Sürtünme karıştırma kaynak tekniği ile birleştirilen AA2124/SiCp/25 kompozit levhaların mekanik özellikleri ve mikroyapı karakterizasyonu
Mechanical properties and microstructure of friction stir butt welded AA2124/SiCp/25 composite sheets
Yazar: YAHYA BOZKURT
Danışman: DOÇ. DR. HÜSEYİN UZUN ; PROF. DR. SERDAR SALMAN
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metal Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Teknik Eğitim = Technical Education
Dizin: Kompozit malzemeler = Composite materials ; Metal kompozitler = Metal composites

Özet:
Sürtünme karıştırma kaynak (SKK) tekniği 1991 yılında merkezi İngiltere'de bulunan Kaynak Enstitüsü (TWI, UK) tarafından keşfedilen bir katı hal kaynak tekniğidir. Getirdiği yenilikler sebebiyle ergitme kaynak teknikleri ile birleştirilmesi işleminde zorluklarla karşılaşılan alüminyum alaşımlarının birleştirilmesinde ilk defa kullanılan bu teknik, günümüzde magnezyum, bakır ve alaşımları, paslanmaz çelik, titanyum, metal matrisli kompozitler gibi malzemelerin başarılı bir şekilde birleştirilmesine olanak vermektedir. Kaynak işlemi katı fazda ve ergime sıcaklığının altında yapıldığından mükemmel mekanik özellikler ve çok düşük levha çarpılması söz konudur.Bu çalışmada, AA2124/SiCp/25-T4 kompozit levhaların sürtünme karıştırma kaynak tekniği ile alın alına başarılı bir şekilde birleştirilmesi hedeflenmiştir. Birleştirme işleminde farklı takım dönme (355, 560, 900, 1120 ve 1400 dev/dak.) ve ilerleme (40, 50, 80 ve 100 mm/dak.) hızları kullanılarak birleştirme mukavemeti üzerine etkileri incelenmiştir. Birleştirme işleminde, 2? sabit takım eğim açısı kullanılmıştır. Sürtünme karıştırma kaynak tekniği ile birleştirilen AA2124/SiCp/25-T4 kompozit levhaların, mekanik özelliklerini belirlemek amacıyla çekme, eğme ve mikro sertlik testleri yapılmıştır. Mikroyapı karakterizasyonu çalışmalarında optik mikroskop, SEM ve EDS analiz tekniklerinden yararlanılmıştır. Kaynak esnasındaki ısı dağılımının nasıl değiştiğini belirlemek amacıyla kaynak merkezine 15 mm uzaklıkta hem takım ilerleme (TİY) hem de takım ierleme yönünün tersinden (TİYT) sıcaklık dağılım eğrileri oluşturulmuştur. Kaynak bölgesinde muhtemel oluşabilecek fazların belirlenmesi amacıyla XRD karakterizasyonu yapılmıştır.Deneysel çalışmalar neticesinde, SKK tekniği ile AA2124/SiCp/25-T4 kompozit levhaların alın alına başarılı bir şekilde birleştirilebildiği ve bunun sonucunda mikroyapıda dört farklı bölgenin varlığı belirlenmiştir. Bu bölgeler: (1) ana metal, (2) termo mekanik olarak etkilenen bölge (TMEB), (3) ısı tesiri altındaki bölge (ITAB) ve (4) karışım bölgesi. SKK' lı birleştirmelerde takım ilerleme hızı arttıkça mukavemet değerlerinde azalmalar meydana gelmiştir. En yüksek mukavemet değerinin 1120/40 kaynak parametresi ile yapılan birleştirmede elde edilmiş ve en düşük mukavemet değeri ise, 900/100 kaynak parametresinde yapılan birleştirme sonucunda elde edilmiştir. XRD incelemelerinde, SiC partiküllerin çevresinde bölgesel olarak Cu2FeAl7 fazının oluştuğu belirlenmiştir. SKK esnasında kompozit levhaların karışım bölgesinde yeniden kristalleşme olayı gerçekleşmiştir.

Abstract:
Friction stir welding (FSW) is a solid state joining process invented by The Welding Institute (TWI, UK) in 1991. FSW is especially suitable to join the sheet Al alloys, but now this technique allows many metals and composites including lead, magnesium, steel, titanium, zinc, stainless steels, copper and metal matrix composites to be welded continuously. Metal matrix composites such as SiC particulate reinforced Al alloy matrix. FSW are regarded as difficult to weld by fusion processes, may be welded by FSW which has several advantages over the commonly used fusion welding methods, such as low energy input, short welding time, low distortion and relatively low welding temperatures.The aim of this work is to demonstrate the feasibility of friction stir welding for joining of AA2124/SiCp/25-T4 composites sheets. In this study, the butt joining of AA2124/SiCp/25-T4 composite sheets was successfully carried out using the friction stir welding technique. Different tool rotational speeds (355, 560, 900, 1120 and 1400 rpm/min) and different tool travel speeds (40, 50, 80 and 100 mm/min.) with a constant 2° tilt angle were employed. The microstructure and microhardness changes on the welding zone were evaluated. Microstructural characterization was carried out by optical microscopy, SEM and EDS analysis. The tensile and bending tests have been performed to evaluate the effects welding parameters on mechanical properties. The thermal dissipation was determined for both advancing and retreating sides from 15 mm distance to the welding center. XRD characterization was also carried out for the determination of different phases in the weld zone.The results show that the friction stir welding can be used in the butt joining of AA2124/SiCp/25-T4 composite sheets. Four different zones of the microstructure in the welding are reported: (1) parent materials (2) heat affected zone (HAZ), (3) thermo-mechanically affected zone (TMAZ) and (4) weld nugget. It was observed that the mechanical properties of friction stir welded AA2124/SiCp/25-T4 composite decreased with increasing FSW tool traverse speed. The maximum strength was obtained for 1120/40 welding parameters whereas the minimum strength was obtained for 900/100 welding parameters. XRD investigation demonstrated that Cu2FeAl7 phase was present between SiC particulate and Al2124 matrix. The weld nugget of composite plates exhibited the recrystallization structure.