül ısı gibi) ve mekanik (sertlik, dayanım gibi) özelliklerini değiştirir. Bu tezin amacı; çözünürlük sınırları içerisindeki farklı 
xvii 
bileşimlerde Titanyum, Bor ve Zirkonyum elementlerini A356 (Al-Si-Mg) alaşımına katkılama yapmak ve farklı oranlarda B, Ti ve Zr katkılı A356 alaşımının ısısal iletkenliğini ve mekanik (mikrosertlik ve mikroyapı) özelliklerinin katkılıma ile değişimlerini incelemektir. Bu amaca ulaşmak için; ilk olarak A356 alaşımını vakumlu ergitme fırından eriterek sıvı halde buluna A356 alaşımına 0.9 %(ağ) Bor, 1.2%(ağ.) Titanyum ve 0.2% (ağ.) Zirkonyum katılarak katkılanmış sıvı A356 alaşımları elde edildi ve katkılanmış sıvı A356 alaşımlar sıcak döküm fırının da bulunan ve alaşımın ergime sıcaklığına kadar ön ısıtması yapılan silindirik potalara aktarıldı ve daha sonra aşağıdan yukarı doğru doğrusal katılaştırılarak tamamen katı halde alaşımla dolu numuneler üretilmiştir.  B, Ti ve Zr katkılı A356 silindirik numunelerin üretiminden sonar bu numunelerin ısıl iletkenliklerinin (K) sıcaklıkla değişimleri, mikro sertlik (HB) ve çekme-dayanımları (UTS) sırasıyla boyuna ısı akış sistemi ve standart teknikler kullanılarak ölçülmüştür. Son olarak, B, Ti ve Zr katkılı A356 alaşımlarının K, HB ve UTS değerlerinin B, Ti ve Zr katı elemanlarına bağımlılığı tartışıldı ve A356 alaşımının daha önce elde edilen K, HB ve UTS değerleri ile karşılaştırılması yapıldı.

Abstract:
Aluminum is commonly used after the iron as well as it is the third element of most common elements exists in the earth's crust. The aluminum is commonly used to be an alternative of stainless steel when industry and technology are developed. Until now scientists have been able to develop aluminum alloys have very different characteristics by considering its ability of the ease forming compounds with other chemical elements until today, Aluminum is an important engineering material which serves together a combination of the expected properties. Aluminum is also stronger as well as it is three times lighter than iron. The usage of aluminum increases day by day due to its high formability, good mechanical properties, conductivity, cost and longevity, ease of processing of the final product and high corrosion resistance. Developments of modern buildings, automotive, aerospace, energy, food and other industries are not considered without aluminum. At the moment it has a wide range usage to be 27, 25, 21, 13 and 14 % of shares in the 
xix 
automotive and aircraft, building materials, electronic and engineering materials, packaging material and other sectors, respectively. 
Especially in the automotive industry; the sections of main body which have high mechanical properties, high corrosion resistance and the lighter cannot be obtained without aluminum.  Designers in the automotive and aerospace industry have interested different materials which have advantages exactly similar with advantages of aluminum but they can only indicate that these conditions can only be satisfied by the carboniferous. However, safety level of carbon composites have not reached to required safety level in some cases as well as the production cost of composites is higher than the production cost of aluminum. Therefore aluminum is considered to be an indispensable material in the automotive and aerospace industry. In the Automotive industry; fuel consumption and safety are one of the most important criteria. Aluminum reduce fuel consumption due to its lightness, it provides safety mechanical properties and offers durability with high corrosion resistance together. The usage of aluminum in the automotive industry form castings is about 80%. Al-Si-Mg and Al-Si-Cu alloys are used to produce the complex parts and required high strength parts of automotive due to its a high cast ability and high mechanical property, respectively. 
 In aluminum alloys, there are many parameters that affect the characterization of the material. The chemical composition and the solidification rate are the main affective parameters. The grain refinement is one of the most important parameter affecting the mechanical properties. The most commonly used grain refiners in aluminum casting alloys are Al-Ti, Al-Ti-B, Al-B and Al-Ti-C master alloys. Recently, it was shown that scandium (Sc) and zirconium (Zr) can be used as a grain refinement for aluminum alloys apart from these. 
The thermal conductivity and mechanical properties of metals and metallic alloys are more important parameters in many industrial fields. Thermal conductivity (K) plays a critical role in controlling the strength and performance of materials. Thermal conductivity value is also a physical parameter such as crystal structure parameters, resistivity, entropy, melting temperature and density. The thermal conductivity of pure metals varies only with temperature, while the thermal conductivity of alloys varies with composition as well as temperature. The 
xx 
microstructures of multicomponent alloys depend on the composition of alloys. Thus, thermal properties (thermal conductivity, specific heat etc.) and mechanical properties (microhardness, tensile strength etc.) also depend on composition of multi component alloys.  
The aims of this project are to produce the Ti, B and Zr doped A356(AL-Si-Mg) alloys at different compositions of Ti, B and Zr in the limitations of solid solubility of Ti, B and Zr into solid Al and investigate the dependency of thermal conductivity and microhardness of Ti, B and Zr doped A356(AL-Si-Mg) alloys on composition of Ti, B and Zr. For this propose, firstly the A356 alloy is melted under vacuum and then x wt.% B (x= 0.9), y wt.%Ti (y= 1.2) and zwt. %Zr  (z= 0.2) were added into the molten A356 to produce B, Ti and Zr doped molten A356 alloys. Secondly, B, Ti and Zr doped molten A356 alloys were poured into cylindrical crucibles placed into hot filling furnace and preheated up to melting temperature of alloy and then directionally solidified from bottom to top to get completely full specimen.  After producing B, Ti and Zr doped A356 cylindrical specimens, the variations of the thermal conductivity (K) with temperature, the microhardness (HB) and ultimate tensile strength (UTS) for B, Ti and Zr doped A356 alloys were measured with longitudinal heat flow apparatus and standard techniques, respectively. Finally, the dependency of K, HB and UTS values of B, Ti and Zr doped A356 alloys on the doped elements of B, Ti and Zr were discussed and compared with the values of K, HB and UTS for A356 previously obtained in literature works.