Bimetal kompozitlerin metal talaşlarıyla üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of bimetal composites by metal shavings
Yazar: RIDVAN GECÜ
Danışman: PROF. DR. AHMET KARAASLAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Endüstride yüksek özgül dayanımlı malzemelere karşı giderek artan ihtiyacı karşılamaya yönelik, alaşımların mekanik özellikleri, silisyum karbür, alümina, grafit gibi seramik takviyelerle iyileştirilmektedir. Metal matrisli kompozit olarak adlandırılan bu malzemeler, otomotiv, havacılık, savunma sanayii, uzay ve enerji sektörleri, altyapı ürünleri, inşaat gibi birçok alanda kullanılmaktadır. Hafifliğin önemli faktörlerden biri olduğu bu alanlarda alüminyum, düşük yoğunluğu sayesinde en çok tercih edilen matris malzemesi olmuştur. Ancak bu tür malzemelerin eldesinde, üretim zorluğu ve yüksek maliyetlerle karşılaşılmaktadır. Ayrıca, sıvı metalin seramik takviyeyi ıslatma sorunu, matris-takviye arayüzeyinde oluşan intermetalik faz ve takviye malzemesinin kompozitin süneklik ve tokluğunu düşürmesi, kompozitin takviye oranını kısıtlamaktadır. Bu nedenle daha fazla takviye miktarı ile elde edilebilecek daha iyi özellikler sağlanamamaktadır. 
Bu çalışmada, geleneksel seramik takviyeler yerine metal takviyeler kullanılarak, matrisin süneklik ve tokluk değerlerinde kayba neden olmaksızın, mekanik özellik, aşınma dayanımı ve korozyon davranışı yönünden geleneksel kompozitlerle rekabetçi olabilecek, yüksek oranda takviye fazı içeren yeni nesil bimetal kompozit üretiminin hem ekonomik hem de çevreye duyarlı şekilde gerçekleştirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda, metal takviyeler, hurda talaşlara basınç altında şekil verilerek oluşturulan gözenekli yapıdaki preformlar vasıtasıyla kompozite ilave edilmiştir. Ergiyik haldeki matris malzemesi, preform boşluklarına infiltre edilerek kompozitin üretim süreci tamamlanmaktadır. Hurda talaşların ham madde olarak yeniden üretim döngüsüne katılması, büyük miktarda enerji tasarrufunu mümkün kılmakta ve çevre kirliliğini azaltmaktadır. Ayrıca, talaş kullanımıyla birlikte, geleneksel kompozit üretiminde dezavantaj olarak sayılan yüksek maliyetlerin de önüne geçilmektedir.
Yapılan çalışmada, A356 döküm alaşımı ve AA7075 işlem alaşımı matris malzemesi olarak, AISI 304 paslanmaz çelik ve ticari saflıkta titanyum takviye elemanı olarak, ergiyik infiltrasyonlu döküm ve sıkıştırmalı infiltrasyon ise üretim yöntemi olarak seçilmiştir. Üretilen kompozitlerin, faz, mikroyapı, arayüzey, sertlik, aşınma, korozyon ve kalıntı gerilme incelemeleri aracılığıyla, preform ön ısıtma süresi, kalıp pişirme sıcaklığı, döküm sıcaklığı, takviye oranı gibi üretimi etkileyen faktörlerin en uygun değerleri belirlenmiştir. Ayrıca, üretim sonrası, mikro-ark oksidasyonu gibi ek işlemlerle, kompozitin mikroyapı, mekanik ve tribolojik özelliklerinin iyileştirilmesi sağlanmıştır. 
Elde edilen sonuçların karşılaştırılması amacıyla, çalışma kapsamında, takviyesiz Al alaşımları ve geleneksel SiC takviyeli Al matrisli kompozitler de üretilmiştir. Hem paslanmaz çelik hem de Ti takviyeli kompozitlerde, SiC takviyeli kompozitlere kıyasla, daha iyi infiltrasyon, arayüzeyde daha iyi bir birleşme, nihai yapıda daha düşük porozite, daha iyi aşınma direnci ve daha iyi korozyon dayanımı elde edilmiştir. Buna karşın, SiC takviyeli kompozitlerin sertliği, bimetal kompozitlerden üstün çıkmıştır. Bu kompozitlerin, mekanik özelliklerdeki üstünlüğüne rağmen aşınma ve korozyon dayanımı değerlerinde zayıf kalması, sırasıyla, SiC parçacıkların yüksek kırılganlığı nedeniyle aşınma sırasında hızla parçalanmasından ve metal takviyelere kıyasla daha ince parçacık boyutu nedeniyle birim alanda korozyona duyarlı bölge miktarının artmasından kaynaklanmaktadır.
