Al-6082 alaşımının mikro ark oksidasyonunda elektrolit katkısı olarak karbon nanotüpün etkileri
The effects of carbon nanotube as electrolyte additive in micro arc oxidation of 6082 aluminum alloy
Yazar: YAKUP YÜREKTÜRK
Danışman: DOÇ. DR. MURAT BAYDOĞAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Alüminyum = Aluminum ; Aşınma dayanımı = Wear resistance ; Mikrosertlik = Microhardness

Özet:
Alüminyum, sahip olduğu 2.7 g/cm3lük yoğunluğu ile demir, çelik, titanyum gibi yapısal malzemeler arasında en hafif metallerden biridir. Bu hafifliği sayesinde başta otomotiv ve havacılık sektörü olmak üzere birçok sektörde kullanılan alüminyum alaşımlarının özellikle ağırlık tasarrufunun önemli olduğu bilgisayar, telefon gibi günlük kullanım alanları oldukça fazladır. Alüminyum alaşımları sahip oldukları yüksek korozyon direnci, yüksek işlenebilirlik ve yüksek ısıl iletkenlik özellikleri ile tercih sırasında öncelikli öneme sahip malzemelerdir. Bu özelliklerinin yanısıra, alüminyum alaşımları geri dönüşebilme, tasarımlarındaki ağırlığın azaltılmasına bağlı olarak yakıt tüketimini azaltarak tasarruf sağlayabilme ve dolayısıyla havaya bırakılan zaralı egzoz gazını azaltma özellikleriyle de çevre dostu malzemelerdir.
Alüminyum alaşımları mekanik ve korozyon özellikleri bakımından birçok iyi özellik göstermesine rağmen düşük yüzey sertliği ve düşük aşınma direnci alüminyum alaşımlarının bazı uygulama alanlarında kullanımı açısından problem teşkil etmektedir. Çünkü bu dezavantajlar alüminyum alaşımları ile yapılan parçaların kullanım ömrünü azaltmaktadır. Yapılan araştırmaların gösterdiği üzere bu problemlerin aşılabilmesi ancak çeşitli yüzey işlemleri ile mümkün olabilmektedir.
Günümüzde alüminyum alaşımlarında görülen düşük yüzey sertliği ve aşınma direnci problemlerinin çözümü için mikro ark oksidasyon, anodizasyon, sol-jel, fiziksel buhar biriktirme, kimyasal buhar biriktirme gibi pek çok kaplama teknolojisi mevcuttur. Bu yüzey kaplama teknolojileri içerisinde mikro ark oksidasyon teknolojisi son yıllarda sürekli gelişme göstererek, gerek ekonomik gerekse çevre dostu bir teknoloji olmasıyla önemli bir yere sahiptir. Bu teknoloji sayesinde her türlü alüminyum alaşımı kolay bir şekilde kaplanabilmekte, üstün yüzey özellikleri sağlanabilmektedir. Mikro ark oksidasyon teknolojisi temel olarak geleneksel anodik prosesine benzemekle beraber gerek işlem parametreleri gerekse uygulanan yüksek voltaj/akım ile birlikte sağlanan iyi özellikler bakımından geleneksek anodik oksidasyon metodundan ayrılmaktadır.
Mikro ark oksidasyon işlemi yüzeyde kontrollü oksit tabakası oluşumu sağlayan bir işlemdir. Bu işlem elektrolit içerisine batırılmış anot numuneye negatif voltaj, katoda ise pozitif voltaj uygulanması ile malzeme yüzeyinde ark oluşturma prensibine dayanır. Oluşan bu arklar sayesinde numune yüzeyinde oksit tabakası oluşur. Mikro ark oksidasyon süreci, anoda negatif voltaj uygulaması ile başlar ve uygulanan voltaj kritik bozunum voltajı (dielectric breakdown) değerini aştığında malzeme yüzeyinde ark oluşumu şeklinde olur. Mikro ark oksidasyon metodunda elektrolit olarak çevre dostu alkali esaslı elektrolitler kullanılır. Bu yöntem sayesinde istenilen düzeyde oksit tabakası kalınlığı, sertliği, porozite oranı ve yapışma kuvveti gibi özellikler uygun işlem parametreleri seçilerek nispeten düşük maliyette kaplamalar elde edilebilir. Bu yönüyle mikro ark oksidasyon teknolojisi birçok diğer teknolojiye kıyasla avantajlı bir görünüm ortaya koymaktadır. Alüminyum alaşımlarının mekanik özellikleri, korozyon ve aşınma dirençleri mikro ark oksidasyon sayesinde yüzeyde oluşturulan seramik filmleri ile geliştirilebilmektedir.
