Alümina takviyeli alüminyum matrisli sintaktik köpük malzemenin üretim karakterizasyonu ve mekanik özelliklerinin incelenmesi
The mechanical analysis and production properties of aluminium matrix syntactic foams with alumina particles
Yazar: CEM BEKAR
Danışman: DOÇ. DR. ALİ GÖKŞENLİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Gün geçtikçe teknolojinin gelişimine dayalı artan kompleks tasarım ihtiyaçları yeni malzeme arayışlarını ortaya çıkarmıştır. Hafiflik ve dayanıklılık gerektiren uygulamalarda 1950'li yıllarda başlanan çalışmalar ile köpük malzemeler adında yeni bir malzeme geliştirilmeye başlanmış, son yıllarda da sintaktik köpük malzemeler adı altında kompleks bir sınıf ortaya çıkmıştır. Konveksiyonel metallere kıyasla hafiflik sağlayan ve enerji absorbe kabiliyetine sahip olan bu malzemeler kendisine otomotiv, uzay, havacılık, inşaat gibi sektörlerde yer bulmaya başlamış ve günden güne kullanımı artmaya başlamıştır.
Metal matrisli sintaktik köpükler özellikle otomotiv ve havacılık endüstrisinde enerji verimliliğini arttırabilme potansiyeline sahiptir. Bu malzemelerin enerji absorbe kapasiteleri aynı  zamanda otomotiv ve diğer taşımacılık endüstrilerinde güvenlik ihtiyaçlarına cevap verme kabiliyetine sahiptir. Bu ihtiyaçlar belirtilen endüstrilerdeki en temel ihtiyaçlar olduğu için metal matrisli sintaktik köpüklerin ilerleyen yıllarda en çok aranan malzemeler olacağı söylenebilmektedir.
Hafiflik ihtiyaçlarının artmasıyla sintaktik köpükler yapısındaki porozite yardımıyla bu ihtiyaçlara çözümler sağlayabilir. Üretim parametrelerinin ve malzeme parametrelerinin değişimiyle birçok farklı sonuç ortaya çıkmaktadır. Literatürde mekanik özelliklerin iyileştirilmesi bu parametrelerin değişim ile sağlanmıştır. Bu çalışmada metal matrisli sintaktik köpükler alumina takviyeler ile üretilmiştir. Üretilen malzemenin yoğunlukları 1,60 – 1,87 g/cm³ aralığında çıkmıştır. Bu değer konvansiyonel 7075 aluminyumun yoğunluğu olan 2,81 g/cm³ ve alumina yoğunluğu 3,95 g/cm³ değerlerinin altındadır.
Bu çalışmada metal matrisli sintaktik köpükler 7075 aluminyum ve alumina küreler ile mekanik infiltrasyon yöntemi ile üretilmiştir. Bu yöntem basit, ucuz ve beklentileri karşılayacak düzeydedir. Üretim prosesi için tüm materyaller 800℃'ye ısıtılmıştır. Isıtılan materyaller; grafit potalar, döküm kalıbı, üst piston, alumina parçacıklar ve aluminyum olarak sıralanabilmektedir.
Isıtma prosesi ile birlikte ergiyik metalin alumina parçacıklar arasına nüfuz etme kabiliyeti artmaktadır. Çünkü düşük sıcaklıklarda döküm, ergiyik metalin istenmeyen ani donmalarına yol açabilmektedir. Isıtma prosesinden sonra ısıtılan alumina parçalar kalıp içerisine boşaltılmış ve üzerine ergiyik metal dökülmüştür. Bu işlemden sonra üst piston kapatılmış ve sisteme 49,05 N kuvvet uygulanmıştır. Ergiyik aluminyum takviye malzemelerin arasına nüfus etmiştir. Son olarak sistem oda sıcaklığında 30 dakika soğumaya bırakılmıştır. Döküm prosesinden sonra tüm örnekler, takviye malzemelerinin bitim noktasından şerit testere ile kesilmiştir. Üst kısım diğer parçaların üretimi için tekrar eritilerek değerlendirilmiş, alt kısım ise 24cm çap ve 25-30cm boy aralığında nihai sintaktik köpük metal olarak numuneler ortaya çıkmıştır.
