Genleştirilmiş cam, genleştirilmiş kil ve hibrit takviyeli sintaktik köpük metallerin üretimi, içyapı ve mekanik özelliklerinin incelenmesi
Expanded glass, expanded clay and hybri̇d added syntactic foam metal production, microstructure and mechanical properties analysis
Yazar: ENGİN KARAMAN
Danışman: DOÇ. DR. ALİ GÖKŞENLİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüz dünyasında teknoloji her geçen gelişim göstermekte ve bu duruma ayak uydurarak katkı sağlamanın önemi günden güne artmaktadır. Piyasa ihtiyaçlarındaki farklılıklar değişik üretim yöntemlerini araştırma yolunu açmaktadır. Köpük metaller de bu kapsamda 20. yüzyılın ortalarından itibaren çalışılmaya başlanan mühendislik malzemelerinden olup temel olarak içerisinde porozite barındırmaktadırlar. Köpük metaller baz metal yapıda dağılmış, yüksek hacimli, gaz dolu boşluklardan oluşan ve %75 ile %95 arasında değişen porozite içeren yapılardır. Düşük yoğunluklu [1], enerji absorbesi [2], ısı ve ses iletkenlikleri [3] iyi olan bu parçalar havacılık-uzay [4], otomotiv [5], gemi [6], inşaat [2], biyomedikal [7] gibi kullanım alanlarında görülmektedir. Sintaktik köpük metal kavramı da temel olarak metal köpüklerin bir alt kolu olarak değerlendirilebilir. Metal matris yapılı ve içi peteksi [8] ya da boş kürelerden [9] oluşabilen takviye partiküllerin birleşimi ile oluşan malzemelerdir. Sintaktik köpük metallerin elde edilmesindeki amaç daha düşük yoğunlukta daha iyi mekanik özelliklerin elde edilmesini sağlamaktır. Günümüzde araştırmacılar çeşitli üretim yöntemleri yardımıyla farklı matris ve takviye malzemeleri kullanarak çalışmalar yapmaktadırlar. Enerji verimliliği ve çevre dostu politikaların da son derece hızlı artmasıyla hafiflik önemli bir durum olarak göze çarpmaktadır. Bu bilgiler ışığında da sintaktik köpük metallerle ilgili çalışmalar gün geçtikçe artmaktadırBu çalışmada sintaktik metal köpük üretiminde takviye malzeme olarak genleştirilmiş cam, genleştirilmiş kil ve bu iki malzemenin karıştırılmasıyla ortaya çıkan hibrit kullanılmıştır. Matris malzeme olarak 7075 alüminyum alaşımı tercih edilmiştir. Kullanılan takviye malzemelerden genleştirilmiş cam için istif yoğunluk değeri 0,2 g/cm³, genleştirilmiş kil için istif yoğunluk değeri 1,068 g/cm³ ve matris malzeme olan 7075 alüminyum alaşımı için yoğunluk değeri 2,81 g/cm³  değerindedir. Hibrit malzemenin yoğunluğunun da yaklaşık olarak 0,65 g/cm³  olabileceğini söyleyebiliriz. Alınan numunelerde cam takviyeli metal köpük için 1,35 – 1,55 g/cm³, kil takviyeli metal köpük için 1,67-1,76 g/cm³ ve hibrit takviyeli metal köpük için 1,47-1,67 g/cm³ yoğunluk değerleri arasında olmaktadır. Yoğunluk değerlerinden de anlaşılacağı üzere metal köpük numunelerindeki saf alüminyum malzemesine göre yüksek seviyede düştüğü sonucuna ulaşılabilir.
Tez çalışması kapsamında numuneler sandviç infiltrasyon yöntemiyle elde edilmiştir. Yöntemin temelinde kalıp içerisinde serbest halde bulunan takviye malzemelerinin arasına nüfuz eden matris ve takviyelerin homojen bir şekilde dağılımı amaçlanmaktadır. Üretim sürecinde takım çeliğinden yapılmış ve takviye-matris malzemelerin konulduğu bir kalıp, kalıbın altına üzerine açılmış mikrokanallar sayesinde kalıptan hava çıkışına izin veren pul, kalıbı bir arada tutan bir kelepçe ve kalıp üstüne yerleştirilen ağırlığın kuvvet aktarımını sağlaması adına bir piston kullanılmıştır. 
