Isıl püskürtme yöntemi ile kısmi stabilize edilmiş zirkonya kaplanmış hafif metal alaşımlarının mekanik özelliklerinin incelenmesi
Investıgatıon of mechanical propertıes of thermally sprayed partıally-stabılızed zırconıa coated lıght metal alloys
Yazar: ERAY ERZİ
Danışman: PROF. DR. SUAT YILMAZ
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Aşınma = Wear ; Plazma püskürtme = Plasma spraying ; Sürünme = Creep

Özet:
Alüminyum alaşımları gibi hafif metaller, ekonomik ve ekolojik nedenlerden dolayı endüstride yoğun biçimde kullanılmaktadır. Ancak, bu malzemelerin sertlikleri, mekanik mukavemetleri ve aşınma dirençlerinin düşük olması bir dezavantaj olarak görülmektedir. Sağladıkları ağırlık tasarrufu nedeniyle kullanılma gerekliliği her gün biraz daha artan alüminyum alaşımlarının mekanik ve tribolojik özelliklerini geliştirmek için çeşitli endüstriyel yöntemler uygulanmaktadır. Örneğin, aşınmaya karşı alınabilecek en basit önlem, tüm elemanların aşınmaya karşı dayanıklı malzemeden imal edilmesidir ancak bu yaklaşım çoğu zaman yüksek maliyeti de beraberinde getirir. Aşınma bir yüzey hadisesi olduğundan uygun bir kaplama seçimi ile malzemenin ömrü azami seviyeye çıkarılabileceği gibi maliyeti de asgariye düşürebilir. Bir malzeme kendisinden daha sert bir kaplamaya sahip olduğunda, kaplama var oldukça ana malzemedeki aşınma azalmış olacaktır, zira aynı şartlar altında sert malzemeler, yumuşak malzemelerden genellikle daha az aşınırlar ve ayrıca içi yumuşak dışı sert malzemelerin toklukları daima yüksektir.Isıl püskürtme yöntemleri, özellikle plazma püskürtme yöntemi son yıllarda önemli uygulama alanları bularak yaygınlaşmaktadır. Yöntem toz, tel veya çubuk halindeki kaplama malzemesinin ergiyik ya da kısmi-ergiyik durumuna getirilerek, kaplanacak yüzeye hızlı bir şekilde (~80m/s) püskürtülmesine dayanmaktadır. Bu yöntem ile üretilen Al2O3 ve ZrO2 gibi sert seramik kaplanmış metalik malzemelerin, mekanik mukavemeti ve aşınma direncinin geliştirilmesiyle, değişik endüstriyel uygulamalarda geniş bir kullanım alanı yaratılmıştır.Bu çalışmada; 6063 alüminyum alaşımının yüzeyi ağ.%8 Y2O3 ile kısmen stabilize edilmiş zirkonya (Y-PSZ) ile plazma püskürtme yöntemi ile kaplanmış, böylece çeşitli mekanik özellikleriyle birlikte, aşınma dayanımı ve sürünme dayanımı özellikleri incelenmiştir.Bu amaca yönelik olarak enjeksiyon pres döküm yoluyla şekillendirilmiş 6063 serisi alüminyum çubukların talaşla kaldırma kabiliyetini arttırmak için önce T6 ısıl işlemi uygulanmıştır. Daha sonra standartlarına uygun olarak darbe, aşınma, sürünme vb. test numuneleri şekillendirilmiştir. Şekillendirilen test numunelerinin yarısının yüzeyleri plazma püskürtme yöntemi uygulanarak önce astar ve sonra Y-PSZ ile kaplamaları gerçekleştirilmiştir. Y-PSZ ile kaplanmış yüzeylerin XRD, SEM/EDS ve mikrosertlik gibi karakterizasyon çalışmalarının ardından, kaplanmış ve kaplanmamış test numunelerinin mekanik özelliklerinin belirlenmesi çalışmalarına geçilmiştir. Bunun için sertlik testleri; çentikli charpy darbe deneyleri; farklı yükler, süre ve hız şartları altında abrasif aşınma deneyleri ve Üssel Sürünme Kanunu'na uygun olarak gerilmeye/sıcaklığa bağlı sürünme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen bu çalışmaların sonucunda Y-PSZ ile kaplanmış 6063 alüminyum alaşımının mekanik özelliklerinin yüksek oranda geliştirilebildiği belirlenmiştir. Y-PSZ kaplama ile kaplanmamışına göre abrasif aşınma direnci yüksek oranda arttırılırken, sürtünme katsayısında önemli bir değişiklik gözlenmemiştir. Sürünme deneyleri sonucunda kaplanmış ve kaplanmamış numunelerin sürünme hızları belirlendikten sonra, gerilme faktörü (n) ve sürünmede aktivasyon enerji (Q) değerleri hesaplanarak belirlenmiştir.

Abstract:
Light metals like aluminum alloys have been used in industries for years because of both economical and ecological reasons. But these materials have some disadvantages like low hardness, mechanical strength and wear resistance. Because of their low weights their need for usage in industries are increasing with the need of improving their mechanical and tribological properties. For example; easiest way to resist against wear is to produce the machine parts with hard materials but this solution increase the productions cost of these parts. Wear is a surface problem so we can increase the lifespan of that part, production costs will still stay low. When a material has a coating which is harder than itself, it?s wear resistance will be high as long as that coating exists. Because it?s known that harder materials have better wear resistance than softer materials also soft materials with hard coatings is known as their high toughness properties.Thermal spray methods and especially plasma spray method have increasing importance and being widely used by industries. This method depends on the purpose of spraying the melted wire or powder based coating materials to a surface by the speeds of ~80m/s. By using this method and using ceramic powders like Al2O3 and ZrO2 new application areas were created with improving mechanical properties and wear resistances of metals.In this study, 6063 aluminum alloys surface were coated with wt% 8Y2O3-Partially Stabilized Zirconia (Y-PSZ) by plasma spray process and their mechanical, wear and creep behaviors were investigated.For this purpose T6 heat treatment was applied to injection press casted 6063 series of aluminum bars to increase its machining ability. Then impact, wear, creep etc. test samples were prepared according to the standards. Later, half of the samples were coated with lining and surface coating materials with plasma spray on 6063 aluminum. After the characterization studies like XRD, SEM/EDS and micro hardness tests determination studies of mechanical properties of both coated and un-coated test samples was carried out. To do this hardness tests, charpy impact tests and wear tests for different load, time and speed conditions and also stress and temperature dependant creep tests were carried out according to the Power Law Creep. As a result of these studies Y-PSZ coated 6063 aluminum alloys mechanical properties were significantly increased. By Y-PSZ coating abrasive wear resistance increased no difference on the friction coefficient was observed. As a result of creep tests in coated and uncoated samples after determination of rates of creep, stress factor (n) and creep activation energy (Q) values were calculated.