Bu çalışmada 6082 kalite Al alaşımına elektrolit içeriğinde karbon nanotüp ilaveli/ilavesiz olarak mikro ark oksidasyon işlemi uygulanmış ve bu işlem sonunda oluşan oksit tabaka halindeki kaplamanın yüzey özelliklerine, mekanik özelliklerine çeşitli işlem parametrelerinin etkisi incelenmiştir. 6082 kalite alüminyum alaşımının mikro ark oksidasyonunda alüminat esaslı bazik elektrolitlere 400 V-80 V ve 300 V-60 V (pozitif-negatif voltaj) olarak iki farklı voltaj uygulanmıştır. Voltaj kontrollü olarak gerçekleştirilen mikro ark oksidasyon proseslerinde pozitif/negatif voltaj uygulanma süresi ile bu süreler arasındaki bekleme süresi parametreleri sabit tutularak, pozitif/negatif voltaj değerleri, karbon nanotüp miktarı, elektrolit bileşimi ve işlem süresi değiştirilmiştir. Alüminat esaslı elektrolitlere karbon nanotüp ilavesi/ilavesiz yapılarak, 6082 kalite alüminyum alaşımına mikro ark oksidasyon işlemiyle oluşturulmuş oksit tabakası ile kaplı numunelerin mikro yüzey incelemeleri, kesit incelemeleri, kaplama kalınlığı ölçümleri, yüzey pürüzlülüğü ölçümleri, yüzey porozite yüzde hesaplamaları, mikro sertlik ölçümleri, X-ışınları difraksiyonu (XRD) analizleri, , aşınma testleri yapılmıştır.
Deneysel çalışmaların sonuçları irdelendiğinde; yüksek voltaj ile yapılan mikro ark oksidasyon işleminde karbon nanotüp ilavesinin genel olarak kaplama kalınlığını azalttığı görülürken, düşük voltaj ile aynı sürede yapılan karbon nanotüp ilaveli mikro ark oksidasyonda belirli bir karbon nanotüp miktarına kadar kaplama kalınlığının arttığı, daha sonra azaldığı tespit edilmiştir. Yapılan pürüzlülük incelemelerinde, aynı voltaj altında mikro ark oksidasyon işleminde artan karbon nanotüp ve süreyle birlikte pürüzlülük değerlerinin de arttığı gözlemlenmiştir. Gerek yüksek voltaj, gerekse düşük voltaj ile yapılan mikro ark oksidasyon işlemlerinde artan karbon nanotüp miktarı ile birlikte porozite yüzdesinin azaldığı görülmüştür. Mikro ark oksidasyon uygulanmış karbon nanotüp ilaveli numunelerin aynı voltajda karbon nanotüp ilavesiz numunelere kıyasla sertliğinin arttığı; farklı voltaj aynı karbon nanotüp miktarında ise düşük voltaj ile yapılan mikro ark oksidasyonda sertliğin azaldığı görülmüştür. XRD analizleri sonucunda gerek karbon nanotüp ilaveli, gerekse karbon nanotüp ilavesiz alüminat esaslı elektrolitlerde oluşan kaplamaların aynı şekilde ?-Al2O3, ?-Al2O3 ve Al fazlarını içerdiği saptanmıştır. Elektrolitlere değişik konsantrasyonlarda karbon nanotüp ilave edilmesi yeni bir faz oluşturmamış sadece oluşan fazların pik şiddetlerinde artma ya da azalmaya neden olmuştur. Aşınma testlerinde, yüksek voltaj ile yapılan mikro ark oksidasyon işlemlerinde karbon nanotüp ilavesi bağıl aşınma direncini artırdığı görülürken, düşük voltaj ile yapılan mikro ark oksidasyon işlemlerinde karbon nanotüp ilavesinin bağıl aşınma direncini azalttığı görülmüştür.
Sonuç olarak, alüminat esaslı elektrolitlere hem yüksek voltajda hem de düşük voltajda karbon nanotüp ilavesi yapılması yapıdaki poroziteyi azaltmış, mikro sertliği artırmış böylece daha sert ve kompakt kaplamalar elde edilmiştir.

Abstract:
Aluminum, with the density of 2.7 g/cm3, is one of the lightest metals among constructional materials such as iron, steel and titanium. With this lightweight, aluminum alloys are used in many places especially in the automotive and the aerospace industry. In addition, they are used in the applications where weight saving is an important factor such as computer and phone applications in daily use. Aluminum alloys, which have high corrosion resistance, high workability and high thermal conductivity, are priority materials instead of other alloys. Furthermore, aluminum alloys are environmentally-friendly and recyclable materials and also reduction in weight of these materials decrease the fuel consumption thereby reducing harmful exhaust gases.
Although aluminum alloys have lots of good features in terms of mechanical and corrosion properties, low surface hardness and low wear resistance are substantial problems for the use of some application areas of these materials. These disadvantages reduce the useful life of parts made of aluminum alloys. However, as it indicated by the researches, it is possible to overcome these problems with various surface treatment methods.
