Alüminyum matrisli insitu kompozitlerin üretilmesi ve yarı katı şekillendirilmesi
Production and semi-solid forming of aluminium matrix in situ composites
Yazar: TOLGA ÖZKAN
Danışman: PROF. DR. KEREM ALTUĞ GÜLER
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Alüminyum matrisli kompozitler = Aluminum matrix composites ; Kompozit yapılar = Composite structures ; Magnezyum alaşımları = Magnesium alloys ; Metal matrisli kompozitler = Metal matrix composites

Özet:
Alüminyum matrisli kompozitler yüksek mukavemet, sertlik ve aşınma direnci gibi mekanik özelliklere sahiptir. Metal matrisli kompozitlerde takviye fazının dışarıdan ilave edilmesiyle, partiküllerin matris içerisinde homojen dağılmaması ve matrisin takviye fazını ıslatamaması gibi sorunlar ortaya çıkmaktadır. İnsitu üretim yöntemiyle, takviye fazı matris içerisinde yerinde oluşturularak partiküllerin matris içerisinde homojen dağılımı sağlanmaktadır. 
Düşük üst ısılı döküm yöntemi, sıvı metalin likidüs sıcaklığının hemen üstünde dökülmesi sonrası hızlı katılaşmasını sağlar. Hızlı soğumanın etkisiyle dendritik büyüme baskılanır ve rozet tip tanelerin yoğun olarak bulunduğu sahip bir mikroyapı elde edilir. Elde edilen mikroyapı ise daha sonraki yarı katı şekillendirme proseslerine olanak sağlar. 
Bu çalışma kapsamında A356, A380, A413 alüminyum alaşımları ve AM50 magnezyum alaşımı kullanılarak alüminyum matrisli Mg2Si takviyeli kompozitlerin insitu üretimi ve yarı katı şekillendirilmesi araştırılmıştır.  
Matris olarak kullanılan A356, A380 ve A413 alaşımlarının döküm sıcaklıkları sırasıyla 650 ⁰C, 630 ⁰C ve 620 ⁰C seçilmiştir. Her matris için ağırlıkça %5, %10 ve %15 olacak şekilde AM50 magnezyum alaşımı ilave edilmiş ve çelik kokil kalıba döküm gerçekleştirilmiştir. 
Üretilen A356, A380 ve A413 matrisli kompozitler daha sonra yarı katı sıcaklık aralığında 580 ⁰C' a ısıtılıp hidrolik pres ile %50 oranında şekillendirilmiştir. Döküm halinde, suda soğutulmuş ve yarı katı şekillendirilmiş numuneler mikroyapı incelemeleri, Brinell sertlik ölçümü, aşınma ve tarama elektron mikroskobu (SEM) ile karakterize edilmiştir. 
Yapılan mikroyapısal incelemelerde mikroyapıda başarılı bir şekilde primer ve ötektik Mg2Si fazının oluştuğu görülmüştür. %15 AM50 ilave edilen kompozitlerde primer Mg2Si fazının boyutu ve sayısının arttığı görülmüştür. Oluşan Mg2Si takviye fazının kompozitlerin sertlik ve aşınma direncini artırdığı görülmüştür. Yeniden ısıtılmış ve su verilmiş numunelerde ötektik faz ve alüminyum tanelerinin incelmesiyle sertliğin döküm haline göre arttığı görülmüştür. 
En yüksek sertlik değerleri, içerdiği bakır nedeniyle oluşan Cu-MgSi intermetalikleri ve bakırın bir kısmının α-Al içerisinde çözünmesi ve katı çözelti sertleşmesi sağlaması nedeniyle A380/Mg2Si kompozitlerde elde edilmiştir. En yüksek aşınma direncinin sertlik sonuçları ile paralel olarak A380/Mg2Si kompozitlerde elde edildiği görülmüştür. En düşük aşınma oranı A380-%15 AM50 kompozitinde elde edilmiştir. AM50 ilavesi ile kompozit mikroyapısında α-Al ve ötektik yapının incelmesi ve ince Mg2Si partiküllerinin oluşmasıyla bu kompozitte 120 HB sertlik ve 0.590 (mm3/N.m)x103 aşınma oranı elde edilmiştir.

Abstract:
Aluminum matrix composites have mechanical properties such as high strength, hardness and wear resistance. In metal matrix composites, with the addition of the reinforcement phase from the outside, problems arise such as the particles not being homogeneously dispersed in the matrix. With the in-situ production method, the reinforcement phase is formed in situ in the matrix, and homogeneous distribution of the particles in the matrix is ensured.
The low-temperature casting method provides rapid solidification of the liquid metal after pouring just below the liquidus temperature. With the effect of rapid cooling, dendritic growth is suppressed and a microstructure with spherical morphology is obtained. The resulting spherical microstructure enables subsequent semi-solid forming processes.
 In this study, in-situ production and semi-solid shaping of aluminum matrix Mg2Si reinforced composites using A356, A380, A413 aluminum alloys and AM50 magnesium alloy were investigated.
Casting temperatures of A356, A380 and A413 alloys used as matrix were chosen as 650 ⁰C, 630 ⁰C and 620 ⁰C, respectively. For each matrix, 5%, 10% and 15% by weight AM50 magnesium alloy was added and permanent mold casting was performed.
The produced A356, A380 and A413 matrix composites were then heated to 580 ⁰C and shaped 50% with a hydraulic press. As-cast, quenched and shaped samples were characterized by microstructural studies, hardness and wear test, SEM.
In the microstructural examinations, it was observed that the primary and eutectic Mg2Si phases were successfully formed in the microstructure. It was observed that the size and number of primary Mg2Si phase increased in composites with 15% AM50 added.
It was observed that the Mg2Si reinforcement phase formed increased the hardness and wear resistance of the composites. In the reheated and quenched samples, it was observed that the hardness increased with the refining of the eutectic phase and aluminum grains compared to the casting state. The highest hardness values were obtained in A380/ Mg2Si composites due to the Cu-Mg-Si intermetallics formed due to the copper it contains and the dissolution of some of the copper in α-Al and solid solution hardening.
It was observed that the highest wear resistance was obtained in A380/ Mg2Si composites in parallel with the hardness results. The lowest wear rate was obtained in A380-15% AM50 composite. With the addition of AM50, a hardness of 120 HB and a wear rate of 0.590 (mm3/N.m)x103 were obtained in this composite with the refining of the α-Al and eutectic structure in the composite microstructure and the formation of fine Mg2Si particles.