Genleştirilmiş kil takviyeli Al 7075 matrisli sintaktik köpük metalin basınçlı döküm yöntemiyle üretimi, fiziksel ve mekanik özelliklerinin incelenmesi
Production of expanded clay reinforced Al 7075 matrix syntactic foam by die casting method and investigation of physical and mechanical properties
Yazar: İSMAİL CEM AKGÜN
Danışman: DOÇ. DR. ALİ GÖKŞENLİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Tasarım metodolojisinde varılan ileri yaklaşımlarla birlikte malzemelerin geliştirilmesi amacıyla araştırma ihtiyacı doğmuştur. Düşük yoğunluklarda yüksek dayanım elde etmeyi hedefleyen köpük metaller de bu ihtiyacın bir çıktısı olarak literatürde yerini almıştır. Köpük metaller mekanik, ısıl ve akustik açısından üstün özellikleri sayesinde başta otomotiv, inşaat ve havacılık olmak üzere birçok sektörde kendilerine yer bulmuştur. Karmaşık üretim yöntemleri ve yöntemlerin kısıtları, daha farklı üretim teknikleriyle üretilen sintaktik köpük metallerin araştırılmasına sebep olmuştur. 
Temelde bir dolgu malzemesiyle matris malzemesinin birleşimi ile düşük yoğunlukta yüksek dayanımlara sahip ürünler elde edilmesi hedeflenen bir alt grubu olan sintaktik köpük metallerde (SKM) geleneksel köpük metallere göre daha farklı üretim yöntemleri uygulanıp daha farklı malzemeler kullanılmaktadır. Üretim yöntemleri infiltrasyonla üretim ve dağıtımla üretim olmak üzere iki ana grupta incelenir. Dolgu malzemesi olarak ponza taşı, genleştirilmiş cam ve genleştirilmiş perlit gibi seramikler kullanılırken, matris malzemesi olarak da titanyum, alüminyum ve başka metal alaşımları kullanılmaktadır.
Sintaktik köpük metallerin gözenekli yapısı, bu ihtiyaçlara çözüm sağlamaktadır. Sintaktik köpük metallerin üretiminde kullanılan hammaddeler ve üretim parametreleri son ürünlerin yoğunlukları ve dolayısı ile mekanik özellikleri üzerinde etki sahibidir. Literatürde yapılan çalışmalarda bu farklılıklar görülmektedir. Bu tez çalışmasında dolgu malzemesi olarak genleştirilmiş kil küreler kullanılarak alüminyum matrisli sintaktik köpük metaller üretilmiştir. Üretilen numunelerin yoğunlukları 1,89 – 1,95 g/cm3 aralığında çıkmıştır. Bu değer, yoğunluk değeri 2,81 g/cm3 olan 7075 alüminyum alaşımı ve 1,068 g/cm3 olan genleştirilmiş kil malzemelerinin arasında olup beklenen aralıklardadır.
Bu tez için üretilen sintaktik köpük metaller soğuk hazneli kalıba basınçlı döküm yöntemiyle üretilmiştir. Karmaşık olmayan bu yöntem, seri üretime uygunluğuyla ön plana çıkmaktadır. Üretim prosesi için dolgu malzemeleri 400°C sıcaklıkta 20 dakika bekletildikten sonra döküm kalıbına yerleştirilmiş, sonrasında kalıp kapatılarak 800°C'de eritilmiş alüminyumun bir enjeksiyon silindiri yardımıyla kalıbın içine infiltrasyonu sağlanmıştır.
Tez çalışma kullanılacak numunelerin üretimi esnasında üretimde etkin olan diğer parametrelerin üretim sürecine etkisi gözlemlenmiştir. Dolgu malzemesinin ön ısıtma sıcaklığı olması gerekenden yüksek olduğu takdirde dolgu malzemesinde sinterlenmeler olduğu, düşük olduğu takdirde ise kalıp boşluğu içinde soğuk kürelerle temas eden erimiş metalin erken katılaştığı gözlemlenmiştir. Dolgu malzemesinin ön ısıtma sıcaklığı olarak 400°C olarak belirlenmiştir. Erimiş metalin kalıp içine infiltrasyonunda kullanılan enjeksiyon silindirinin basınç ve hız değerleri de üretim süreçlerine etki etmektedir. Olması gereken basınç ve hız değerlerinden daha yüksek basınç ve hız değerleri kullanıldığı takdirde istenen özelliklere sahip numuneler elde edilemediği tespit edilmiştir. Yapılan denemeler neticesinde uygun silindir basıncı 30 MPa ve piston hızı olarak 40 mm/s belirlenmiştir. Sintaktik köpük metal üretiminde bir diğer önemli parametre olan kalıp sıcaklığı 80°C olduğu takdirde numune üretimi sağlanamamış, 230°C'ye ısıtıldığı takdirde numune üretimi sağlanmıştır. 800°C'de dökümü yapılan erimiş metalin sıcaklığı daha düşük olduğu takdirde kalıp içinde tam dolum gözlenmezken, çinko kaybına mahal vermemek adına daha yüksek döküm sıcaklıklarına çıkılmamıştır. Tüm bu parametreler ışığında yürütülen üretim süreçleri neticesinde 45 mm çap ve 80 mm yüksekliğe sahip sintaktik köpük metal numuneler üretilmiştir.
