Mekanik alaşımlanmış TiC ve Y2O3 partikül takviyeli AA7075 metal matrisli nanokompozitlerin üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of mechanically alloyed TiC and Y2O3 particle reinforced AA7075 metal matrix nanocomposites.
Yazar: EMİN SALUR
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ACARER
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Bu çalışmanın amacı mekanik alaşımlama yöntemi ile farklı takviye türünde (TiC ve Y2O3), farklı takviye oranlarında (ağ. %0,5, 1 ve 5) ve farklı öğütme sürelerinde (0,25, 1, 1,5, 2 ve 10 saat) AA7075 Al alaşım matrisli nano kompozit tozların üretilmesi ve bu üretilen tozların sıcak pres yardımıyla konsolidasyonunun sağlanarak hem tozların hem de üretilmiş malzemelerin detaylı karakterizasyonun gerçekleştirilmesidir. Kıyas yapabilmek adına ayrıca hazır olarak temin edilen başlangıç AA7075 matris tozu ve bu tozdan üretilen numuneye de aynı işlemler uygulanmıştır. Takviye türü, takviye oranı ve öğütme süresinin tozların morfolojisi ve kristalografik özellikleri üzerindeki etkisi taramalı elektron mikroskobu (SEM), geçirimli elektron mikroskobu (TEM), enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDS), parçacık boyutu analizi ve X-ışını kırınımı (XRD) analizleri ile karakterize edilmiştir. Farklı parametrelerin etkisi dikkate alındığında, tozların morfolojik ve kristalografik özellikleri üzerinde en etkili parametrenin öğütme süresi olduğu tespit edilmiştir. 
 İki farklı takviye türünde öğütülen toz grubunda da başlangıçta küresel olan tozların şekli kısa öğütme sürelerinde korunmakta iken öğütme süresinin takviye türüne bağlı olarak belirli bir değere kadar artması (1 ve 1,5 sa.) ile pulsu yapıya dönüşmüştür. Artan öğütme süresi ile bu pulsu yapılar rastgele kırılarak daha küçük toz boyutuna sahip parçacıklar oluşmuştur. Genel olarak her iki toz grubu içinde ortalama partikül boyutlarının artan öğütme süresi ile azaldığı görülmüştür ve her iki toz grubunda da en küçük partikül boyutları 10 sa. öğütme sonrasında elde edilmiştir. Hazır olarak temin edilen başlangıç AA7075 tozunun ortalama partikül boyutu 46 µm iken, 10 sa. öğütülmüş tozların partikül boyutları ise toz grubuna göre 16-20 µm aralığında değişmektedir. Bu durumun ana nedeni, Al alaşımı gibi sünek bir matris malzemesi için 10 saat gibi yüksek öğütme süresi sonunda aşırı pekleşmeye bağlı olarak küçük ve düzensiz parçacık oluşumunun artmış olmasıdır. Ayrıca, kullanılan farklı takviye türündeki nano partiküllerin matris içerisinde tamamen homojen bir şekilde dağıtılması öğütmenin son aşaması olan 10 saatlik sürede elde edilmiştir. Takviye türü ve oranına göre bu süre 1,5 ve 2 sa. olarak da değişebilmektedir. Fakat özellikle öğütmenin erken safhalarında (0,25 ve 1 sa.) ise nano takviye partiküllerinin çoğunlukla matris yüzeyinde aglomere oldukları tespit edilmiştir. Tozların X-ışını kırınım desenleri incelendiğinde ise; katı çözelti, nano partiküllerin veya küçük alaşım elementlerinin matris içinde dağılması ve bilyeli öğütme sistemi içerisinde bulunan sert bilyelerin etkisi altında tetiklenen şiddetli plastik deformasyon nedeniyle kafes üzerindeki gerilme birikiminin artması sonucu pik yoğunluklarında bir azalma ve pik genişliklerinde ise bir artma olduğu görülmüştür. Genel olarak, tozların XRD eğrilerinden yararlanarak değerlendirilen kristalografik özellikler dikkate alındığında ise; her iki toz grubu için de öğütme süresinin ve takviye oranının artması ile kristalit boyutunun düştüğü, kafes gerinimi ile dislokasyon yoğunluğu değerlerinin arttığı fark edilmiştir. Bu gruplar arasında en düşük kristalit boyutu, en yüksek kafes gerinimi ve yine en yüksek dislokasyon yoğunluğu 10 sa. öğütülmüş tozlarda elde edilmiştir. Toz boyutlarında olduğu gibi kristalografik özellikler üzerinde de en etkili parametrenin öğütme süresi olduğu tespit edilmiştir.