Numuneler makro ve mikro muayene için zımparalama işlemine tabi tutulmuştur. Bu muayenede numunelerin iç yapıları incelenmiştir bunun için numuneler dik olarak şerit testere ile kesilmiştir. Yapılan muayenede sağlıklı bir infiltrasyon işleminin yapıldığı ortaya çıkmıştır. Yapıda bazı döküm boşlukları olduğu gözlemlenmiştir ancak bunlar malzemenin yoğunluğunu düşürmeye katkı sağladığı için istenen döküm boşluklarıdır. Alumina küreler incelendiğinde bazı kırık yapıdaki kürelerin içlerine ergiyik metal dolduğu görülmüştür. Bu durum lokal olarak ergiyik metal yoğunluklarını artmasına ve numunelerin birbirlerinden farklı yoğunluklara sahip olmasına neden olmuştur.
Üretim işleminden sonra bazı numuneler T6 ısıl işleme tabi tutulmuştur. Isıl işlem için öncelikle tüm numuneler 540 ℃ sıcaklıkta 16 saat bekletilmiş ardından su verme işlemi uygulanmıştır. Daha sonra suni yaşlandırma için 120℃ sıcaklıkta numuneler 24 saat bekletilmiştir.
Isıl işlemin malzeme üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bu çalışmada ortaya çıkan basma eğrileri literatürdeki tipik basma eğrileri ile paralel çıkmaktadır. Elasto plastik bölge, plato bölgesi ve ardından yoğunlaşma bölgesi gözlemlenmiştir. Elasto plastik bölgenin sonunda malzemenin basma dayanımı değerine ulaşılmaktadır. Bu çalışmada basma dayanımları ısıl işlemsiz numuneler için 20-40 MPa, ısıl işlemli numuneler için 40-80 MPa aralıklarında çıkmıştır. T6 ısıl işleminin basma dayanımını arttırdığı görülmüştür.
Isıl işlemli numunelerin basma dayanımlarının yüksek çıkmasına karşın kırılma başlangıçları %10 birim şekil değiştirme seviyeleri gibi erken seviyelerde başlamıştır. Bu kırılmalar plato bölgesinde ani düşüşlere yol açmaktadır. Bu anı düşüşler ise plato bölgesinin altındaki alanın ifade ettiği enerji absorbe kabiliyetini düşürmektedir. Plato bölgesindeki ani düşüşlerin enerji absorbe kabiliyetini düşürdüğü ifade edilebilmektedir. Isıl işlem uygulanmayan numunelerde ise kırılmalar %20 birim şekil değiştirme değerlerinde başlamış ve bu kırılmalar ısıl işlemlilerin aksine daha sünek karakter gösterdiği için basma eğrilerinde ani düşüşlere yol açmamıştır.
Metal matrisli sintaktik köpüklerin enerji absorbe kabiliyetleri basma gerilimi – birim şekil değiştirme grafiğindeki plato dayanımı ve yoğunlaşma bölgesinin karakteristiklerine bağlıdır. Numunelerin plato dayanımları 30-80 MPa aralığında çıkmıştır. Bu çalışmada enerji absorbe kabiliyeti paket program vasıtası ile plato dayanımının altındaki alan integral ile hesaplanarak elde edilmiştir. Tüm numunelerde yoğunlaşma %50 seviyesinde başlamıştır. Bu sebeple enerji absorbe kabiliyetindeki belirleyici unsur elasto plastik bölgenin sonunda ortaya çıkan basma dayanımının yüksekliği, yani plato dayanımının başlangıç seviyesi belirleyici olmuştur. Bunun sonucu olarak T6 ısıl işlem uygulanan numunelerde 28 MJ/m³ seviyelerine çıkan enerji absorbe kabiliyeti ortaya çıkmış, ısıl işlem uygulanmayan numunelerde ise 18 MJ/m³ seviyelerine dayanan enerji absorbe kabiliyeti elde edilmiştir.
