Yönlü katılaştırılmış alüminyum alaşımlarında katılaşma parametrelerinin gözeneklilik üzerine etkilerinin incelenmesi
The effect of solidification parameters on porosity in directionally solidified aluminium casting alloys
Yazar: SELÇUK ŞİRİN
Danışman: PROF. DR. ADEM DEMİR
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Alaşımlar = Alloys ; Alüminyum = Aluminum ; Alüminyum alaşımları = Aluminum alloys ; Gözeneklilik = Porosity ; Katılaşma = Solidification ; Regresyon = Regression ; Regresyon analizi = Regression analysis ; Yapay sinir ağları = Artificial neural networks

Özet:
Alüminyum alaşımları, düşük yoğunluklu olması, yüksek korozyon direnci, mukavemetinin arttırılabilir olması elektriksel ve ısıl iletkenliklerinin yüksek olması gibi nedenlerden dolayı günümüzde oldukça yaygın bir kullanım alanına sahiptir. Özellikle son yirmi yılda otomotiv endüstrisinde araçların ağırlıklarının azaltılması ve bunun sonucu olarak performans artışı, yakıt tasarrufu sağlanması gibi avantajlardan dolayı alüminyum döküm ürünlerinin kullanımı ciddi oranda artmıştır.

Döküm yöntemiyle üretilen ürünlerde en sık karşılaşılan problemlerden biri olan gözenek oluşumu malzemeleri kullanılmaz hale getirmektedir. Yönlü katılaşmada ısı akışı tek yönlü olduğundan, bu yöntem ile sıcaklık gradyanı, bölgesel katılaşma süresi, solidus hızı gibi katılaşma parametrelerinin, mikroyapıya ve gözenek oluşumuna etkisi incelenebilmektedir.

Bu çalışmada, tek yönlü katılaşmaya uygun olarak tasarlananan bir fırın vasıtasıyla farklı katılaşma parametreleri (G, Vs ve tf) değerlerinde katılaştırılan Etial 171 alaşımında, katılaşma parametrelerinin gözenek oluşumuna etkileri incelenmiştir. Alaşımın karakterizasyonunda SEM ve spektral analiz yöntemleri kullanılmıştır. Katılaşma parametreleri değerlerinin hesaplanmasında ise kritik noktaların ölçümü için DTA ve soğuma eğrisi analizi tekniklerinden yararlanılmıştır. Numunelerde oluşan gözenek oranının ölçülmesinde Arşimet prensibine göre yoğunluk analizi metodu ve mikroskobik görüntü analiz metotları kullanılmıştır. Ölçülen en yüksek gözeneklilik oranı %1,467 ve en düşük gözeneklilik oranı %0,6049 olarak tespit edilmiştir.  Daha sonra bu parametrelerin gözeneklilikle ilişkisini anlamlandırabilmek amacıyla yapay sinir ağları ve regresyon analizi tekniklerinden yararlanılmıştır. Son olarak, regresyon analizi yöntemiyle üretilen matematiksel model, döküm simülasyon programında tanımlanmış ve modelin doğruluğunu tespit etmek amacıyla kum kalıba doğrulama numunesi dökülmüştür. Doğrulama numunesinde gözenekli bölgelerin tespiti için mikroskobik görüntü analizi ve bilgisayarlı tomografi taraması yöntemi kullanılmıştır. Bu çalışmadan elde matematiksel model, Niyama kriteri, FCC kriteri ve doğrulama numunesinden elde edilen sonuçlar ile kıyaslanmış ve Niyama ile FCC kriterine göre doğrulama numune daha uyumlu sonuçlar üretmiştir.

Abstract:
Aluminium alloys are widely used because of their low density, high corrosion resistance, wide range of strength, high electrical and thermal conductivity. Within the last 20 years, in order to increase fuel economy, performance and lower the weight automotive components aluminium is selected and used by the designers and engineers.

Porosity generation is the most common problem in aluminium casting which turns the parts into scrap. In directional solidification heat transfer is unidirectional that allows researchers to examine the effect of parameters like temperature gradient, local solidificaton time, solidus velocity on microstructure.

In this study, the observation of porosity formation in AlSi10Mg (Etial 171) alloy solidified with different solidification parameters (G, Vs and tf) with the furnace designed for directional solidification. Characterisation of the alloy has been key it out by SEM-EDS and spectral analysis methods. DTA and cooling curve analysis techniques have been used to obtain critical points for calculation of the parameters of solidification values. In order to measure the the sample porosities, density measurement were performed according to Archimedes' principle and microscopic image analysis method by ImageJ. Maximum measured porosity is %1,467 and minium measured porosity is %0,6049. Artifical Neural Network and regression analysis techniques have been used in order to ensure the relationship between the solidification parameters and the porosity results. Lastly, the mathematical model which generated by regression analyses was defined the casting simulation program. A verification sample was poured in a sand mould to ensure and determine the accuracy of the model. Determination of porosity region from the verification samples have been used by image analysis and computational tomography scan. The results from the mathematical model have been compared with Niyama Criterion, FCC criterion and verification sample. The mathematical model obtained verification sample results in this study is better than Niyama and FCC criterion.