Y2O3 kaplanmış Al2O3 takviyeli alüminyum matrisli kompozitlerin üretimi ve aşınma davranışlarının karakterizasyonu
Production of Y2O3 coated Al2O3 particle reinforced aluminium metal matrix composites and characterisation of its wear behaviour
Yazar: SERDAR ALTUNER
Danışman: DOÇ. DR. ERGÜN KELEŞOĞLU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Alüminyum matrisli kompozitler = Aluminum matrix composites ; Alüminyum oksit = Aluminum oxide ; Arayüzler = Interfaces ; Aşınma = Wear ; Islanabilirlik = Wettability ; Mekanik özellikler = Mechanical properties ; İtriyum oksit = Yttrium oxide

Özet:
Günümüzde havacılık sektöründe alüminyum matrisli kompozitlerin kullanımı oldukça yaygınlaşmıştır. Üretim maliyetlerinin düşmesi ile Metal Matrisli Kompozitler (MMK)'in fren rotorları, piston halkası, silindir çubukları, piston kolu, şaft gibi otomobil parçalarında da, hafif yatak rakorlarında, spor malzemesi olarak, havacılıkta ve tanklarda (tekerlek, hız freni ve fren pabuçları olarak) ve diğer endüstrilerde kullanımlarının da daha da artacağı beklenmektedir.MMK'ler yüksek özgül dayanım (dayanım/ağırlık oranı), yüksek rijitlik, ısıl dayanımları ve aşınma dirençleri nedeni ile endüstriyel ve akademik araştırmacıların ilgi odağı olmaktadır. Hem fiber hem de partikül takviyeli MMK üretimi gelişmiş durumdadır. MMK'lerden partikül takviyeli MMK'ler düşük maliyetleri, geleneksel yöntemler ile üretilebilmeleri ve izotropik özellikleri nedeni ile gelecek vaad etmektedirler. MMK'lerin üretiminde karşılaşılan en önemli problem takviyenin matris tarafından ıslatabilirliğinin zayıf olmasıdır. Islatabilirliğin iyileştirilmesi amacıyla takviyenin kaplanması, partiküllerin işlenmesi (partiküllerin oksitlenmesi) ve matris malzemesinin alaşım elemanın ilavesi (matrise Mg ilavesi gibi) en yaygın kullanılan yöntemlerdir.AA6xxx serisi alüminyum alaşımları orta sert alüminyum alaşımları olarak sınıflandırılmaktadır ve mükemmel şekillendirilebilme kabiliyetleri ile tanınmaktadır. Buna karşın havacılık sektöründe yaygın kullanılan sert alüminyum alaşımlarından AA2xxx ve AA7xxx serisi alaşımlar hem zor şekillendirilebilirlik sergilerler hem de yüksek alaşım içerikleri nedeniyle zayıf korozyon direncine sahiptirler. Bu nedenle AA6xxx Al-Mg-Si alaşımlarının takviyesi ile elde edilecek kompozitlerin sert alüminyum alaşımlarına yakın mekanik özellikler sergileyeceği bununla birlikte üretimlerinin kolaylığı ve korozyon dirençleri açısından onlardan daha avantajlı olacakları beklentisi AA6xxx serisi alaşımların matris malzemesi olarak kullanıldığı kompozitlerin araştırılmasındaki temel motivasyonu oluşturmaktadır. Bu alandaki en büyük zorluk ise matris malzemesi ile takviye elemanları arasındaki ıslatmanın teknolojik bir sorun olarak mühendislerin karşısına çıkmasıdır.Bu doktora tezinde Al2O3 partikül takviyeli AA6061 Al-Mg-Si alaşımı matrisli kompozitlerin üretilmesinde takviye malzemesinin Y2O3 kaplanması ile ıslatma kabiliyetinin arttırılması ve bu şekilde elde edilecek kompozitlerin özelliklerinin belirlenmesi hedeflenmiştir.Kompozit malzeme numuneler sıkıştırma döküm yöntemi ile üretilmiştir. Takviye oranı olarak % 5, 10, 15 ve 20 oranında partikül matris içerisine ilave edilmiştir. Al2O3 partiküllerin alüminyum ile ıslatabilirliğini iyileştirmek amacıyla takviye elemanı nadir toprak oksidi Y2O3 ile kaplanmıştır. Karşılaştırma yapabilmek için ayrıca kaplanmamış Al2O3 partikül takviyeli kompozitler ve takviyesiz alüminyum alaşımı da aynı şekilde üretilmiştir.Elde edilen kompozitlerin karakterizasyonunda ışık metal mikroskobu ve taramalı elektron mikroskobu incelemeleri yapılmıştır. Kaplanmış tozların faz analizinde ve elde edilen numunelerin faz analizlerinde XRD yöntemi kullanılmıştır. Mikroyapı içerisinde nokta analizlerinde EDS analizleri kullanılmıştır.Numunelerin mekanik özelliklerinin karakterizasyonunda Brinell sertlik ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Çalışmada kullanılan matris alaşımı alüminyum AA6061 Al-Mg-Si alaşımı AA6xxx alaşımları içerisinde en yüksek mukavemetli alaşımlardan biridir ve ısıl işlenebilir bir alaşımdır. Bu alaşımlar üretildikten sonra mekanik özelliklerini iyileştirmek amacıyla ikincil işlemlere tabi tutularak alaşımların mekanik özellikleri arttırılabilmektedir. Bu nedenle üretilen numuneler sıkıştırma dökümün ardından şekillendirme işlemine ve çökelme sertleşmesi ısıl işlemine tabi tutulmuştur. Nihai mikroyapıya kavuşturulan numuneler en son olarak aşınma testlerine tabi tutularak aşınma ve sürtünme özellikleri incelenmiştir.Numunelerin döküm mikroyapısında yapılan mikroskobik incelemelerde takviye elemanının matris içerisinde homojen olarak dağıldığı tespit edilmiştir. Hem kaplanmış tozlar ile yapılan incelemelerde hem de üretilmiş kompozit numunelerde Y2O3 tabakalarının oluşmuş olduğu ortaya konmuştur. Takviye oranının artmasıyla beraber kompozitlerin yoğunluklarının ve sertliklerinin arttığı gözlemlenmiştir. Çökelme sertleşmesi sonucunda kompozit malzemelerin sertliğinin daha da arttığı ortaya çıkmaktadır. Ball-on-disk kuru sürtünme deneylerinde artan takviye oranı ve bunun sonucu olarak sertlikteki artışla beraber sürtünme katsayısının azaldığı ve aşınma dayanımının arttığı tespit edilmiştir. Çökelme sertleşmesi sonucunda kompozit malzemelerin sertliğindeki artışla beraber aşınma dayanımları daha da artmaktadır.Sonuç olarak Al2O3 takviye elemanlarının Y2O3 ile kaplanması sonucu matris takviye yapışmasının iyileştirilebileceği, bu şekilde geleneksel yöntemlerle üretilen alüminyum matrisli kompozitlerde mekanik özelliklerin daha da iyileştirilmesinin mümkün olduğu ortaya konmuştur.

