7XXX serisi alüminyum alaşımlarında bileşim değişiminin malzeme davranışına etkisi
Effect of elements on material behaviour in 7XXX series aluminium alloys
Yazar: IŞIK KAYA
Danışman: PROF. DR. AHMET KARAASLAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
7XXX serisi (Al-Zn-Mg-Cu) alüminyum alaşımları, yüksek mukavemet, kırılma tokluğu ve korozyon dayanımı gibi özellikleri nedeniyle havacılık, savunma ve otomotiv endüstrilerinde kullanılmaktadır. Son yıllarda geliştirilen yüksek çinko içerikli yeni nesil 7XXX serisi alüminyum alaşımlarının ulaştığı mekanik özellikler oldukça yüksek seviyelerde olmakla birlikte, döküm ve şekillendirme proseslerinde yaşanan zorlukların anlaşılması ve devamında yapılacak ısıl işlemler ile mikroyapısal değişimlerin incelenmesi önemlidir. Bu amaçla çalışmanın ilk aşamasında DC (Direct-Chill) döküm tekniği ile yüksek çinko (≥ağ.%8) içerikli biyet üretilmiştir. Yüksek alaşım elementi içeriğine bağlı olarak, katılaşma sırasında oluşan mikrosegregasyon ve düşük ergimeli intermetaliklerin giderilmesi veya kontrol edilebilecek seviyeye azaltılması amacıyla homojenizasyon ısıl işlemi koşullarının saptanmasına yönelik bir çalışma tasarlanmıştır. Alaşımın çözünme, çökelme ve ergime reaksiyonlarını tespit etmek için Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) analizi yapılmıştır. Analiz sonuçları değerlendirilerek homojenizasyon ısıl işleminde kullanılacak sıcaklıklar belirlenmiştir. Çalışmanın devamında, homojenizasyon ısıl işlemi uygulanmış biyetler, ekstrüzyon prosesi ile dikdörtgen kesitli lama formunda üretilmiştir. Üretilen profillere de DSC ile tespit edilen reaksiyon sıcaklıklarına uygun şekilde çözeltiye alma ve yaşlandırma ısıl işlemleri uygulanmıştır.  
Döküm halinde ve ısıl işlem uygulanmış numunelerin mekanik özellikleri sertlik ve çekme testi, fiziksel özellikleri ise elektrik iletkenliği ve korozyon testleri ile belirlenmiştir. Mikroyapı incelemelerinde ise optik mikroskop ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılmıştır. SEM'de tespit edilen intermetaliklerin EDS ile yarı kantitatif olarak kimyasal bileşimleri belirlenmiş ve X-Işını difraktometresi (XRD) ölçümleri ile de bu fazlar detaylandırılmıştır. Numunelerin ısıl davranışını belirlemek amacıyla DSC kullanılmıştır. Profillere uygulanan farklı ısıl işlemler sonrası malzeme özelliklerindeki değişimler mekanik ve korozyon deneyleri ile ortaya konmuştur.  
Çalışma sonuçları değerlendirildiğinde, kademeli homojenizasyon ve çözeltiye alma ısıl işlemiyle elde edilen intermetalik boyut ve dağılımlarının, sertlik, çekme dayanımları gibi mekanik özelliklere ve korozyon, iletkenlik gibi fiziksel özelliklere olumlu etkisi olduğu görülmüştür. 
Uygulanan ısıl işlem prosesleri için, sıcaklık ve/veya zaman değişkenlerinin optimum değerleri belirlenmiştir. Homojenizasyon için çift kademe ile etkin bir çözünme süreci gerçekleştiği tespit edilmiştir. Çözeltiye alma işlemlerinde ise ikincil fazların çözündüğü ve tane yapısının korunduğu sıcaklık ve sürede optimum özelliklerinin sağlandığı belirlenmiştir.

Abstract:
7XXX series (Al-Zn-Mg-Cu) aluminium alloys are widely used in aerospace, defence and automotive industries due to their high strength, fracture toughness and corrosion resistance. Although the mechanical properties of the new generation 7XXX series aluminium alloys with high zinc content, which are developed in recent years, are at very high levels, it is important to understand the difficulties experienced in casting and forming processes and to investigate the microstructural changes with heat treatments. In the first stage of this study, billets with high zinc content (≥8wt.%) were produced by DC (Direct-Chill) casting method. The study was designed to determine the homogenization heat treatment conditions in order to eliminate or to reduce the microsegregation and low melting point intermetallics that occur intensively during solidification due to the high alloying element content, at a controllable level. Differential Scanning Calorimetry (DSC) analysis was performed to determine the dissolution, precipitation, and melting reactions of the alloy. The temperatures for homogenization and aging heat treatments were determined by evaluating the analysis results. In the following stage of the study, homogenized billets were produced in the form of flat bar by extrusion process. Dissolution and aging heat treatments were applied to the produced profiles in accordance with the temperatures determined by DSC.  
The mechanical properties of the cast and heat treated specimens were determined by hardness and tensile tests, and the physical properties were determined by electrical conductivity and corrosion tests. Optical microscope and Scanning Electron Microscopy (SEM) were used for microstructure investigations. The chemical compositions of the intermetallics detected by SEM were identified semi-quantitatively by EDS and these phases were detailed by X-Ray Diffraction (XRD). DSC was used to determine the thermal behaviour of the samples. Changes in material properties after different heat treatments, which are applied to the profiles, were revealed by mechanical and corrosion tests.
When the results of the study were evaluated, it was seen that the intermetallic dimensions and distribution obtained by step homogenization and solution heat treatment had positive effects on mechanical properties like toughness and tensile strenght and physical properties like corrosion and conductivity.
The optium values for temperature and/or time parameters for the applied heat treatments were determined. For homogenization an effective dissolution process was seen to occur by double stepped. During the solution process, it was determined that secondary phases were dissoluted and that they provide optimum properties at the temperatures and durations where their grain structures are preserved.