AL7Sİ-xB4C VE AL7Sİ-xZrB2 (x= %5, %10 VE %15)kompozitlerinin mekanik alaşımlama ve sinterleme süreçlerinin incelenmesi ve karakterizasyon çalışmaları
Development and characterization of AL7SI-xB4C AND AL7SI-xZRB2 (x= 5 wt.%, 10 wt.% AND 15 wt.%) composites via mechanical alloying and sintering
Yazar: BERNA KAYA
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA LUTFİ ÖVEÇOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Alüminyum endüstriyel uygulamalarda en çok tercih edilen malzemelerden biridir. Ancak bu malzemeler tek başlarına sahip oldukları özelliklerle kullanım koşullarının gerekliliğini her zaman karşılayamamaktadır. Yeni malzemelere olan bu ihtiyacı karşılamak amacıyla kompozit malzemelere ihtiyaç duyulmuştur. Partikül esaslı metal matriks kompozit  malzeme üretiminde kullanılan malzemelerin rahatlıkla temin edilebilmesi ve toz metalurjisi gibi geleneksel bir üretim yönteminin kullanılabilmesi, düşük maliyet ve üretim kolaylığı açısından da bu malzemeleri ilgi çekici bir konuma getirmiştir.
Kompozit malzemeler teknolojik problemlerin üstesinden gelebilmek için uzun süredir kullanılmaktadır. Kompozitler, sıkça kullanılan mühendislik malzemelerindendir ve dizayn, üretim gibi aşamalarda pek çok farklı yöntem izlenerek, otomotiv parçaları, hava araçları, spor malzemeleri gibi pek çok alanda kullanılır hale gelmişlerdir. Bütün malzemeler içinde kompozit malzemeler, alüminyumu sıkça kullanılan çelikten daha iyi özelliklerle üretebilme ve çelikle yerini değiştirebilme potansiyeline sahiptirler.

Metal matriks kompozit malzemeler ileri teknoloji malzemeler grubunda yer alan, genellikle var olan malzemelerin kullanımının uygun olmadığı yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılan malzeme grubudur. Kompozit malzemeler dizayn eden kişilere çok geniş bir malzeme ve sistem çözümü sunarlar. Örneğin otomotiv endüstrisinde ağırlığı azaltmak ve buna bağlı olarak da aracın yakıt tüketimini azaltmak ileri teknoloji uygulamalarında çok önemli bir yer tutmaktadır. Metal matriks kompozitler, matriks malzemeden daha maliyetli oldukları için, malzeme özelliklerinin maliyetten daha önemli olduğu uygulama alanlarında kullanılmaktadır.

Malzemelerin tek başlarına yeterli olmadıkları durumlarda kullanım koşulları sağlanamadığından yeni malzemelere olan ihtiyaç da giderek artar. Metal matriksli kompozit (MMK) malzemeler sınıfında yer alan partikül esaslı metal matriks kompozitler (PMMK), üretimlerinde kullanılan malzemelerin kolay temini, ayrıca toz metalurjisi yönteminin avantajları, düşük maliyetleri ve üretimlerinin kolaylığı göz önüne alındığında kuvvetli bir malzeme grubunu oluştururlar. Yüksek elastik modül, yüksek sıcaklıklarda çalışabilme, düĢük yoğunluk, termal Ģok direnci, yüksek elektik ve termal iletkenlik gibi bazı avantajlara sahiptirler. Partikül takviyeli metal matriks kompozitler (PTMMK), metallerde ve aynı zamanda seramiklerde tek başlarına bulunmayan özelliklerin eşsiz bir bileşimini oluştururlar. Bu kompozitler, matriks dayanımını arttıran partiküllerin homojen dağılımları ile oluşurlar. Genel olarak, yüksek tokluk, sertlik ve takviyelendirilmemiş matriks malzeme ile kıyaslandığında daha düşük yoğunluklarda daha fazla dayanım göstermelerinin yanı sıra iyi aşınma dayanımı gösterirler.
Bu çalışmada alüminyum ile ağırlıkça % 7 oranında silisyum içeren metal matriks toz malzemeler 1 saat, 2 saat, 4 saat ve 8 saat mekanik alaşımlama (MA) yöntemi ile üretilmiştir. Bunun yanında bor karbür (B4C) ve zirkonyum diborür (ZrB2) pekiştirici fazları ile takviyelendirilen alüminyum (Al) ve %7 silisyum (Si) içeriğine sahip metal matriks kompozit (MMK) malzemeler mekanik alaşımlama (MA) yöntemi ile üretilmişlerdir. Ağırlıkça değişen oranlarda bor karbür (B4C) ve zirkonyum diborür (ZrB2) takviyesi yapılan toz malzemeler ile çeşitli sürelerde mekanik alaşımlama (MA) yapılan takviyelendirilmemiş alüminyum – silisyum metal matriks malzemelerin özelliklerindeki farklılıklar üzerinde durulmuştur.
Mekanik alaşımlama (MA) süreçleri sonrası elde edilen toz malzemelerin partikül boyutları laser partikül boyutu ölçüm cihazı ile ölçülmüş, toz malzemelerin mikroyapı ve faz analizleri taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve X-Işınları kırınımı (XRD) teknikleri kullanılarak yapılmıştır. Toz malzemelerin sertlik ölçümleri Vickers mikrosertlik cihazı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ardında mekanik alaşımlanmış numuneler preslenmiş ve presleme sonrası ham yoğunluk ölçümleri yapılmıştır. Sinterlenmiş numunelerin yoğunlukları Arşimet tekniğiyle hesaplanmış ve mikrosertlik deneyleri Vickers mikrosertlik cihazında gerçekleştirilmiştir. Sinterleme sonrası kompozit malzemelerin optik mikroskop (OM) ile yapıları incelenmiş, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve X-Işınları kırınımı (XRD) teknikleri ile mikroyapı ve faz analizleri yapılmıştır. Ayrıca sinterlenmiş numunelere aşınma testi uygulanmış böylece farklı takviye fazların aşınma oranlarına etkisi incelenmiştir.
Yapılan karakterizasyon çalışmaları sonucunda mekanik alaşımlama süresinin artması ile hem toz haldeki hemde sinterlenmiş numunelerin mekanik özelliklerinde önemli oranda artış olduğu gözlemlenmiştir. Buna ek olarak artan B4C ve ZrB2 miktarı ile mekanik özelliklerin daha da iyileştiği gözlemlenmiştir.