Abstract:
Recently, usage of aluminium matrix composites has become widespread in aero industry. It is expected that usage of metal matrix composites (MMCs) will increase with reducing production costs in other industries like automotive industry as break rotors, rings, cyclinder lines, pin rods, shaft, and light roller bearings, sports industry as sports materials and defence industry as tanks (tire, speed brake and break shoe assembly). In last decades, industrial and academic researchs have focused on these materials owing to their high specific strength (strength/weight ratio), high stiffness, high heat resistance and wear resistances.In recent years, both fiber and particulate reinforced MMC production has been developed. Especially particulate reinforced ones have shown a lot of promises because of their low cost, production abilities with traditional methods and isotropic properties. The most important problem has been faced during producing MMCs is poor wettability of reinforcement particles by the matrix alloys. In order to improve wettability, the most popular methods are coating of the particles, treatment of particles(oxiding of particulate) and adding of an alloy element to the matrix alloy (Mg addition to matrix).AA6xxx serie aluminium alloys are classified as mid-severe aluminium alloys and also identified with excellent formability. However AA2xxx and AA7xxx series alloys of severe aluminium alloys, which are used widespread in aerospace industry, perform difficult formability as well as poor corrosion resistance because of their high alloying element contents. Therefore it is expected that composites obtained by addition of reinforcement particles into the AA6xxx Al-Mg-Si alloy matrix perform mechanical properties near to severe Al alloys. It is also expected that AA6xxx alloy composites will have other advantages like easier production and higher corrosion resistance. These expectations would be our main purpose to investigate AA6xx serie alloys matrix composites. However, there is an important difficulty for production of these materials of which is the wettability problem between the matrix alloy and reinforcement particles.In this Phd. thesis, improving the wettability of the reinforcement particles by the matrix alloy by coating them with rare-earth oxide- Y2O3 and characterization of the composites reinforced by these particles were aimed.Composite samples with 5, 10, 15 and 20% volume fractions were produced by squeeze casting method. AA6061 Al-Mg-Si marix alloy were reinforced by Al2O3 particles. In order to improve the wettability of the reinforcement particles by the matrix alloy, particles were coated with Y2O3. To make a comparison, uncoated Al2O3 particulate reinforced composites and base aluminium alloys were produced by the same method. Samples were investigated by light microscope and scanning electron microscope (SEM) equipped with EDS unit. Phase analysis of both coated particles and composite samples were carried out by XRD method.In order to determine the mechanical properties of the samples, Brinell hardness measurements were carried out. In this study, AA6061 Al alloy, which has the highest strength and heat-treatable alloy of AA6xxx alloys was used. Mechanical properties of these alloys can be improved by secondary treatments after production. Therefore produced samples were processed with secondary treatments like rolling and ageing after squeeze casting. The samples, which have final microstructure, were subjected to dry sliding wear tests in order to determine sliding and wear properties.Microstructurel investigations of the as-cast composites showed that the distrubition of the reinforcing particles were homogeneous. The formation of Y2O3 on the particles was proved by XRD analysis.It has been observed that density and hardness of composites have been increased with increasing reinforcement ratio. As a result of ageing hardness, the hardness of the material was increased in comparation with as-cast material.Dry sliding tests with ball-on dics method showed that hardness and wear strength of the composite samples are increasing while wear coefficient is decreasing with increasing volume fractions.As a result, it has been observed that wettabilityof the reinforcement particles has been improved coating with Y2O3. Hence, it was shown that mechanical properties of aluminium matrix composites produced by traditional methods can be improved by this technique.