Partikül takviyeli alüminyum matrisli kompozit malzemelerin difüzyonla birleştirilmesi
Diffusion bonding of particulate reinforfed aluminum matrix composites
Yazar: HATİCE MOLLAOĞLU ALTUNER
Danışman: PROF. DR. AHMET TOPUZ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Alüminyum matrisli kompozitler = Aluminum matrix composites ; Difüzyon kaynağı = Diffusion welding ; Silisyum karbür = Silicon carbide

Özet:
Günümüzde alüminyum metal matrisli kompozitlerin kullanımı giderek yaygınlaşmaktadır. Bu malzemelere olan ilgi, ikincil proseslerden biri olan birleştirme yöntemlerinin araştırılmasını ve geliştirilmesini zorunlu kılmaktadır. Alüminyum matrisli kompozitlerin konvansiyonel ergitme kaynağı yöntemleri ile birleştirilmesinde karşılaşılan çeşitli sorunlar nedeni ile difüzyon ile birleştirilmelerine olan ilgi giderek artmaktadır. Difüzyonla birleştirme, sıcaklık, süre ve basıncın etkisi ile birleştirilecek malzemeler arasında difüzyon sonucunda gerçekleşen bir katı hal birleştirme yöntemidir.Bu çalışmada SiC partikül takviyeli alüminyum matrisli kompozitlerin konvansiyonel alüminyum alaşımları ile difüzyonla birleştirilmesi amaçlanmıştır. Birleştirme deneyleri öncesinde, difüzyonla birleştirme işlemlerinin gerçekleştirileceği deney cihazı ve kesme testlerinde kullanılmak üzere özel bir kesme aparatı tasarlanmış ve imal ettirilmiştir. Difüzyonla birleştirme deneylerinde %17 hacim oranında SiC takviyeli alüminyum matrisli kompozit (2124/SiC/17p) ve 380 alüminyum basınçlı döküm alaşımı kullanılmıştır. Difüzyonla birleştirme deneylerinde direkt ve ara tabakalı birleştirmeler olmak üzere iki farklı yöntem kullanılmıştır. Direkt difüzyonla birleştirme deneyleri vakum atmosfer altında 3 MPa basınç değerinde, 520, 540 ve 560°C olmak üzere 3 farklı sıcaklık değerinde, 30?60?90 dakika sürede gerçekleştirilmiştir. Aratabakalı birleştirmeler Ni ve Cu aratabaka malzemeleri kullanılarak 540°C sıcaklık değerinde 60 ve 90 dakika sürede sırasıyla 3 MPa ve 0,2 MPa basınç değerinde gerçekleştirilmiştir. Difüzyonla birleştirilen 2124/SiC/17p?380 Al malzeme çifti makroskobik incelemeye tabi tutulmuş, birleştirme kalitesini belirlemek amacıyla birleşme bölgesinin incelenmesinde ışık metal mikroskobu ve taramalı elektron mikroskobu kullanılmıştır. Ara tabaka ile birleştirilen numunelerin arayüzeylerinde oluşan difüzyon tabakaları EDS ve XRD yöntemleri ile incelenmiştir. Vickers mikrosertlik ölçümleri ile birleşme ara yüzeylerinin sertlik profilleri çıkartılmıştır. Farklı deney şartlarında difüzyonla birleştirilen 2124/SiC/17p?380 Al malzeme çiftinin birleşme dayanımı kesme testi ile belirlenmiştir. Direkt birleştirme deneylerinde 560°C sıcaklık değerinde 90 dakika sürede birleştirilen malzeme çiftinde 93 MPa kesme dayanımına ulaşılmıştır. Cu ara tabaka kullanımı Ni aratabaka kullanılan deneylere göre daha iyi sonuç vermiştir. Ara tabaka kullanılarak gerçekleştirilen difüzyonla birleştirme deneylerinde en yüksek kesme dayanımı değerine (87 MPa) 540°C sıcaklık değerinde 90 dakika sürede Cu aratabaka kullanımı ile ulaşılmıştır.Direkt ve ara tabaka kullanılarak gerçekleştirilen difüzyonla birleştirme deneylerinde en yüksek kesme dayanımının elde edildiği numune çiftleri ayrıca çekme testine tabi tutulmuştur. 560 °C sıcaklık değerinde 3 MPa basınç 90 dakika sürede direkt olarak birleştirilen malzeme çiftinin çekme dayanımı 53 MPa, 540°C sıcaklık değerinde 0,2 MPa basınç ve 90 dakika sürede Cu ara tabaka kullanılarak birleştirilen malzeme çiftinin çekme dayanımı ise 49 MPa olarak bulunmuştur.Gerçekleştirilen deneyler, 2124/SiC/17p?380 Al malzeme çiftinin direkt difüzyonla birleştirme yöntemi ile elde edilen dayanım değerlerine yakın ya da daha yüksek değerlere Cu ara tabaka kullanılarak daha düşük işlem sıcaklığında ve basıncında daha az deformasyon ile ulaşılabileceğini göstermiştir.

Abstract:
Metal matrix composites are becoming more popular as structural materials. This great interest has required investigation and optimization of the joining techniques for these materials. There has been a growing interest in diffusion bonding of Al based metal matrix composites owing to the problems that might occur during conventional welding methods. Diffusion bonding is a joining technique in which temperature, time and pressure produce, through diffusion, coalescence of the base metals being bonded.The purpose of this study was to join an Al based metal matrix composite with a conventional aluminum alloy by diffusion bonding technique. Before bonding experiments, a special bonding test machine and shear test apparatus were designed and manufactured. 17 %vol. reinforced aluminum matrix composite (2124/SiC/17p) and 380 aluminum die casting alloy were used for the diffusion bonding experiments. Two different procedures?direct diffusion bonding and diffusion bonding with an insert material?were followed. Direct diffusion bonding experiments were carried out at 520-540 and 560°C under 3 MPa pressure applied for 30, 60 and 90 minutes in a vacuum atmosphere. The diffusion bonding experiments with Ni and Cu insert materials were carried out at 540°C for 60 and 90 minutes under 3 and 0,2 MPa pressure. The diffusion bonded 2124/SiC/17p?380 Al couples were investigated macroscopically. In order to identify the bonding quality the bonding interfaces were survayed by light and scanning electron microscopes (SEM). The interfaces of the samples bonded with insert materials were also investigated by EDS and XRD analysis to identify the diffusion layers. Hardness profiles of the bonding interfaces were obtained by Vickers microhardness technique. Higher bonding strengths were achieved where Cu insert material was used instead of Ni. Bonding strengths of the samples were determined by shear tests. 93 MPa shear strength value was obtained with the direct diffusion bonding experiments conducted at 560°C under 3 Mpa pressure applied for 90 minutes.Test pieces that exhibit maximum shear strength in direct diffusion bonding and diffusion bonding with an insert material were also subjected to tensile test. 53 MPa and 49 MPa of tensile strength values were obtained with the direct diffusion bonding experiments conducted at 560°C under 3 MPa pressure applied for 90 minutes and diffusion bonding experiments with an Cu insert material conducted at 540°C under 0,2 Mpa pressure applied for 90 minutes respectively.The experiments showed that with the use of Cu insert material, similar or higher strength values than those obtained by direct difusion bonding can be obtained at lower process temperature and pressure at less deformation levels