Sürtünme karıştırma kaynak yöntemiyle birleştirilmiş alüminyum-magnezyum sisteminin mikro ark oksidasyonu
Micro arc oxidation of aluminum-magnesium system joined by fricton stir welding
Yazar: EMİR KARAÇAM
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Alüminyum ve magnezyum düşük yoğunluk ve yüksek mukavemetinden dolayı hafiflik istenen birçok sektörde yaygın olarak kullanılır. Alüminyum, çelikten sonra en çok kullanılan ikinci metaldir. Özgül dayanımı ve iletkenliği yüksek olup yüzeyde oluşturduğu Al2O3 tabakası sayesinde korozyona karşı da dirençlidir. Magnezyum ise  alüminyumdan da hafiftir. İçine ilave edilen alaşım elementleri ile mukavemeti artırılsa bile magnezyumun oksijene afinitesi ve korozyon davranışı başlıca dezavantajlarıdır. En başta otomotiv ve havacılık sektörü olmak üzere, ağırlık azaltmaya çalışan bütün sektörlerde bu iki metal önem kazanmıştır. Bu durumda üzerine çok yük gelmeyen, çok spesifik amacı bulunmayan parçaların, aynı işi yapacak daha hafif parçalarla değiştirilmesi söz konusu olmuştur. Değiştirme ihtiyacı, yanında parçaların birleştirilmesi işlemini de beraberinde getirmiştir. Birleştirme işlemi kaynakla yapılır. Fakat hafif metallerin kaynaklama işlemi çok zordur. Özellikle alüminyum ve magnezyumun düşük sıcaklıkta ergimesi, porozite yatkınlığı gibi faktörler, bu metallerin ergitme kaynak yöntemleri ile birleştirilmesini imkansız kılmaktadır. Mekanik özelliklerden fazla ödün vermeden başarılı bir kaynak yapabilmek için katı hal kaynağı kullanılması gerektiği fark edilmiştir. 
Alüminyum ve magnezyum gibi hafif metallerin birleştirilmelerinde katı hal kaynağı olarak 1991'de İngiltere'de The Welding Institute tarafından bulunan sürtünme karıştırma kaynağı kullanılmaktadır. Bu yöntem, malzemeleri ergitmeden yapılan, düşük ısı girdisi sayesinde enerji verimliliği yüksek, sarf malzemesine ihtiyaç duymayan ve atık üretmeyen çevre dostu bir yöntemdir. Bu yöntemde kaynak işlemi şu şekilde yapılır; malzemelere dışarıdan bir miktar ısı verilerek yumuşatılır, daha sonra kaynak yapacak takım ekseni etrafında belirli bir hızla dönerek kaynak yapılması istenen hat üzerine yerleştirilir ve bu dairesel hareketini kaynak hattı boyunca ilerleyerek sürdürür. Hem dairesel hızın hem de ilerleme hızının etkisiyle aşırı sürtünme sonucu önemli miktarda ısı çıkar. Bu ısı, metallerin plastikleşmesini sağlar ve daha kolay karışma görülür. Kaynak sonrası birbirinin içine geçmiş, girift bir mikroyapı gözlemlenir.
Sürtünme karıştırma kaynaklarında, alın ve bindirme tipi kaynaklarda kesin bir başarı sağlanırken bazı kaynak dizaynlarında bu yöntem yetersiz kalabilmektedir. Başarılı bir kaynak yapmak için pin şekli, takım açısı, takımın dönüş hızı ve ilerleme hızı da malzemelere uygun seçilmelidir. 
Kaynak sonrasında bu metallerin, alaşımsız oldukları için herhangi bir yüzey işlemi yapılmadığı takdirde atmosfer ve ortam koşullarına açık kalacağı ve korozyona uğrayacakları görülmüştür. Bunun önüne geçmek için metallere uygun bir kaplama işlemi seçilmelidir. Kaplama yöntemi olarak çevre dostu, kolay uygulanabilen, sert ve kalın seramik tabakalar üretilen ve hafif metallere uygulanabilirliğiyle ün yapmış bir yöntem olan mikro ark oksidasyon seçilmiştir. Mikro ark oksidasyon, alüminyum, titanyum, magnezyum ve bunların alaşımlarına uygulanan bir kaplama yöntemidir. İş parçasının, doğru akım kaynağına bağlanıp genellikle alüminat, fosfat, silikat iyonları içeren bazik çözelti içerisinde yüzeyinden arklar çıkarak oksitlenmesi sağlanır. Kalın ve sert seramik kaplamalar üretmenin hızlı ve ekonomik bir yoludur.
Bu çalışmada öncelikle sürtünme karıştırma kaynağı ile birleştirilmiş alüminyum ve magnezyum plakalardan parçalar kesilerek bunların yeterli derecede birleşip birleşmediği incelenmiştir. Optik mikroskop ve taramalı elektron mikroskobu ile resimler alınıp birleşme bölgesi incelenmiştir. XRD ile kaynak sırasında oluşan fazlara bakılmıştır. Daha sonra bu parçaların mikro ark oksidasyon yöntemiyle kaplanabilirliği incelenmiştir. Farklı voltaj ve sürelerde yapılan kaplamalara SEM, XRD, pürüzlülük, EPMA gibi birtakım karakterizasyon işlemleri yapılıp bunların sonucunda kaplama için optimum değerler elde edilmiştir.
Alüminyum ve magnezyumun ayrı ayrı kaplanması ile ilgili pek çok çalışma varken ikisinin bir arada kaplanması seyrek görülen bir durumdur.

