Spark plazma sinterleme yöntemi ile üretilen AA2219 matrisli ZrO2/B4C takviyeli kompozitlerin mikroyapısal ve mekanik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of micro structural and mechanical properties of AA2219 matrix ZrO2/B4C reinforced composites produced by spark plasma sintering method
Yazar: AHMET UFUK GÖKMEN
Danışman: PROF. DR. BÜLENT BOSTAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Alüminyum ve alaşımları, demir dışı alaşımlar içerisinde endüstride en yaygın kullanılan malzemelerdir. Alüminyumun, korozyon direnci yüksek, yoğunluğu düşük, sünek ve iyi kaynaklanabilir olması ve sektörel olarak tercih edilebilirliğini artırdığı için geliştirilmesi üzerine yapılan çalışmalar her geçen gün artmaktadır. Aynı zamanda bu alaşımlar havacılık ve otomotiv endüstrisi sektörlerinin başını çekmektedir. Dayanıklı ve hafif malzemelere olan ilgi yıllardır artarak devam ettiğinden, alüminyum alaşımları da çeşitlenerek gelişmiştir. Bu alaşımlar içerisinde bulunan 2219 alüminyum alaşımı bakır içeriğinin yüksek olması sebebiyle mekanik özelliklerin gelişmesine katkı vermiş ve son yıllarda tercih sebebi olmaktadır. Ancak her ne kadar mekanik özellikleri iyileşse de özellikle aşınma özelliklerinde istenen düzeyde performansının olmaması nedeniyle metal matris içerisine seramik takviyesi ile kompozitler geliştirilmektedir. Seramik parçacık takviyelerinin mikroyapı içerisinde hem tane içlerinde hem de tane sınırlarında homojen dağıtılması ile mukavemet ve aşınma özellikleri arttırılabildiği bilinmektedir. Yapılan tez çalışmasında AA2219 alüminyum alaşımının mekanik ve aşınma özelliklerinin geliştirilmesi amacıyla metal matrisli kompozitlerin üretimi gerçekleştirilmiştir. Homojen bir karışım elde edilmesi amacıyla 3 boyutlu mekanik karıştırıcı/öğütücü cihazı kullanılmıştır. Matris içerisine takviye olarak B4C, ZrO2 ve her iki takviye partikülünün birlikte kullanımı ile hibrit kompozitlerin üretiminde %5, %10 ve %15 oranlarında takviye edilmiş olup, malzemelerin mekanik ve aşınma özellikleri incelenmiştir. Mikroyapı ve karakterizasyon özellikleri için FE-SEM, SEM, EDS ve XRD analizleri hibrit/kompozit numunelere uygulanmıştır. Ardından üretilen numunelerin mekanik ve tribolojik özelliklerinin belirlenmesi için sertlik, aşınma, çapraz kırılma dayanım testleri gerçekleştirilmiştir. Devamında tribolojik özelliklerin belirlenmesinde 3D profilometre cihazı ile birlikte aşınma özellikleri karakterize edilmiştir. Deneysel sonuçlar incelendiğinde takviye partikül tozlarının yapı içerisinde homojen olarak karıştığı belirlenmiştir. En yüksek sertliğin %15 hibrit olarak üretilen numunede olduğu ve sertlik değerinin ise 164,65 HV olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca en yüksek çapraz kırılma dayanımı (545,76 MPa) ve en düşük sürtünme katsayısına sahip numunenin de aynı şekilde %15 hibrit numunede ulaşıldığı belirlenmiştir.

Abstract:
Aluminum and its alloys are the industry's most commonly used materials among the non-ferrous alloys. The studies regarding the development of aluminum are increasing each passing day due to its high corrosion resistance, low density, ductility, and good weldability, which enhance its desirability across sectors. Additionally, these alloys lead the aviation and automotive industry sectors. The interest in durable and lightweight materials has continuously increased over the years, leading to the diversified development of aluminum alloys. The 2219 aluminum alloy, containing high levels of copper, has contributed to the improvement of mechanical properties and has become a preferred choice in recent years. However, despite improvements in mechanical properties, the lack of desired performance in wear properties has led to the development of composites with ceramic reinforcements within the metal matrix. It is known that the homogeneous distribution of ceramic particle reinforcements both within grains and at grain boundaries in the microstructure can enhance strength and wear properties. In the conducted thesis work, the production of metal matrix composites aimed at improving the mechanical and wear properties of the AA2219 aluminum alloy has been carried out. A three-dimensional mechanical mixer/miller device was used to achieve a homogeneous mixture. Reinforcements with B4C, ZrO2, and the combined use of both reinforcement particles were added to the matrix in proportions of 5%, 10%, and 15% to produce hybrid composites, and the mechanical and wear properties of the materials were examined. FE-SEM, SEM, EDS, and XRD analyses were applied to hybrid/composite samples for microstructure and characterization properties. Subsequently, hardness, wear, and cross-breaking strength tests were conducted to determine the mechanical and tribological properties of the produced samples. Furthermore, the wear properties were characterized using a 3D profilometer device in determining tribological properties. Experimental results revealed that the reinforcement particle powders were homogeneously mixed within the structure. The highest hardness was found in the sample produced with 15% hybrid reinforcement, with a hardness value of 164.65 HV. Additionally, the highest cross-breaking strength (545.76 MPa) and the lowest coefficient of friction were also achieved in the same 15% hybrid sample.