Karakterizasyonu tamamlanan tozların konsolidasyonu 30 dakika boyunca uygulanan 400 MPa basınç ve 430 oC sıcaklık değerlerinde sıcak presleme yöntemi ile sağlanmış ve metal matrisli kompozit (MMK) malzemeler başarılı bir şekilde üretilmiştir. Ayrıca, farklı üretim parametrelerinin (takviye türü, oranı ve öğütme süresi) MMK malzemelerinin mikro yapıları ve mekanik özellikleri üzerindeki etkisi, optik mikroskop, SEM, TEM, EDS, yoğunluk ve sertlik sonuçları ile değerlendirilmiştir. Sonuçlar, aşırı plastik deformasyon sonucu sertleşen nano parçacıkların artan öğütme süresiyle matris içerisinde homojen olarak dağılması sonucu meydana gelen dispersiyon sertleşmesi nedeniyle başlangıç AA7075 alaşım malzemesine kıyasla üç kat daha fazla sertlik değerlerine ulaşıldığını ortaya koymuştur.  AA7075 başlangıç tozundan üretilen numunenin sertlik değeri 94 Brinell sertlik değerindeyken (BSD) ağ. %5 TiC takviyeli 10 saat öğütülmüş numunenin 280 BSD , ağ. %5 Y2O3 takviyeli 10 saat öğütülmüş numunenin ise 260 BSD dir. Fakat benzer bir durum bağıl yoğunluk sonuçlarında gözlemlenmemiştir. Her iki grupta bulunan MMK malzemeler için artan öğütme süresi sonucu yoğunluk değerlerinde önemli oranda bir azalmanın olduğu tespit edilmiştir. Aynı zamanda, artan takviye miktarı da malzeme yoğunluklarının azalmasına neden olmuştur. Yani, en iyi yoğunluk özelliklerinin ve tatmin edici bir yapısal bütünlüğün elde edilmesi, sadece matris içindeki nano partiküllerin homojen dağılımı ile değil, aynı zamanda optimal partikül boyutu aralığı ve partikül morfolojisinin elde edilmesiyle de ilişkilidir. Yoğunluk sonuçları incelendiğinde TiC takviyeli MMK malzemeler için en yüksek yoğunluk değerleri 1 sa. öğütme sonrası elde edilmişken, Y2O3 takviyeli MMK malzeme grubunda 1,5 sa. öğütme sonrasında elde edilmiştir. 
Ayrıca literatürde yapılan neredeyse tüm AA7075 matris esaslı kompozitlerin çalışmaları dikkate alındığında, üretilen bu MMK malzemelerin sertlik değerlerinin diğer üretim yöntemlerinden olan geleneksel soğuk-sıcak pres ve modern üretim teknikleriyle üretilen kompozit malzemelerden çok daha yüksek olduğu bulunmuştur. Sonuç olarak, bu tez çalışması boyunca izlenen iş akışının ve elde edilen bulguların nano partikül takviyeli Al esaslı kompozitlerin mekanik özellikleri üzerinde faydalı etkileri olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
This study's main purpose is to utilize the mechanical alloying (ball milling) method to produce AA7075 Al alloy matrix nanomaterials with different reinforcement types (TiC and Y2O3), different reinforcement ratios (0.5%, 1 and 5 wt.%), and different ball milling times (0.25, 1, 1.5, 2 and 10 hours). Also, it aims to perform a detailed characterization of both milled powders and composites by consolidating the produced powders with hot pressing. The same procedures were also applied to the as-received  AA7075 matrix powder and the sample produced from this powder for comparison purposes. Effect of reinforcement type, reinforcement ratio, and milling time on the morphology and crystallographic properties of powders was characterized by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), particle size analysis, and X-ray diffraction (XRD) analysis. Considering the effects of different parameters, it was determined that the milling time was the most influential parameter on the morphological and crystallographic properties of the powders.