Bu çalışma basma dayanımı ile yoğunluk ve plato dayanımı ile yoğunluk arasında ilişki olduğunu göstermiştir. Daha yüksek yoğunluğa sahip numunelerde daha yüksek basma ve plato dayanımları elde edilmiştir.
Özetle bu çalışma T6 ısıl işlem uygulanan numuneler ile ısıl işlemsiz numuneler arasındaki farkı, basma dayanımı, plato dayanımı, enerji absorbe kabiliyeti, çatlak tipleri, makro ve mikro muayeneler ve yoğunluk-dayanım ilişkilerini ortaya koymuştur. Bu parametereler ısıl işlem uygulanan ve uygulanmayan numuneler ile kıyaslanmıştır. T6 ısıl işlem uygulanan numunelerin daha yüksek basma dayanımı ve enerji absorbe kabiliyeti sergilediği, ancak çatlak başlangıçlarının daha erken mertebelerde gerçekleştiği ve bu deformasyonların basma eğrisinde istenmeyen ani düşüşlere neden olduğu görülmüştür. Çalışmadaki sonuçlar literatürdeki diğer sonuçlar ile kıyaslanmış ve alumina takviyeli aluminyum matrisli sintaktik metal köpüklerin endüstrinin ihtiyaçlarına mekanik özelliklerinin üretim parametreleri, malzeme parametreleri ve ısıl işlemler ile iyileştirilerek cevap verebileceği ortaya çıkmıştır.

Abstract:
The complex design needs with the development of technology have revealed searching for new materials. With the applications which require lightness and durability, a new material named foam materials was started to be developed in the 1950s and a complex class was formed under the name of syntactic foam materials in recent years. These materials, which provide lightness and energy absorption compared to convection metals, have begun to find their place in sectors such as automotive, aerospace, aerospace and construction, and their usage has started to increase day by day.
The lightweight properties of metal matrix syntactic foams can led the improve the energy efficiency especially automative and aviation industry. Their energy absorption capability also can respond the safety needs of the automotive and other transport industries. These requirements are the most basic requirements of these industries. Therefore it can be said that the metal matrix syntactic foams will be the most desirable material in the coming years.
With the incresing requirements of lightweight applications, syntactic foams can provide solutions to these needs with their porous particle materials. The changing of production properties and material parameters can give the different results. In the recent studies, improvement of mechanical properties has investigated with changing of these parameters. In this study metal matrix syntactic foam has been produced with aluminum matrix and bubble alumina particles. The density of produced specimens has investigated between 1,60 – 1,87 g/cmᶾ. This value is under the conventional 7075 aluminium density which is 2,81 g/cmᶾ and alumina density which is 3,95 g/cmᶾ.
For produce to syntactic metal foams, several production methods can be found in the literature. The only property sought in production methods is that the matrix metal can penetrate well between the alumina particles. For that reason, penetrating the molten metal between alumina particles can be provided by a force. 
In this study, metal matrix syntactic foams with 7075 aluminum matrix and bubble alumina particles were fabricated by mechanical infiltration casting. This method is simple, low cost and it was met the needs. The production system includes metal casting mold and upper piston.  In this system the needed force to filtrating the molten metal into the alumina particles is providing mechanically. In this study, 49,05 N was determined the optimal force to penetrating the molten metal between alumina particles.
For the production process, all of the materials has heated to 800℃. Materials which heated for production steps are graphite crucibles, metal casting mold and its upper piston, alumina particles, aluminum. 
