AA7075-T6 alaşımı ve AA7075-T6 alaşımı alt tabaka üzerine HVOF termal sprey ile kaplanmış WC-10Co-4Cr kaplamanın farklı sıcaklıklardaki sürtünme ve aşınma davranışlarının incelenmesi
Investigation of friction and wear behaviors of AA7075-T6 alloy and, HVOF thermal sprayed WC-10Co-4Cr coating on AA7075-T6 alloy substrate at different temperatures
Yazar: MEHMET CEVİZ
Danışman: DOÇ. DR. CENK MISIRLI ; DR. ÖĞR. ÜYESİ Sencer Süreyya KARABEYOĞLU
Trakya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Alüminyum = Aluminum ; Aşınma davranışı = Wear behavior ; Bakır = Copper ; Kuru sürtünme = Dry friction ; Pirinç-metal = Brass ; Sürtünme = Friction ; Sıcaklık = Temperature ; Triboloji = Tribology

Özet:
Makine parçalarında ve birçok endüstriyel uygulamada sürekli karşılaşılan ve çözülmesi gereken bir dizi karmaşık özellik gösteren sürtünme ve aşınma olayı tribolojik sistemlerin en önemli problemlerinden biridir. Bu tez çalışmasında, AA7075-T6 alaşımının sürtünme ve aşınma davranışı araştırılmış ve HVOF termal sprey yöntemiyle kayma, sürtünme, aşınma ve erozyon gibi çeşitli koşullarda yüksek performans sağlayan WC esaslı sermet kaplamalar üretilerek yüzeyde tribolojik özelliklerin geliştirilmesi amaçlanmıştır. 
AA7075-T6 alaşımının farklı sıcaklıklarda (RT, 100℃, 200℃ ve 300℃) bir WC-4Co bilyesine karşı termal sürtünme davranışı, aşınma oranı (W), sürtünme katsayısı (COF, µ) ve sertliğini karakterize etmek için yüksek sıcaklıklı bir pin-on-disk tribometresi kullanılarak araştırılmıştır. Mikroyapısal kompozisyon, çökeltileri göstermek için dağlamadan sonra tasvir edilmiştir. Oda sıcaklığında (RT) test edilen numunenin sertliği 158.0 HV olarak ölçülmüş ve sertlik 300°C'de test edilen numunede yaklaşık ~%56 oranında düşmüştür. Test sıcaklığının artışına göre W ve µ değerleri 10 kattan fazla artmıştır. Sıcaklık artışı yapıyı gevşetmiş ve aşınma oranı olumsuz etkilenmiştir. Taramalı elektron mikroskopu (SEM) ve enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDX) kullanılarak detaylı bir tribolojik karakterizasyon analizi yapılmış, numuneler tel erozyon tezgahı (EDM) ile kesilerek aşınma izi profilleri gözlemlenmiş ve ardından kesit profil görüntüleri geniş alanlı bir konfokal mikroskop (WCM/profilometer) ile karşılaştırılmıştır. Oda sıcaklığında ve 100°C'de kısmi bir abrazif aşınma mekanizması mevcuttu, ancak sıcaklık artışı plastik deformasyonu ve adhezif aşınmayı geliştirmiştir. Oksit tabakası oluşumu oksidasyon çatlaklarına neden olmuş ve sıcaklık artışı orantılı olarak aşınma oranını artırmıştır. Test sıcaklıklarının ısıl işlem etkisini göstermek için X-ışını kırınım ölçer (XRD) kullanılarak olası fazlar araştırılmıştır. 