790°C'ye kadar ısıtılan fırının içine kelepçeli halde kalıp, grafit potaya konulan alüminyum ve piston parçası yerleştirilmiştir. Bu kapsamda takviye malzemelerin fırında kalıp parçalarıyla aynı süre bekletildiği takdirde sinterleme görüldüğü ve takviye malzemelerin kalıba aktarımında zorluk oluşacağı için takviye malzemeler 790°C'deki fırına kalıptan 11 dakika sonra 4 dakika fırında duracak şekilde grafit potaya konulup fırına yerleştirilmiştir. Partiküllerin ön ısıtmaya tabi tutulması sayesinde eriyik haldeki alüminyumun erken katılaşmasının önüne geçilmiş olup metal köpük içerisindeki matris ve takviye malzemelerinin birleşimi iyileştirilmiştir.
Isıtma ve eritme prosesleri tamamlandığında takviye malzemeler sandviç infiltrasyon yöntemiyle eriyik alüminyum ortada kalacak şekilde kalıbın içerisine dökülmüştür. Daha sonrasında piston takviye malzeme ile temas edecek şekilde kapatılmış ve 39,98 kPa değerinde bir basınç yardımıyla parçaların nüfuziyeti sağlanmıştır. Üretim işlemleri tamamlanan parça katılaşma için belirli bir miktar soğutulduktan sonra kalıp açılarak numuneler alınmaktadır.
Her bir tipten alınan yedişer numuneden bir adedi iç yapı incelenmesi için, 3 adet T6 ısıl işlemli testlerde, diğer üç adedi de ısıl işlemsiz testlerde kullanılmak üzere hazırlandı ve tahribatlı - tahribatsız muayeneler gerçekleştirildi.
Tahribatsız muayene işleminde zımparalama ve yüzey parlatma işlemleri gerçekleştirilmiştir. Yapılan bu işlemden sonra parçanın genel görüntüsündeki homojen dağılım incelenmiştir. Mikro boyut incelemesi olarak optik mikroskop ile yapı içeriğindeki durumlar gözlemlenmiştir. Bu incelemelerin sonucunda numunelerde yoğunluğun azalmasını sağlayan döküm boşlukları görülmektedir. Bunların yanında takviye malzemelerin peteksi yapıları da gözlemlenebilmektedir.
Basma testi için hazırlanan numuneler de T6 ısıl işlemi uygulanarak hazır hale getirilmiştir. T6 ısıl işlemin adımları 480 derece fırında 3 saat bekletme, su verme ve 120 derecede 3 saat yaşlandırma işlemi ve oda sıcaklığında bekletme şeklindedir. Temel olarak yapılan ısıl işlemin parça üzerindeki etkileri karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Basma testi sonucunda her bir numune tipi için birim şekil değiştirme – gerilme değerlerini bulunduğu mühendislik grafikleri elde edilmiştir. Grafiklerin bir çıktısı olarak numunelerin plato gerilmeleri ve enerji absorpsiyon verilerine ulaşılmaktadır. Plato gerilmesi hesaplanırken ISO 13314 standartlarına uygun olarak  %20 – 30 değerleri arasındaki ortalama gerilme değeri alınarak değerler elde edilmiştir. Genel sonuç olarak yoğunluk artışıyla birlikte hem enerji absorpsiyonun da artışlar gözlemlenmektedir.

Abstract:
Mankind has been changing and enhancing throughout history, thus technology also has been developing at a dramatic rate to meet the needs of humans. Today it is a well-known fact that stringing along with the increasing trend of innovation is vitally significant. As the scope of human needs enlarges the more complex challenges merge for technology to overcome. The varying demands of different industries lead the way for further development in production methodologies and processes. Metal foams are splendid examples of products of innovation trends that arise from progress in the industry. In the middle of the 20th century, research on metal foams was initiated, and they took their place in the literature as materials those structures accommodate a high percentage of porosity. Structures of metal foams are composed of base metal and high-volume pores containing gas, dispersed across the base metal at a rate of between 75% and 90%. Enhanced mechanical and physical properties such as relatively low density, energy absorption capacity, and thermal conductivity offer metal foams a wide range of applications in different industries such as aerospace, automotive, construction, and biomedical. 