With this heating process, influencing of molten metal to between the alumina particles become healthier. Because lower temperatures of molten metal can cause to unwanted solidfy abruptly. After the heating process, the heated alumina particles poured in the metal casting mold and then molten aluminum poured on the alumina particles. After that, the upper piston placed on the top of the system and 49,05 N force applied to the system. The molten aluminum influenced between the alumina particles. Endlessly, system was cooled under room temperature for 30 minutes. 
After the casting process, all of the specimens has cutted with bandsaw from the point where the alumina particles ends. The upper part which not content of any alumina particle has used to fed the aluminum melt and it was used to production of next specimens. At the end 24 cm diameter and 25-30 cm height of the specimens was produced.
Specimens were subjected to grinding process for macro and micro investigations. For the investigate inner section of the specimens, they cutted perpendicularly with bandsaw. With the macro and micro investigation of inner section of the specimens, a fine infiltration process was observed. Some casting cavities also observed but this cavities are intented because it is contributes to lower densities. Investigation of the alumina particles shows that some of the broken particles was filled with aluminum. This caused to localization of aluminum metal in some regions locally and this one is the cause of the density differences between the specimens. 
After the production, some of the specimens were subjected to a T6 heat treatment. For the heat treatment process, specimens were heated up to 540 ℃ for 16 hours, then the materials quenched. At last the quenched materials heated up to 120℃ for 24 hours. 
The impacts of heat treatment process on mechanical properties were investigated. In this study, the characteristics of compression curves was matched with typical syntactic foams strain curves. The elasto-plastic region, plateau region and densification regions was observed. End of the elasto-plastic region shows the compressive stress of the materials, in this study the compressive stress values for untreated speciens was between 20-40 MPa, for the T6 treated specimens shows the compression stress values between 40-80 MPa. Higher compressive stress values was observed for T6 treated materials.
The heat treated materials were gave better compressive stress values but the crack ignigation was started on their surface at %10 strain rates contrarirly the untreated ones. This crack ignigations has effected the compression curve with abruptly drops. This abruptly drops causes the decrease of the area for calculating energy absorption. It can be summarized that abrupt drops on pleateau region leds to decreasing of energy absorption capability. Just the opposite, on the surface of as cast specimens, crack ignigation started at %20 strain rates. They showed more ductile conditions. Their compressive curves were more flat because no abruptly drops were observed unlike the heat treated specimens. 
The energy absorption capability of metal matrix syntactic foams determines by their plateau strength and densification strain. The plateau stress of the specimens observed between 30-80 MPa. With the compression, the area under the plateau region in the stress-strain curve shows the energy absorption capability. In this study energy absorption capability calculated with the area calculation of this zone. For this energy absorption integral has used. Specimens has gave fine densification strains like %50 with heat treated and as cast materials both. Thus the higher compressive strength of heat treated specimens caused the higher energy absorption capability. The untreated specimens showed the energy absporption capability up to 18 MJ/m³ but the T6 treated specimens shows the energy absorption capabiliy up to 28 MJ/m³. Highness of starting point of the plateau strength for T6 specimens led to higher energy absorption capability.
The study showed that there is a relation between the compressive strength and density, plateau strengh and density. Higher density specimens showed higher compressive and plateau strength. This was related to the local aluminium concentration which was filled into the cracked alumina particles.
As a result, this study showed the differences between T6 heat treated syntactic foams and untreated syntactic foams. Compression strength, plateau strength, energy absorption capability, cracking types, macro and micro inner-surface investigations and density-stress relations were observed. This parameters were comparised between T6 heat treated and untreated specimens. It can be summerized that T6 heat treated specimens showed better compressive results and their energy absorption capability is higher but crack ignigation starts more early than the untreated specimens. The compression results of this study was compared with the other studies in the literature and its showed that the aluminum matrix sytactic foams with alumina particles can answer the need of the industry and their mechanical properties can be develop with changing produciton parameters, changing the material parameters, the heat treatment processes.