Alüminyum matrisli seramik parçacık takviyeli kompozit-hibrit malzemelere nano grafen katkısının mikroyapı-sertlik ve aşınma davranışına etkisinin araştırılması
Investigation of the effect of nano graphen additive to aluminum matrix ceramic particle reinforced composite-hybrid materials on microstructure-hardness and abrasion behavior
Yazar: ALPER NAMALAN
Danışman: DOÇ. DR. HAKAN GÖKMEŞE
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Aşınma = Wear ; Metal matrisli kompozitler = Metal matrix composites ; Nano grafen = Nano graphene ; Seramikler = Ceramics

Özet:
Gelişen imalat yöntemleri ile birlikte, metal, demir ve seramik tozlarının elde edilmesi kolaylaşmıştır. Bu gelişmeden dolayı kompozit malzemelere olan önem giderek artmıştır. Mikro düzeyde birleşme ile elde edilemeyen mekanik özellikler ve kimyasal özellikler, makro düzeyde birleşme sonucu olarak elde edilmiştir. Bununla birlikte havacılık sektöründeki gelişmeler ve tekrar kullanılabilen roketlerde, taşıyıcı yapının hafif ve dayanıklı olması gerekmektedir. Bu sayede faydalı yük taşıma kapasitesi arttırılır veya aynı yük kapasitesinde daha az yakıt tüketimi sağlanır. Kullanılan kompozit yapı, tüm sistemlerde ana taşıyıcı sistemi oluşturacağından mikro yapı, sertlik ve aşınma gibi önemli mekanik özelliklerinin iyi bir şekilde tespit edilip, istenilen kompozit yapısının elde edilmesi gerekir. Bu değerlendirmeler göz önünde bulundurulduğunda üstün ve öne çıkan özelliklerinden dolayı çoğunlukla alüminyum metal matris kompozitler tercih edilir hale gelmiştir. 
Havacılık ve uzay sektörü uygulamalarında çoğunlukla AA7020 Alüminyum alaşımı tercih edildiğinden, bu tez çalışmasında kompozit malzeme üretimine yönelik olarak bu malzeme toz parçacıkları matris olarak belirlenmiştir. Aynı zamanda takviye fazı olarak ise SiC seramik parçacıkları ve yağlayıcı olarak nano grafen toz malzemesi kullanılmıştır. Özellikle kompozit malzeme üretimi, mikro yapı ve mekanik özellikleri açısından, yağlayıcı özelliği, hafif olması ve boyutsal olarak matris ve takviye elamanından küçük olması sebebi ile nano grafen parçacıkları tercih edilmiştir.
Bu kapsamda AA7020 matrisli SiC ve Nano grafen takviyeli kompozit malzemenin üretimi bakımından matris malzemesine ağırlıkça %5, %10 ve %15 oranlarında SiC seramik faz takviyesi gerçekleştirilmiştir. Özellikle kompozit malzeme yapısında Nano grafen parçacık takviyesinin etkisini incelemek amacıyla SiC seramik takviye fazı sabit tutularak sırasıyla %0.25, %0.50, %1.0 Nano grafen deneysel çalışmalarda kullanılmıştır. Hassas terazide başlangıç matris ve takviye elemanlarının toz tartım ölçümleri sonrası hazırlanan toz karışımları, matris/takviye homojen dağılımının elde edilmesi için 300 RPM ve 30 dakika süre ile yüksek enerjili bilyeli değirmende karıştırma işlemine tabi tutulmuştur. Daha sonra hazırlanan toz karışımları 650 MPa basınç altında oda sıcaklığında preslenmiştir. Presleme sonrası elde edilen deney numunelerine 600oC sıcaklıkta 60 dakika sinterleme işlemi uygulanmıştır. Bu işlemlerden sonra deney numunelerine sırasıyla yoğunluk ölçümü, mikroyapısal karakterizasyon, sertlik ve aşınma testi uygulanmıştır.

Abstract:
With the developing manufacturing methods, it has become easier to obtain metal, iron and ceramic powders. Due to this development, the importance of composite materials has gradually increased. Mechanical properties and chemical properties that could not be obtained by incorporation at the micro level were obtained as a result of incorporation at the macro level. However, developments in the aviation industry and reusable rockets require that the carrier structure be light and durable. In this way, the useful load carrying capacity is increased or less fuel consumption is provided at the same load capacity. Since the composite structure used will form the main carrier system in all systems, important mechanical properties such as microstructure, hardness and wear should be well determined and the desired composite structure should be obtained.
Since AA7020 Aluminum alloy is mostly preferred in aerospace applications, this material has been determined as a matrix of powder particles for the production of composite materials in this thesis. At the same time, SiC ceramic particles were used as reinforcement phase and nano graphene powder material was used as lubricant. Particularly in terms of composite material production, microstructure and mechanical properties, nano graphene particles have been preferred because of their lubricating property, light weight and size smaller than matrix and reinforcement element.
In this context, 5%, 10% and 15% by weight SiC ceramic phase reinforcement was applied to the matrix material for the production of AA7020 matrix SiC and Nano graphene reinforced composite material. Especially in order to examine the effect of nano graphene particle reinforcement in composite material structure, SiC ceramic reinforcement phase was kept constant and 0.25%, 0.50%, 1.0% Nano graphene was used in experimental studies, respectively. The powder mixtures prepared after the powder weighing measurements of the initial matrix and reinforcement elements on a precision balance were subjected to the mixing process in a high-energy ball mill for 300 RPM and 30 minutes in order to obtain a homogeneous matrix/reinforcement distribution. Then, the prepared powder mixtures were pressed at room temperature under a pressure of 650 MPa. The test samples obtained after pressing were sintered at 600oC for 60 minutes. After these processes, density measurement, microstructural characterization, hardness and abrasion tests were applied to the test samples, respectively.