Syntactic metal foams are materials defined as a sub-group of metal foams that are produced by diffusion of reinforcing hollow spherical particles and secondary reinforcement particles having different characteristics across the metal matrix structure. The reason behind the growth of interest in syntactic metal foams is the need to obtain further enhanced mechanical properties combined with even lower density. Syntactic metal foams are defined as still under progress, owing to many different production methodologies and a variety of reinforcement materials. In today's world, as the targets for increasing energy efficiency and environmentally friendly policies continue to become prevalent at an extremely high rate, lower density becomes a much more substantial physical property to achieve in a material therefore, research on syntactic metal foams becomes wider and wider day by day.
In the present study, expanded glass, expanded clay, and a hybrid structure obtained as a combination of the expanded glass and clay are chosen to be utilized as reinforcement particles in the syntactic metal foam production process, whereas 7075 class aluminum is defined to be the base metal. Densities of expanded glass, expanded clay, and base metal 7075 class aluminum is 0,2 g/cm³, 0,3-0,5 g/cm³, and 2,81 g/cm³, respectively, while the density of the hybrid material is assumed to be 0,25-0,35 g/cm³. After the samples are produced, densities are measured. The results of measurements of expanded glass-reinforced metal foam, expanded clay-reinforced metal foam and hybrid-reinforced metal foam were 1,35 – 1,55 g/cm³, 1,67-1,76 g/cm³ and 1,47-1,67 g/cm³, respectively. The comparison between densities of base metal aluminum and syntactic metal foams has proved that the introduction of reinforcement particles having relatively lower density has resulted in a decrement in the density of specimens.
In the scope of the present thesis research, specimens were produced by the mechanical infiltration method. The basis of the method aims homogenous distribution of diffusing reinforcement particles across the base metal matrix. During the production process, a mold made of tool steel to contain reinforcement particles and base metal matrix, a shim to provide airflow inside the mold via fine holes that contain, a clamp to hold the mold together, and a piston to generate a force is utilized.
During the production process, the mold has put into the furnace that is heated up to 790°C with clamps on, with aluminum contained in a graphite melting pot and the piston. Meanwhile, it has been seen that particles diffuse into each other and make the casting process even harder as the particles stayed in the furnace at the same time for the same period therefore, reinforcement particles are put into the furnace after a while in a graphite melting pot. As all the particles were heated up to a certain level, the diffusion rate of particles into the metal matrix was improved by avoiding sudden temperature changes.
As the heating and melting processes are finalized, reinforcement particles were introduced into the mold by the sandwich methodology as aluminum is located as a layer between reinforcement particles in the mold. Later on, the piston was located onto the mold and in contact with the upper layer of reinforcement particles, to provide 19,62 N of force to enhance the diffusion of particles into the metal matrix. After diffusion is completed, the mold was taken out of the furnace and cooled down for solidification, and specimens were taken out of the mold.
In the end, seven specimens were produced from each composition. One of the seven specimens used in microstructure examination, meanwhile, three of the remaining six specimens are utilized in T6 heat treatment tests and the other three specimens used for  non-heat treatment test and destructive - non-destructive inspections were performed  with prepared samples.
Grinding and surface polishing processes were carried out into non-destructive testing procedure. After this process, as a macro-dimensional observation homogeneous distribution in the structure of the piece was examined. As a micro-dimensional control, the conditions in the structure were observed with an optical microscope. As a result of these examinations, casting voids are detected in the samples, which reduce the density. In addition to these situations, honeycomb structures of reinforcement materials can also observed.
Samples prepared fort he compression test were also made ready by applying T6 heat treatment. The steps of the T6 heat treatment are keeping the samples in the oven at 480 C° for 3 hours, quenching and aging at 120 C° for 3 hours and keep waiting at room temperature respectively. Basically, the effects of the heat treatment procedure on the part examined comparatively. As a result of the compression test, stress – strain graphics for each sample type were obtained. Plateau stresses and energy absorption datas of the samples were calculated as an output of these graphics. While calculating the plateau stress, values were obtained by taking the average stress values between 20-30 % in accordance with ISO 13314 standarts. As a general result, both energy absorption and plateau stress values increases with the increaing of density. 
The further prevalence of syntactic foam metals in the developing industry is a future situation. Both its significant contribution to density and its mechanical properties are among the parameters that we can predict that the application areas of syntactic foam metal will increase day by day. Different products can be obtained with a large number of variability in these point material parameters. Matrix material selection, reinforcement material selection, dimensions, thicknesses, production method, mixing ratios are some of these parameters and the most suitable material can vary. The fact that there are so many variables will appear as a result of the continuation of studies on syntactic foam metals.