Ayrıca bu çalışmada, yüksek hızlı oksi-yakıt (HVOF) ile WC-10Co-4Cr kaplanmış AA7075-T6 alt tabakasının sürtünme aşınma performansı, disk üzerinde pimli bir tribometre kullanılarak bir WC-4Co topuna karşı farklı sıcaklıklarda (RT, 100℃, 200℃ ve 300℃) incelenmiştir. WC-10Co-4Cr kaplama 900 L/dak ve 26 L/saat akış hızlarında sırasıyla O_2 ve karosen yakıt gazları kullanılarak ticari bir HVOF-K2 termal sprey (GTV MF-HVOF-K 1000 Kompakt) ile oluşturulmuştur. Püskürtme, 200 rpm dönüş hızı, 380 mm mesafede, 1.8 rpm parçacık besleme hızı ve 5 mm tarama mesafesi ile gerçekleştirilmiştir. HVOF besleme tozu olarak, partikül yoğunluğu 4.63 g/cm³ olan ticari bir WC-10Co-4Cr tozu (GTV 80.76.1.G) kullanılmıştır. Kaplamanın alt tabakaya difüzyonu, SEM ve EDX ile araştırılmıştır. Sürtünme ve aşınma testleri, 1800 s boyunca, 100 mm/sn kayma hızında, 25°C, 100°C, 200°C ve 300°C sıcaklıklarda ve 3 N sabit yük altında gerçekleştirilmiştir. Aşınma oranı, RT'ye kıyasla 300°C testinde beş kat artmış, µ değeri ise RT'ye kıyasla 200°C testinde 0.30'dan 0.48'e yükselmiş ve ardından 300°C testinde 0.36'ya düşmüştür. Toz ve kaplamanın mikro yapıları XRD kullanılarak analiz edilmiştir. Morfolojik karakterizasyonlar, SEM ve WCM ile yapılmış ve aşınma mekanizmaları incelenmiştir. Aşınma mekanizması 100°C'ye kadar abrazifti, ancak sıcaklık artışı adhezif aşınmaya, plastik deformasyona ve oksidasyon yorgunluğuna neden olmuştur. Uygulanan yüke ve AA7075-T6 alt tabakasının termal genleşmesine bağlı olarak oksit katmanları ve çatlak ilerlemesi meydana gelmiştir. Aşınmış yüzeydeki oksit tabakaları, 200°C'den sonra sürtünme katsayısının düşmesini sağlamıştır. 300°C'de oksit delaminasyonu ve yığılmalar gözlenmiştir.

Abstract:
One of the most important problems of tribological systems is friction and wear, which shows a series of complex features that are constantly encountered in machine parts and many industrial applications and need to be solved. In this thesis, the friction and wear behavior of AA7075-T6 alloy was investigated, and it is aimed to develop tribological properties on the surface by producing WC-based cermet coatings that provide high performance in various conditions such as slip, friction, wear and erosion with the HVOF thermal spray method.
In this study, the thermal frictional behavior of AA 7075-T6 against a WC-4Co ball for different temperatures (RT, 100℃, 200℃ ve 300℃) was investigated to characterize the worn surface in terms of wear rate (W), coefficient of friction (COF, µ) and hardness using a high temperature pin-on-disc tribometer. Microstructural composition was depicted after etching to show the precipitates. The hardness of the sample tested at room temperature (RT) was measured as HV 158.0, which dropped by ~56% in the 300°C test. The W and µ values increased over 10X in accordance with test temperature. The temperature increase loosened the structure, and the wear rate was negatively affected. A detailed tribological characterization was carried out using SEM and EDX, and wear track profiles were observed by cutting the samples with EDM and then compared with the cross-sectional profile images (WCM). At RT and 100°C, a partial abrasive wear mechanism was present; however, the temperature increase improved plastic deformation and adhesive wear. Oxide layer formation allowed oxidation cracks and temperature increases proportionally improved wear rate. Possible phases were investigated using XRD to show the heat treatment effect of test temperatures. 
Also, in this study, the friction wear performance of a High-velocity oxy-fuel (HVOF) sprayed WC10Co-4Cr coated AA7075-T6 substrate was investigated against a WC-4Co ball at different temperatures (RT, 100℃, 200℃ ve 300℃) using a pin-on-disk tribometer. WC-10Co-4Cr coating was deposited with a commercial HVOF-K2 spray (GTV MF-HVOF-K 1000 compact), O2 and kerosene as fuel gases with flow rates of 900 L/min and 26 L/h respectively. Spraying was carried out with a rotation speed of 200 rpm, a particle feed rate of 1.8 rpm at a distance of 380 mm and a scanning distance of 5 mm. As HVOF feedstock, a commercial WC-10Co-4Cr powder (GTV 80.76.1.G) with a particle density of 4.63 g/cm was utilized. The diffusion of coating to the substrate was 3 investigated by scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX). The friction and wear tests were performed at a sliding speed of 100 mm/s for 1800 s under a fixed load of 3 N at 25°C, 100°C, 200°C and 300°C. The wear rate increased five times at 300°C testing compared to room temperature (RT), but the average µ value increased from 0.30 to 0.48 for 200°C testing and then decreased to 0.36 for 300°C. The powder and coating microstructures were analysed using X-ray diffractometer (XRD) analysis. Morphological characterizations were accomplished by SEM and a wide field confocal microscope (WCM/profilometer), and wear mechanisms were examined. The wear mechanism was abrasive until 100°C, but a temperature increase allowed for adhesive wear, plastic deformation and oxidation fatigue. Oxide layers and crack propagation took place in accordance with applied load and thermal expansion of the AA7075-T6 substrate. Oxide layers on the worn surface enabled the coefficient of friction to decrease after 200°C. Oxide delamination and pile-ups were observed at 300°C.