Numuneler, üretim sonrasında makro ve mikro muayene işlemleri için zımparalanmış ve parlatılmıştır. Parlatılan numunelere yapılan makro ve mikro muayenelerde sintaktik yapı içinde en dar aralıklara kadar nüfuziyet sağlandığı gözlenmiştir. Yapıda döküm ve çekme boşlukları gözlemlenmiştir fakat bu boşluklar sintaktik yapının yoğunluğunu düşürmeye yardımcı olduklarından ötürü arzu edilen unsurlardır fakat çoğaldıkları takdirde yapının kırılma karakteristiğine etki ederek mekanik özelliklerde kayba yol açabilmektedir.
Üretim işleminden sonra numuneler yoğunluklar açısından küçükten büyüğe sıralanıp numaralandırıldıktan sonra yoğunlukları birbirine yakın numuneler ikişerli olarak gruplandırılmıştır. Mekanik özelliklerdeki iyileştirmeyi incelemek adına bu numunelerin bazıları çökelme sertleşmesi işlemine tabi tutulmuştur. Çökelme sertleşmesi işlemi için numuneler önce 480°C'de 3 saat bekletilmiş, ardından su verildikten sonra 120°C'de 24 saat boyunca yapay yaşlandırmaya tabi tutulmuştur.
ISO 13314 standardında yapılan deneyler sonucunda ısıl işlemsiz numunelerin ortalama Plateau gerilmesi ve maksimum basma gerilmesi değerleri sırasıyla 34,1 MPa ve 93,05 MPa; ısıl işlemli numunelerin ortalama Plateau gerilmesi ve maksimum basma gerilmesi değerleri sırasıyla 52,55 MPa ve 131,65 MPa olarak tespit edilmiştir. Enerji absorpsiyon kapasiteleri ısıl işlemsiz numunelerde ortalama 33,67 MJ/m3, ısıl işlemli numunelerde ortalama 41,04 MJ/m3 olarak hesaplanmıştır. İkili gruplar arasında yapılan kıyaslamalarda ısıl işlemli numuneler ve ısıl işlemsiz numuneler arasında Plateau gerilmeleri oranları ve maksimum basma gerilmesi oranları sırasıyla 1,55 ve 1,42 kat olarak hesaplanmış, ısıl işlem vasıtasıyla numunelerin mekanik özelliklerinde olan iyileşme ispatlanmıştır.
Yapay yaşlandırma uygulanmış numunelerin maksimum basma dayanımları yüksek olsa da kırılma karakteristiklerinin farklılıkları sebebiyle bazı numunelerde Plateau bölgesindeki gerilme değerlerinde ani düşüşler gözlemlenmiştir. Bu düşüşlerin sebebi olarak metalin iç yapısının değişmesi ve yapı içindeki boşlukların arzu edilenden büyük olduğu takdirde sintaktik köpük metalin kırılma karakteristiğine etki ettiği tespit edilmiştir.
Özetle, bu tez çalışmasında soğuk hazneli kalıba basınçlı döküm yönteminde uygun parametreler belirlenerek genleştirilmiş kil takviyeli, 7075 alüminyum matrisli sintaktik köpük metal üretimi başarıyla sağlanmıştır. Üretim sonrasında numunelerin iç yapısı incelenip üretim başarısı gözlemlenmiştir. Numunelerin bazılarına çökelme sertleşmesi uygulanarak ısıl işlemli ve ısıl işlemsiz numuneler arasındaki Plateau gerilmesi, maksimum basma dayanımı ve enerji absorpsiyon kapasitesi gibi mekanik özellikler incelenerek ısıl işlemli ve ısıl işlemsiz numuneler kıyaslanmıştır. Çökelme sertleşmesi uygulanmış numunelerin daha iyi mekanik özellikler sergilediği görülmüştür. Çalışmanın sonuçları literatürdeki diğer çalışmalarla kıyaslanmış ve kullanılan malzeme ve üretim yönteminin üretilen numunelerin yoğunluğuna etki ettiği gözlemlenmiştir. Sintaktik köpük metallerin üretim yöntemlerine yenilikçi bir yaklaşım sergilenmesi hedeflenen bu tez çalışmasında elde edilen bulguların ilerde bu alanda yapılacak başka çalışmaları destekler nitelikte olacağı düşünülmektedir.

