Deniz araçlarında kullanım potansiyeline sahip fonksiyonel derecelendirilmiş TiB2/Al-Si kompozitlerin üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of functional graded composites TiB2/Al-Si with potential for use in marine vehicles
Yazar: HASAN CEVHER
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ İLKNUR KESKİN ÖNER ; PROF. DR. ÖMER SAVAŞ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering

Özet:
Alüminyum alaşımları, düşük yoğunlukları ve yüksek mekanik özellikleri sayesinde otomotiv, havacılık ve denizcilik sektörlerinde yoğun talep görmektedir. Bu durum, alüminyum ve alaşımlarını demir esaslı malzemelerden sonra en çok kullanılan malzemeler arasına sokmuştur. Ancak, aşınma dirençlerinin düşük olması nedeniyle bu alaşımlar, aşınmaya maruz kalan makine parçalarında sınırlı kullanılmaktadır. Alüminyum alaşımlarının tribolojik, korozyon direnci ve mekanik özellikleri, Al2O3, SiC, TiB2, TiC ve ZrC parçacıklarının eklenmesiyle iyileştirilerek fonksiyonel derecelendirilmiş kompozitler elde edilebilir. Bu kompozitlerin en büyük sorunlarından biri, artan takviye oranı ile birlikte gevrekleşmesi ve kırılma tokluğunun önemli ölçüde azalmasıdır. Fonksiyonel derecelendirilmiş malzemeler, yüksek yüzey aşınma direnci ve yeterli iç kırılma tokluğu gerektiren mühendislik uygulamaları için özel bir performans sunar. Kırılma tokluğu, şekillendirme kabiliyeti, kaynak yapılabilirlik, korozyon dayanımı, yüksek sıcaklık dayanımı, düşük yoğunluk, yüksek aşınma dayanıklılığı, yüksek ısıl ve elektrik iletkenliği özellikleri, bu kompozit malzemeleri özellikle denizcilik sektörü için cazip hale getirmektedir. Bu çalışmada, fırkateynler ve denizaltılarda kullanılma potansiyeline sahip fonksiyonel derecelendirilmiş TiB2/Al-%4Si kompozitinin savurma döküm yöntemi ile üretilmesi, korozyon ve aşınma davranışlarının incelenmesi amaçlanmıştır. İlk olarak, 1200ºC'de Al-Ti-B-Si çözeltisi oluşturulmuş, ardından sıcaklık 800ºC'ye düşürülerek Al-Si ergiyi içinde TiB2 partikülleri doğrudan sentezlenmiştir. Eriyik, savurma mekanizmasıyla merkezkaç kuvveti altında katılaştırılmıştır. Üretilen kompozitlerin karakterizasyonu, optik mikroskop, SEM (taramalı elektron mikroskobu) ve XRD (X-ışını difraksiyonu) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, kompozitlerin yoğunlukları ölçülmüş, sertlik değerleri belirlenmiş, aşınma direnci ve korozyon dayanımları incelenmiştir. Aşınma testleri, kuru kayma ortamında farklı yük, kayma hızı ve kayma mesafelerinde oda sıcaklığında yapılmıştır. Korozyon testleri ise deniz koşulları dikkate alınarak %3,5 NaCl çözeltisi içinde Tafel ekstrapolasyon yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. Deneysel tasarım, az sayıda deney ile genel perspektifin anlaşılabilmesi için Taguchi tekniği kullanılarak yapılmıştır. Sonuçlar, kompozitin TiB2 ile güçlendirilmemiş iki farklı bölgeye sahip olduğunu göstermiştir. TiB2 bakımından zengin bölgelerde takviye oranının ağırlıkça %20 olduğu belirlenmiştir. Ayrıca, Al-Si alüminyum alaşımına ilave edilen TiB2 partikülleri ile sertlik değerinin 52 HB'den 103 HB'ye yükseldiği tespit edilmiştir. Sonuçlar, TiB2 partiküllerinin kompozitlerin aşınma ve korozyon özelliklerini geliştirdiğini de ortaya koymuştur.

Abstract:
Aluminum alloys are in high demand in the automotive, aviation and marine industries thanks to their low density and high mechanical properties. This has made aluminum and its alloys among the most used materials after iron-based materials. However, due to their low wear resistance, these alloys are used limitedly in machine parts subject to wear. Functionally graded composites can be obtained by improving the tribological, corrosion resistance and mechanical properties of aluminum alloys by adding Al2O3, SiC, TiB2, TiC and ZrC particles. One of the biggest problems of these composites is that they become brittle and fracture toughness decreases significantly with increasing reinforcement ratio. Functionally graded materials offer special performance for engineering applications requiring high surface wear resistance and adequate internal fracture toughness. Fracture toughness, forming ability, weldability, corrosion resistance, high temperature resistance, low density, high wear resistance, high thermal and electrical conductivity properties make these composite materials especially attractive for the maritime industry. In this study, it was aimed to produce functionally graded TiB2/Al-4%Si composite, which has the potential to be used in frigates and submarines, by centrifugal casting method and to examine its corrosion and wear behaviors. First, Al-Ti-B-Si solution was formed at 1200ºC, then the temperature was reduced to 800ºC and TiB2 particles were directly synthesized in the Al-Si melt. The melt is solidified under centrifugal force by the winnowing mechanism. Characterization of the produced composites was carried out using optical microscopy, SEM (scanning electron microscopy) and XRD (X-ray diffraction). Additionally, the densities of the composites were measured, hardness values were determined, and their wear resistance and corrosion resistance were examined. Wear tests were carried out in a dry sliding environment at room temperature under different loads, sliding speeds and sliding distances. Corrosion tests were carried out using the Tafel extrapolation method in 3.5% NaCl solution, taking into account sea conditions. The experimental design was made using the Taguchi technique to understand the general perspective with a small number of experiments. The results showed that the composite had two distinct regions that were not reinforced with TiB2. It was determined that the reinforcement rate in TiB2-rich regions was 20% by weight. Additionally, it was determined that the hardness value increased from 52 HB to 103 HB with TiB2 particles added to the Al-Si aluminum alloy. The results also revealed that TiB2 particles improved the wear and corrosion properties of composites.