Alüminyum matrisli hibrit kompozit malzemelerin üretilmesi ve mekanik özelliklerin incelenmesi
Fabrication of aluminium matrix hybrid composite materials and investigation of mechanical properties
Yazar: RAMAZAN SANDAL
Danışman: PROF. DR. METİN KÖK
Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Alüminyum matrisli kompozitler = Aluminum matrix composites ; Metal matrisli kompozitler = Metal matrix composites

Özet:
İkincil alüminyum olarak adlandırılan geri dönüşüm alüminyumun kullanımı, artan enerji maliyetleri ve çevreyi koruma gibi faktörler etkisinde gün geçtikçe artmaktadır. Kullanımı tamamlanmış alüminyum malzemeler uygun koşullarda yeniden işlem görerek, ikincil alüminyumun hammaddesi olarak sisteme tekrardan sokulmaktadırlar. Bu tez kapsamında, karıştırmalı döküm yöntemi (vorteks) ile alüminyum matrisli partikül takviyeli hibrit kompozit malzemeler üretilmiştir. Matris malzemesi olarak saflaştırılmış geri dönüşüm alüminyum, takviye elemanları olarak; SiC, Al2O3, MgO, B4C ve Gr olarak beş ayrı partikül kullanılmıştır. Kompozit malzemelerin performansı, proses parametreleri ile takviye malzemelerinin doğru kombinasyonunun seçilmesine bağlıdır. Kompozit, bileşenlerinden bağımsız olarak bir araya getirilen malzemelerin özelliklerini gelişmiş bir bütünsellikte yansıtan yeni bir malzemedir.
Hibrit kompozit malzemelerin üretiminde, alüminyum matris metalinin sıcaklığı 730 °C, karıştırma hızı 700 dev/dak ve takviye elemanı ilave süresi olarak 5 gr/dak uygulanmıştır. Takviye elamanı oranı bakımından SiC tozlarının ağırlıkça %3-6 olarak ve Al2O3, MgO, B4C tozlarının %1-2 olarak Gr tozları ise %0,5 oranında ilave edilmiştir.
Üretim sonrasında, hibrit kompozitlerin mekanik ve fiziksel özellikleri incelenmiştir. Teorik ve deneysel yoğunlukları belirlenerek numunelerin içerdikleri porozite oranları hesaplanmıştır. Numunelerin kristalografik karakterizasyonlarını belirlemek amacıyla XRD analizleri yapılmıştır. Ayrıca takviye elemanlarının matris fazı içerisindeki dağılımları, oranları, bağ yapıları ve yapı içerisinde oluşan porozitelerin tespit edilmesi için mikroyapı incelemeleri yapılmıştır.  Mikro yapı incelemeleri, alüminyum matris içerisinde takviye partiküllerinin başarılı bir şekilde homojene yakın bir oranda dağılım gösterdiğini, takviye partiküllerinin matris tarafından yeteri kadar ıslatılarak, takviye elemanı ile matris arasındaki başarılı bir bağlanmanın gerçekleştiğini ortaya koymuş ve XRD analiz sonuçları bu durumu doğrulamıştır. XRD analizleri sonuçlarında takviye partiküllerinin, matris malzemesi ile yapıcı girişim yaparak çakışık pik grafikleri sergilediğini, takviye partiküllerinin uniform olarak dağılım gösterdiği belirlenmiştir.