Abstract:
With the advanced approaches in engineering design, the need for research has arisen for the development of materials. Foam metals, which aim to achieve high strength values at low densities, have also taken their place in the literature as an output of this need. Due to their superior mechanical, thermal and acoustic properties, foam metals have found a place for themselves in many sectors, especially automotive, construction and aviation. Complex production methods and limitations of the methods have led to the investigation of syntactic foam metals produced with different production techniques.
Metal matrix syntactic foams (MMSFs), which are basically a subgroup that aims to obtain products with low density and high strength by combining a filler material and matrix material. Different production methods are applied and different materials are used compared to traditional foam metals. Production methods are examined in two main groups as production by infiltration and production by distribution. While ceramics such as pumice stone, expanded glass and expanded perlite are used as filler material in metal matrix syntactic foams, titanium, aluminum and other metal alloys are used as matrix material.
During the production of the samples to be used in the thesis study, the effect of other parameters that are effective on the production process was observed. It has been observed that if the preheating temperature of the filler material is higher than it should be, sintering occurs in the filler material and if it is low, the molten metal in contact with the cold filler materials in the mold and solidifies prematurely. The preheating temperature of the filling material was determined as 400°C. The pressure and speed values of the injection cylinder used in the infiltration of the molten metal into the mold also affect the product quality. It has been determined that samples with the desired properties cannot be obtained if pressure and velocity values higher than the required pressure and velocity values are used. As a result of the trials, the appropriate cylinder pressure was determined as 30 MPa and the piston speed was determined as 40 mm/s. Sample production could not be achieved if the mold temperature, which is another important parameter in syntactic foam metal production, was 80°C, and sample production was provided if it was heated to 230°C. If the temperature of the molten metal cast at 800°C is lower, full filling is not observed in the mold, and higher casting temperatures are not reached in order to avoid zinc loss. As a result of the production processes carried out in the light of all these parameters, syntactic foam metal samples with a diameter of 45 mm and a height of 80 mm were produced.
The samples were sanded and polished for macro and micro inspection processes after production. In the macro and micro examinations made on the polished samples, it was observed that penetration was achieved up to the narrowest gaps in the syntactic structure. Casting and shrinkage voids have been observed in the structure, but these are desirable elements as they help to reduce the density of the syntactic structure, but if they grow larger than their maximum desired size, they can affect the fracture characteristics of the structure and cause loss of mechanical properties.
After the production process, the samples were sorted and numbered from the smallest to the largest in terms of densities, and then the samples with close densities were grouped in pairs. Some of these samples were subjected to precipitation hardening to examine the improvement in mechanical properties. For the precipitation hardening process, the samples were first kept at 480°C for 3 hours and then artificially aged at 120°C for 24 hours after quenching.
As a result of the tests performed in ISO 13314 standard, the average Plateau stress and maximum compressive stress values of the samples without heat treatment were 34,1 MPa and 93 MPa, respectively; Average Plateau stress and maximum compressive stress values of heat treated samples were determined as 52,6 MPa and 131,7 MPa, respectively. The energy absorption capacities were calculated as 33,7 MJ/m3 on average for untreated samples and 41 MJ/m3 for heat treated samples. In the comparisons made between the heat treated samples and the non-heat treated samples, Plateau stress ratios and maximum compressive stress ratios were calculated as 1,55 and 1,42 times, respectively. The improvement in the mechanical properties of the samples by heat treatment was proven.
Although the maximum compressive strength values of the heat-treated samples are high, sudden decreases in the stress values in the Plateau region were observed in some samples due to the differences in fracture characteristics. It has been determined that the reason for these decreases is the change in the internal structure of the metal and if the gaps in the structure are larger than desired, it affects the fracture characteristics of the syntactic foam metal.
In conclusion, the production of expanded clay reinforced, 7075 aluminum matrix syntactic foam metal was successfully achieved by determining the appropriate parameters in the cold chamber mold pressure casting method in this thesis study. After the production, the internal structure of the samples was examined and the production success was observed. By applying precipitation hardening to some of the samples, the mechanical properties such as Plateau stress, maximum compressive strength and energy absorption capacity between the heat-treated and as-cast samples were examined and the heat treated and non heat treated samples were compared. It was observed that the heat treated specimens exhibited better mechanical properties. The results of the study were compared with other studies in the literature and it was observed that the material and production method used affect the density of the produced samples. It is thought that the findings obtained in this thesis study, which aims to exhibit an innovative approach to the production methods of syntactic foam metals, will support other studies to be done in this field in the future.