Hesaplamalı malzeme mühendisliği ile alüminyum döküm alaşımlarının ısıl işlem optimizasyonu
Heat treatment optimization of aluminum casting alloys with computational material engineering
Yazar: ADEM KORKMAZ
Danışman: PROF. DR. OSMAN ÇULHA
Manisa Celal Bayar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Endüstri ve Endüstri Mühendisliği = Industrial and Industrial Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Ötektik altı kompozisyona sahip alüminyum-silisyum alaşımları, başta otomotiv olmak üzere pek çok endüstriyel uygulamada sahip oldukları üstün fiziksel ve mekanik özelliklerden dolayı tercih edilmektedir. Bu bağlamda, bu alaşımlara ait fiziksel ve mekanik özelliklerin gerek laboratuvar ve sanal ortam çalışmaları gerekse endüstriyel ölçekli araştırmalarla ortaya çıkarılması ve geliştirilmesi son derece önemlidir. Bu çalışmada, ötektik altı bileşime sahip bir Al-Si döküm alaşımı olan ve endüstriyel uygulamalarda sıklıkla kullanılan ısıl işlem uygulanmış AlSi7Mg0.3 (A356) alaşımına alternatif olabilecek yeni bir alaşımın ortaya konulması amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda, 3 farklı Mg element oranına ve 2 farklı Si element oranına sahip Al-5Si ve Al-9Si alaşım grupları kullanılarak, alçak basınçlı döküm prosesi ile imal edilen bir jant ürünün jant kolu bölgesine ait, ısıl işlem öncesi ve farklı parametrelerdeki ısıl işlem uygulamaları sonrası termo-fiziksel ve mekanik özellikler, sanal-simüle ortamda gerçekleştirilen faaliyetler ve deneysel çalışmalar temelinde araştırılmıştır. Yüksek lisans tezi, deneysel tasarım, bilgisayar destekli üretim, prototip üretim, test ve karakterizasyon çalışmaları olmak üzere 4 aşamada yürütülmüştür. Deneysel tasarım sırasında deney sayısını azaltarak, zaman, enerji ve iş gücünden tasarruf sağlamak amacıyla Taguchi deneysel tasarımı takip edilmiş ve tam faktöriyel deney tasarım matrisi yaratılmıştır. Hesaplamalı Malzeme Mühendisliği (HMM) yaklaşımları ve deneysel çalışmalar kapsamında, alaşım kompozisyonundaki ve ısıl işlem parametrelerindeki farklılıkların, alaşımların ısıl işlem öncesi ve sonrası fiziksel ve mekanik özellikleri üzerindeki etkileri Taguchi, ANOVA ve regrasyon analizleri ile sayısal olarak ortaya konulmuştur.

Yüksek lisans tezi kapsamında, Hesaplamalı Malzeme Mühendisliği yaklaşımları temelinde elde edilen sonuçların doğruluğu deneysel çalışmalarla kanıtlanmış ve yeni nesil bu yöntemlerin güvenilirliği değerlendirilmiştir. Böylelikle, bir otomotiv ürünü olan jant üretiminde kullanılan A356 alüminyum döküm alaşımına alternatif olabilecek ve bu alaşıma kıyasla daha üstün özelliklere sahip yeni alaşım kompozisyonlarının ve ısıl işlem parametrelerinin varlığı doğrulanmıştır. Ayrıca, tez çalışması kapsamında, endüstriyel ve akademik uygulamalarda yüksek potansiyel sunacak yeni bir ürün ve proses ortaya çıkarılmıştır.

Abstract:
Hypoeutectic aluminum-silicon alloys are preferred in automotive and many industrial applications due to their superior physical and mechanical properties. In this context, it is extremely important to reveal the physical and mechanical properties of these alloys with both with both laboratory and virtual environment studies and industrial scale studies. In this study, it is aimed to present a new alloy that can be an alternative to the heat-treated AlSi7Mg0.3 (A356) alloy, which is an Al-Si casting alloy with hypoeutectoid composition and is frequently used in industrial applications. For this purpose, a wheel was produced by low pressure casting process by using Al-5Si and Al-9Si alloy groups with 3 different Mg element ratios and 2 different Si element ratios. Thermo-physical and mechanical properties of spoke region, before and after heat treatment, were investigated with virtual-simulation studies and experimental studies. The master thesis has been planned in four stages as experimental design, computer aided production, pilot production and testing and characterization studies. In order to save time, energy and labor by reducing the number of experiments during the experimental design, Taguchi experimental design was followed and a full factorial experimental design matrix was created. With Computational Materials Engineering (HMM) and experimental studies, the effects of differences in alloy composition and heat treatment parameters on the physical and mechanical properties of alloys before and after heat treatment were numerically demonstrated by Taguchi, ANOVA and regression analyzes.


In this thesis, the accuracy of the results obtained with Computational Materials Engineering has been proven by experimental studies and the reliability of these new generation methods has been evaluated. Thus, new alloy compositions and heat treatment parameters have been obtained, which can be an alternative to the A356 aluminum casting alloy used in the production of wheels, which is an automotive product. In addition, within the scope of the thesis, a new product and process that will offer high potential in industrial and academic applications has been revealed.