Matris fazına ilave edilen takviye partiküllerin düzgün dağılımı ve matris fazı tarafından ıslatılmasıyla matris fazına iyi bağlanması ve matris ile takviye elemanları arasında intermetalik bileşiklerin oluşması sonucu güçlenen arayüzey bağları sayesinde numunelerin mukavemet değerleri yükselmiştir. Numune guruplarında, sertlik, çekme, eğme ve basma mukavemeti gibi mekanik özellikler artan takviye elemanlarının oranlarıyla birlikte iyileşmiştir. Sertlik değeri 35 HV olan alüminyum matrisin takviye edilmesiyle oluşan kompozitlerin sertlik değerleri 50-66 HV aralığına yükseltilmiştir. Aynı şekilde kompozit numunelerde en yüksek %35,5'e kadar çekme mukavemet artışı meydana gelmiştir.  Matrisin eğilme mukavemeti 309 MPa'dan maksimum 375 MPa'ya yükseltilmiştir. Basma mukavemet değerleri bakımından alüminyum matrisin 196 MPa iken kompozit numunelerde maksimum 424 MPa ile %116,3 oranında mukavemet artışı elde edilmiştir.
 Takviye elemanın türünün ve ağırlık fraksiyonunun değişkenlik göstermesi ile mekanik test sonuç değerlerinde gelişmiş sonuçlar elde edilmiştir. Alüminyum matris malzemesine, daha sert, daha güçlü takviye elemanlarının ilave edilmesi sonrasında, mekanik özellik değerlerinde artış meydana geldiği saptanmıştır.

Abstract:
The use of recycled aluminum, called secondary aluminum, is increasing day by day under the influence of factors such as increasing energy costs and environmental protection. Aluminum materials that have been completed to be used are re-processed under appropriate conditions and reintroduced into the system as the raw material of secondary aluminum. In this thesis, particle reinforced hybrid composite materials with aluminium matrix were produced by stir casting (vortex). Purified recycled aluminium as matrix material, as reinforcing elements; Five different particles were used as SiC, Al2O3, MgO, B4C and Gr. The performance of composite materials depends on the selection of the right combination of process parameters and reinforcing materials. Composite is a new material that reflects the properties of materials assembled independently of their components in an advanced integrity.
In the production of hybrid composite materials, the temperature of the aluminum matrix metal is 730 °C, the mixing speed is 700 rpm and the reinforcing element is added to 5 g/min. In terms of reinforcing element ratio, SiC powders were added at 3-6% by weight and Al2O3, MgO, B4C powders at 1-2% and Gr powders at 0.5%. After fabrication, the mechanical and physical properties of the hybrid composites were investigated. Theoretical and experimental densities were determined and the porosity ratios of the samples were calculated. XRD analyses were performed to determine the crystallographic characterization of the samples. In addition, microstructure examinations were carried out to determine the distribution of reinforcing elements in the matrix phase, their ratios, bond structures and porosities formed in the structure.  Microstructure investigations revealed that the reinforcement particles were successfully distributed in the aluminium matrix in a near homogeneous ratio, the reinforcement particles were sufficiently wetted by the matrix and a successful bonding between the reinforcing element and the matrix was achieved, and XRD analysis results confirmed this situation. XRD analyses showed that the reinforcement particles exhibited coincident peak graphs with constructive interference with the matrix material and that the reinforcement particles were uniformly distributed.
The strength values of the specimens increased due to the uniform distribution of the reinforcement particles added to the matrix phase and their good bonding to the matrix phase by wetting by the matrix phase and the interfacial bonds strengthened by the formation of intermetallic compounds between the matrix and reinforcement elements. The mechanical properties such as hardness, tensile, flexural and compressive strength improved with increasing reinforcements in the sample groups. The hardness values of the composites formed by reinforcing the aluminum matrix with a hardness value of 35 HV have been increased to the range of 50-66 HV. In the same way, the tensile strength of the composite samples increased up to a maximum of 35.5%.  The flexural strength of the matrix was increased from 309 MPa to a maximum of 375 MPa. In terms of compressive strength values, while the aluminum matrix was 196 MPa, a strength increase of 116.3% was achieved with a maximum of 424 MPa in composite samples.
 Improved results were obtained in mechanical test result values by varying the type and weight fraction of the reinforcing element. After the addition of harder, stronger reinforcing elements to the aluminium matrix material, it was found that an increase in mechanical property values occurred.