Abstract:
Light metals such as aluminum and magnesium are increasingly used in many industries because of their low density and high strength. Aluminum has high strength/density ratio, high electrical and thermal conductivity and good corrosion behaviour because of Al2O3 layer at surface. Magnesium is lighter than aluminum. Magnesium's strength is increased with the alloying elements but there is an important disadvantage; corrosion behaviour and affinity for oxygen. Because of affinity for oxygen, magnesium is easily oxidized moreover this oxide layer is not protective although it is thick. To reduce weight and fuel efficiency are remarkable factors nowadays. Replacing some useless heavy parts with the light one is getting more significant. But replacing process requires joining process. Joining process of metals is performed with welding. Welding of light metals such as aluminum and magnesium very difficult because of their low melting points, tendency to porosity etc. If any fusion welding is chosen, it is obvious that the mechanical properties will decrease. Then it was realized that in order to keep mechanical properties stable, solid state welding must be used.

In 1991, The Welding Institute (TWI) in England discovered friction stir welding (FSW) as solid state welding to join light metals. This non fusion welding is environmentally friendly because of low energy input and doesn't need any consumable materials. After welding process, there is no waste seen. Process is started with placing materials as butt or lap weld design. Then materials are heated to soften. Pin which makes welding, starts rotating and is plunged into the weld line. And pin advances along the weld line while rotating. Materials are stirred by rotational motion. Friction between pin and materials helps softening of materials. Therefore metals are stirred easily. After the welding, metals exhibit intricate microstructures. Welding is achieved in lap and butt weld designs with ease. There are several parameters to make a successful weld. Pin can exist in different shapes and properties. There are plain pins, threaded pins, pins with flutes etc. This must be chosen with respect to process. Tool angle is another parameter. Rotational speed (rpm), rotational direction (clockwise or counter-clockwise) and advancing speed (mm/min) must be ranged within the optimum values. If the speed is increased, possibility of forming cavity between metals will get higher. Post welding investigations show that there are different zones in weld area: thermo-mechanically affected zone, heat affected zone, stirred (nugget) zone and base metal. Grain size, grain shape and chemical composition vary in these zones. Furthermore if distinct metals are welded, intermetallic compounds are observed. According to metal pairs temperature is measured between 300-400 oC. Partial melting can be observed sometimes.

After welding it is experinced that these welded parts are susceptible to corrosion and appropriate surface modification must have been applied to metals.

Micro arc oxidation (MAO) also known as plasma electrolytic oxidation (PEO) were chosen as surface modification because of its superior properites. It is environmentally friendly and performed easily. This method produces hard, well adhered and thick ceramic layers on the surface. MAO is only suitable for valve metals which includes aluminum, magnesium, titanium and zirconium. Generally weak alcali electrolytes like silicate, aluminate, phosphate etc. are prepared. Part to be coated is immersed into alcali solution and connected as anode to DC power supply. Stainless steel vessel is connected as cathode. Voltage and time are main parameters for MAO. When the voltage is applied, metal oxide will form in surface. This is first step of coating and named anodic oxidation (eloxal). This passive film forms and dissolves continuously. Then voltage exceeds critical breakdown voltage and arc discharge occurs at surface. Passive film breaks and micro arc oxidation starts. Oxide film starts to grow and arcs make oxide layer thicker. MAO is economic way to produce ceramic layers.

Coating consists of two main layers: one is dense layer and the other one is loose layer. Dense or compact layer is formed in coating/substrate interface. Loose layer is formed in coating/electrolyte interface. Loose layer contains too many pores inside. Even if coating is very thick, pores reduces hardness and wear resistance. Dense layer is more crucial to determine the mechanical properties of coating.

In our research, pure aluminum and pure magnesium were joined each other with friction stir lap welding. Aluminum and magnesium plate has 3 mm and 4 mm thickness respectively. Magnesium plate was placed on top and aluminum at bottom. During welding, rotational speed was 1600 rpm and advancing speed was 40 mm/min. After welding, plates were sliced with the 1 cm width. Then excess metals because of lap welding were trimmed. Each sample had 1 cm width and 7 mm height. These samples were ground up to 1000 grit SiC abrasive paper and rinsed with distilled water and ethanol. Then samples were ready to be coated. Samples were immersed into electrolyte which contains 3 g/L KOH ve 10 g/L Na2SiO3 for different voltage and time values.

To see voltage and time effect, time dependent and voltage dependent two groups of sample were coated and examined. Voltage dependent group were coated for 5 minutes with 450 V, 500 V, 550 V and 600 V respectively. Time dependent group were coated with 500 V for 2 min, 5 min, 10 min and 20 min respectively.

Before MAO process, welded metals were examined by optical microscope, SEM in order to see whether joining with these FSW parameters is acceptable or not. And XRD patterns were obtained to see which phases are formed during welding. Hardness profile from magnesium side to aluminum side was produced with micro Vickers. 

After all the coatings finished, several characterizations were done. As macro examination, stereo microscope images and SEM images were taken from all the samples. SEM images were taken from aluminum side, magnesium side and interlayer. Roughness tests were applied to all samples. XRD patterns were also obtained. Differences in chemical composition were measured with EPMA, started in magnesium side towards aluminum side. 

Then by cutting samples and mounting in epoxy resin, they were prepared for micro examination. Images of cross section were taken with optical microscope and SEM.

According to results, as voltage and time increases thickness of film and roughness increase. But the increment by the effect of voltage is more intensive. It was always seen that magnesium has more tendency to form oxide than aluminum. So all the measurements exhibited that magnesium oxide is thicker than aluminum oxide. According to XRD results Al2O3 is formed in aluminum side and MgO, Mg2SiO4, MgSiO3 is formed in magnesium side. For the optimum parameters, as electrolyte 3 g/L KOH and 10 g/L Na2SiO3 mixture, 500 V, 10 minute treatment time and 1000 Hz frequency are suggested.