In each powder group, which was milled in two different reinforcement types, the initially spherical powder shape was preserved in short milling times, while the milling time increased to a specific value (1 and 1.5 hours) depending on the type of reinforcement, it turned into a flake-like morphology. These flakes were fractured randomly into smaller particles with the increasing milling time. Overall, it was observed that the average particle sizes in both powder groups decreased with increasing milling time, and the smallest particle sizes in each group were achieved after 10 hours of milling. The particle size of the as-received AA7075 powder was measured as 46 µm. However, the 10 h milled powder's particle size varied between 16-20 µm depending on the powder group. This is because increasing small and irregular particles within the ductile matrix phase due to excessive plastic deformation in the last milling stage (10 h). Besides, both nanoparticles' homogeneous dispersion in the matrix was attained in the last stage of milling. This period could be varied between 1.5 and 2 hours based on the reinforcement type and ratio. However, in the early stages of milling (0.25 and 1 hour), it was observed that the nanoparticles mostly agglomerate on the exterior surface of the matrix. According to XRD analysis, it was observed that a monolithic decrease in peak intensity with visible peak broadening attributed to solid solution mechanism, distribution of reinforcement materials or minor elements in the lattice, and stress accumulation on the lattice, triggered by commonly known ball milling phenomena because of the effect of excessive plastic deformation. For each group, a decrement in crystallite size along with an increment in lattice strain and dislocation density were observed according to crystallographic properties evaluated by using the XRD curves of the powders. Among these groups, the lowest crystallite size, the highest lattice strain, and the highest dislocation density was obtained after 10 h of milling. It was determined that the most effective parameter on crystallographic properties was the milling time, which is similar to the change in particle sizes.
After the powder characterization, consolidation of the milled powders was performed via hot pressing under 400 MPa, and 430 oC for 30 min and MMCs were successfully produced.  The effect of different production parameters (reinforcement type, ratio, and milling time) on microstructure and mechanical properties of MMCs was evaluated by optical microscope, SEM, TEM, EDS, relative density, and hardness results. Results revealed that the 10 h milled composites were almost 3 times harder than the initial AA7075 alloy due to the dispersion hardening resulting from the nanoparticles' homogeneous dispersion within the matrix as a result of excessive plastic deformation with prolonging milling time. The hardness values of initial AA7075 alloy, 10 h milled 5 wt.% TiC reinforced and 5 wt.% Y2O3 reinforced composites were measured as 94, 280, and 260 HB, respectively. However, the same singularity was not matter on the relative density results. It was determined that there is a significant decrease in density values for each MMC group with increasing milling time. Besides, increasing reinforcement ratio caused a decrement in the density of MMCs. In conclusion, the achievement of the best packing density and enhancement of the structural integrity is associated not only with the uniform distribution of nanoparticles within the matrix but also with obtaining the optimal particle size range and particle morphology. According to density results, it was found that the highest density values for TiC and Y2O3 reinforced MMCs are 1 and 1.5 hours of ball milling, respectively.
Considering the published studies in the literature about the AA7075 matrix-based composites, it was noticed that produced MMCs in this thesis exhibit superior hardness results than the composite materials produced by the traditional cold-hot press and modern production techniques. As a result, it was concluded that the obtained findings in this thesis had beneficial effects on the mechanical properties of nanoparticle reinforced Al-based composites.