Çalışmada, ayrıca, bimetal kompozitlerde üretim sırasında oluşan intermetalik fazların (paslanmaz çelik için θ-Fe4Al13, η-Fe2Al5 ve γ-Cr2Al13; Ti için TiAl3); geleneksel kompozitlerdeki arayüzey fazlarının aksine, aşınma dayanımına olumlu etkisi olduğu görülmüştür. 
Bimetal kompozitlerin baskın aşınma mekanizmaları adhezyon ve abrazyon olarak belirlenmiş olup, aşınma yüzeylerinde ayrıca, plastik deformasyon, oksidasyon ve delaminasyona rastlanmıştır. 
Baskın korozyon mekanizmasının ise galvanik korozyon olduğu ve metal çiftleri arasında kurulan galvanik hücreler nedeniyle Al matriste oyuklanma korozyonunun gerçekleştiği tespit edilmiştir. Bimetal kompozitlerin, benzer korozyon davranışı göstermelerine karşın, şiddetli aşınma koşullarında takviyesiz Al alaşımlarından 10 kat daha dayanımlı olduğu hesaplanmıştır. 
Çalışma sonuçları değerlendirildiğinde, üretilen bimetal kompozitlerin, başta otomotiv sektörü olmak üzere, geleneksel SiC takviyeli Al matrisli kompozitlerin aşınma dayanımı gerektiren uygulama alanlarında kullanılabilirliği uygun bulunmuştur.

Abstract:
The mechanical properties of many alloys have been improved by ceramic reinforcements such as silicon carbide, alumina and graphite, in order to meet the increasing need for high specific strength materials in the industry. These materials, called as metal matrix composites, have been used in many fields such as automotive, aerospace, defense industry, space and energy sectors, infrastructure products and construction. In these areas where lightness is one of the most important factors, aluminium is the most preferred matrix material due to its low density. However, in the fabrication of such materials, production difficulties and high costs are encountered. In addition, wetting problems between the liquid metal and ceramic reinforcement, intermetallic phases formed at the interface and the reduction of the ductility and toughness of the composite restrict the reinforcement ratio. Therefore, the better properties which can be achieved with higher amount of reinforcement phase cannot be provided. 
In this study, both the economic and the environmentally friendly new generation bimetal composite production with high reinforcement phase, which can be competitive with conventional composites in terms of mechanical property, wear resistance and corrosion behavior without losing ductility and toughness of the matrix was aimed. For this purpose, metal reinforcements were added to the composite by means of porous preforms formed by shaping shavings under pressure. The molten matrix infiltrated into the preform cavities, and the production process of the composite was completed. The fact that participation of the shavings to the remanufacturing cycle as raw material enables a large amount of energy savings and reduces environmental pollution. Moreover, with the use of the shavings, the high costs, which are considered to be a disadvantage in traditional composite production, are prevented.
In this study, A356 casting alloy and AA7075 wrought alloy matrix material as matrix, AISI 304 stainless steel and commercially pure titanium as reinforcing element, melt infiltration casting and squeeze infiltration as the production method were chosen. The most suitable values of the factors affecting the production, such as preform preheating time, mold burnout temperature, casting temperature and reinforcement rate were determined by means of phase, microstructure, interface, hardness, wear, corrosion and residual stress investigations. In addition, after the production, the microstructure, mechanical and tribological properties of the composites have been improved by additional processes such as micro-arc oxidation.
In order to compare the obtained results, Al alloys without reinforcement and Al matrix composites with traditional SiC reinforcement were also manufactured. In both stainless steel and Ti reinforced composites, better infiltration compared to SiC reinforced composites, better bonding at the interface, lower porosity, better wear resistance and better corrosion resistance were obtained. However, the hardness of SiC reinforced composites was superior to bimetal composites. Rapid breakdown of SiC particles due to their high brittleness, and the increase in the amount of corrosion-sensitive zones in the unit area owing to finer particle size compared to the metal reinforcements caused decrease in wear and corrosion resistance, despite the superiority in mechanical features.
Moreover, in this study, intermetallic phase formation (θ-Fe4Al13, η-Fe2Al5 and γ-Cr2Al13 for stainless steel; TiAl3 for Ti) during production had a positive effect on wear resistance, in contrast to interfacial phase formation in conventional composites. 
The dominant wear mechanism of bimetal composites have been determined as adhesion and abrasion. Plastic deformation, oxidation and delamination wear mechanisms were also occurred. The dominant corrosion mechanism is galvanic corrosion, and it was determined that Al matrix was exposed to pitting corrosion due to galvanic cells between metal pairs. Although bimetal composites exhibit similar corrosion behavior, they are ten times more resistant than unreinforced Al alloys under severe wear conditions.
When the results of the study were evaluated, it was found that the produced bimetal composites are suitable for use in the application areas that require wear-resistant traditional SiC reinforced Al matrix composites, especially in the automotive sector.