Nowadays, the low surface hardness and wear resistance problems of aluminum alloys can be solved by vast methods including micro arc oxidation, anodization, sol-gel, physical vapor deposition, and chemical vapor deposition. Among these surface technologies, the micro arc oxidation technology showing the continuous growth on research and development is more economical and more environmentally friendly than other technologies. Thanks to the micro arc oxidation technology, all kinds of aluminum alloys can be coated easily and superior surface properties can be achieved with this technology. Basically, micro arc oxidation technology are similar to conventional anodic process, but micro arc oxidation method is not familiar with conventional anodic oxidation method in terms of the process parameters and the applied high voltage / current providing good features.
Micro arc oxidation is a controlled formation of oxide layer on the surface treatment. A typical micro arc oxidation apparatus consists of high power supply unit, cooling water, mixer, electrolyte bath, anode (aluminum alloy), thermometer and cathode (stainless steel container). In principle, a negative voltage is applied to the anode and a positive voltage is applied to the cathode in the electrolyte thereby consisting micro arc on the surface of the material. With these arcs, the oxide layer on the surface of the sample takes place. Micro arc oxidation process starts with application of negative voltage applied to the anode and when the applied voltage exceeds the value of the dielectric breakdown voltage, the formation of arc on the surface of the material is observed. Micro arc oxidation known as plasma electrolytic oxidation is performed by using environmentally friendly alkali-based electrolytes. In this manner, micro arc oxidation method is more advantageous than others when comparing many other methods. Thanks to the micro-arc oxidation, the desired level characteristics including oxide layer thickness, hardness, porosity ratio and the adhesive force can be obtained by selecting the appropriate process parameters. The cost of coating can be easily reduced relatively contrary to other production methods by this oxidation methods? appropriate process parameters. The mechanical properties such as corrosion and wear resistances of aluminum alloys can be improved by micro arc oxidation process with forming on the surface of ceramic films.
In this study, 6082 aluminum alloy was micro arc oxidized in an alkaline solution with or without carbon nanotube addition into the electrolyte. As a result of this process, formed oxide layer coating was investigated regarding the effect of various process parameters, which effect surface properties, mechanical properties of the coating. 6082 aluminum alloy was micro arc oxidized by two different voltage values, which were chosen 400 V- 80 V (positive voltage-negative voltage) and 300 V- 60 V (positive voltage-negative voltage), in the aluminate-based electrolytes. During the micro arc oxidation processes controlled by the voltage, the time of the application of positive / negative voltages, and the waiting time between these periods were kept constant. Positive / negative voltage values, amount of carbon nanotubes, electrolyte composition, and the processing time were changed. 6082 Al alloy samples, which were formed with the oxide layer by micro arc oxidation process with or without carbon nanotube addition into the aluminate-based electrolytes and micro surface examinations, cross-sectional examinations, coating thickness measurements, surface roughness measurements, percentage of surface porosity calculations, micro hardness measurements, X-ray diffraction (XRD) analysis, and wear tests were applied on these micro arc oxidized samples.
When the results of the experimental studies evaluated; generally, coating thickness decreased with the increasing carbon nanotube amount for high voltage applied micro arc oxidation process. However, for low voltage applied micro arc oxidation process with the same time, coating thickness increased up to a certain amount of carbon nanotube, then coating thickness reduced with increasing carbon nanotube. Under the same voltage for micro arc oxidation process, the roughness values increased with the increasing carbon nanotube amount and the time. The percentage of porosity decreased with increasing the amount of carbon nanotube in the applications of high voltage and low voltage applied micro arc oxidation process. Micro arc oxidized samples with the addition of carbon nanotube into the electrolyte were found to be more hard than micro arc oxidized samples without carbon nanotube addition into the electrolyte with the same voltage. Amoung the micro arc oxidized samples, which were treated by the same amount of carbon nanotube and different voltage, hardness was observed to be less at low voltage than its value at high voltage. As a result of XRD analysis, -Al2O3, -Al2O3 and Al phases were found for each of the coated samples by micro arc oxidation in the aluminate-based electrolytes with or without carbon nanotube. The addition of different amounts of the carbon nanotube in the aluminate-based electrolytes varied by concentrations did not make out a new phase but it caused peak intensity of the same phases decrease or increase. As a result of the wear tests, relative wear resistance increased with the addition of carbon nanotube into the electrolyte for high voltage applied micro arc oxidized samples. However, relative wear resistance decreased with the addition of the carbon nanotube amount into the aluminate based electrolytes for low voltage applied micro arc oxidized samples.
In conclusion, porosity of the structure decreased with the addition of the carbon nanotubes into the aluminate based electrolytes in which the micro arc oxidized samples at low voltage or high voltage presented. Furthermore, micro hardness increased with the addition of the carbon nanotubes into the aluminate based electrolytes for both high voltage applied micro arc oxidation process and high voltage applied micro arc oxidation process. Briefly, with the addition of carbon nanotubes, more rigid and compact coatings were obtained by micro arc oxidation process.