Bor nitrür ve mxene katkılı alüminyum 7075 matrisli kompozitlerin mekanik ve tribolojik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of mechanical and tribological properties of boron nitride and mxene doped aluminium 7075 matrix composites
Yazar: MUHAMMET MEVLÜT KARACA
Danışman: PROF. DR. İSMAİL ESEN ; DOÇ. DR. SAFA POLAT
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kalite Yönetimi Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Alüminyum matrisli kompozitler = Aluminum matrix composites

Özet:
Bu çalışmada, alüminyum alaşımlarının düşük sertlik ve yüksek yapışma eğilimi gibi zayıf tribolojik özelliklerini iyileştirmek amacıyla BN ve MXene (Ti3C2Tx) ile güçlendirilmiş AA7075 matrisli kompozitler geliştirilmiştir. Üretilen kompozitlerin karakterizasyonu yapıldıktan sonra mekanik, tribolojik, korozyon ve işlenebilirlik özellikleri incelenmiştir. İşlenebilirlik testleri, özel tasarlanmış ve üretilmiş bir dinamometre kullanılarak hızlı ve düşük maliyetli bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Kompozit üretimleri, toz metalurjisi yöntemiyle, BN ve MXene takviyeleri hem birlikte hem de ayrı ayrı farklı oranlarda eklenerek gerçekleştirilmiştir. Takviyeler matrise %2 ve %5 oranlarında eklenmiş, ayrıca %2 oranında her iki takviyenin bir araya getirilmesiyle sinerjik bir etki oluşturulmuştur. MXene malzemesi (Ti3C2Tx), MAX (Ti3AlC2) fazından Al tabakasının delaminasyonu ile sentezlenmiştir. Kompozitlerin karakterizasyonu için yoğunluk ve porozite ölçümleri yapılmış, ardından XRD ve SEM analizleri gerçekleştirilmiştir. Mekanik özelliklerin belirlenmesi için sertlik, basma, aşınma ve delik delme testleri uygulanmıştır. Mekanik testler sonucunda, %5 BN takviyesi ile %174, %5 MXene takviyesi ile %54 ve %2 BN + %2 MXene takviyesi ile %179 sertlik artışı gözlemlenmiştir. Aşınma testlerinde, %5 BN takviyesi spesifik aşınma oranını %48, %5 MXene takviyesi %42 ve her iki takviyenin %2 oranında eklenmesi %34 azaltmıştır. BN numunesinde ağırlıklı olarak adhezif aşınma gözlenirken, MXene numunesinde abrazif aşınma yoğunluğu dikkat çekmiştir. Ayrıca, MXene takviyesinin matriste daha fazla oksidasyon ve deformasyona neden olduğu tespit edilmiştir. Korozyon testlerinde, %5 BN takviyeli numune en yüksek korozyon direncine sahipken, %5 MXene takviyeli numune en düşük korozyon direncini göstermiştir. %2 BN + %2 MXene kombinasyonu ise saf numuneye kıyasla nispeten daha düşük bir korozyon direnci sergilemiştir. Sonuç olarak, BN takviyesinin korozyon direncini artırdığı ve aşınma oranını azalttığı, MXene'nin ise mekanik özelliklere olumlu etkisi olmakla birlikte korozyon direncini azalttığı belirlenmiştir. Bu çalışma, yenilikçi yağlayıcı partikül takviyelerinin alüminyum matrisli kompozitlerin özelliklerine etkilerini anlamada önemli bilgiler sunmaktadır.

Abstract:
In this study, AA7075 matrix composites reinforced with BN and MXene (Ti3C2Tx) were developed to improve the poor tribological properties of aluminum alloys, such as low hardness and high adhesion tendency. The composites were characterized and their mechanical, tribological, corrosion and machinability properties were investigated. The machinability tests were carried out quickly and cost-effectively using a specially designed and manufactured dynamometer. Composite fabrication was carried out by powder metallurgy method, with BN and MXene reinforcements added both together and separately at different ratios. The reinforcements were added to the matrix at 2% and 5%, and a synergistic effect was created by combining both reinforcements at 2%. MXene material (Ti3C2Tx) was synthesized by delamination of the Al layer from the MAX (Ti3AlC2) phase. For the characterization of the composites, density and porosity measurements were performed, followed by XRD and SEM analyses. Hardness, compression, abrasion and hole drilling tests were performed to determine the mechanical properties. As a result of mechanical tests, 174% hardness increase was observed with 5% BN reinforcement, 54% with 5% MXene reinforcement and 179% with 2% BN + 2% MXene reinforcement. In wear tests, 5% BN reinforcement reduced the specific wear rate by 48%, 5% MXene reinforcement by 42% and 2% addition of both reinforcements by 34%. The BN specimen showed predominantly adhesive wear, while the MXene specimen showed abrasive wear intensity. It was also found that MXene reinforcement caused more oxidation and deformation in the matrix. In corrosion tests, the 5% BN reinforced sample had the highest corrosion resistance, while the 5% MXene reinforced sample showed the lowest corrosion resistance. The combination of 2% BN + 2% MXene exhibited a relatively lower corrosion resistance compared to the pure sample. As a result, it was determined that BN reinforcement increased corrosion resistance and reduced wear rate, while MXene had a positive effect on mechanical properties but decreased corrosion resistance. This study provides important information in understanding the effects of innovative lubricant particle reinforcements on the properties of aluminum matrix composites.