Abstract:
Aluminum is one of the most common used materials in industrial applications. In some cases these materials can not satisfy the requirements of working conditions because of their limited properties. Composite materials are needed to meet this need of new materials. As a result of availability in providing the starting materials and using of a conventional production method as powder metallurgy, particulate based composite materials are very attractive for their cost and simplicity in production. 
Composite materials have been utilized to solve technological problems for a long time. They have become common engineering materials and are designed and manufactured for various applications including automotive components, aerospace parts, sporting goods etc. Among all materials, composite materials have the potential to replace widely used steel and aluminum, and often with better performance.

Metal matrix composites are a group of advanced materials designed for use mainly at elevated temperatures where existing materials are not suitable for use. Composite materials offer designers an increasing array of material and system solution. For example in automotive industry reducing weight of a vehicle and therefore reducing the consumption of fuel is very important for high technological applications. MMCs are more expensive than matrix alloys, so they are used in fields where material properties are more important than the cost.

In some cases materials can not satisfy the requirements of working conditions because of their limited properties. Composite materials are needed to meet this need of new materials. As a result of availability in providing the starting materials and using of a conventional production method as powder metallurgy, particulate based composite materials are very attractive for their cost and simplicity in production.

Composite materials have some advantages like high elastic modulus, high strength, workability at high temperatures, low density, thermal shock resistance and high electrical and thermal conductivity. Particle reinforced metal matrix composites (PRMMC) materials exhibit a unique combination of microstructure and properties which is not found in either ceramics or metals alone. These composites consist of a uniform distribution of strengthening particles within a matrix. In general, these materials exhibit good wear resistance, as well as higher stiffness, hardness and strength at a lower density when compared to the non - reinforced matrix material.

The mechanical alloying (MA) process, using ball-milling techniques, has received much attention as a powerful tool for the fabrication of several advanced materials including equilibrium, nonequilibrium (e.g., amorphous, quasicrystals, nanocrystalline, etc.), and composite materials. The MA is a unique process in which a solid state reaction takes place between the fresh powder surfaces of the reactant materials at room temperature. Consequently, it can be used to produce alloys and compounds that are difficult or impossible to obtain by the conventional melting and casting techniques. Basically the ball milling has evolved from being standard technique in milling of ores in mineral dressing and particle size reduction in powder metallurgy to important techniques for the preparation of materials with enhanced mechanical and physical properties either new phases or new engineering materials.

The MA process starts with mixing of powders in the given proportion and charging the powder into the mill along with the grinding medium. This mixture is then milled for the required time till the final state is reached. This state occurs when the composition of every powder particle is the same as the proportion of the elements in the starting powder mixture. Sometimes the powder is milled either to form metastable phases or to achieve certain desired properties. The obtained powder is further consolidated into the bulk shape and heat processed to achieve the specified microstructure and properties.
In this study aluminum and 7 % silicon based metal matrix composite powders are produced via mechanical alloying method. 1, 2, 4, 8 hours are chosen as mechanical alloying time. Another experimental kit is produced via mechanical alloying. Boron carbide and zirconuim diboride is reinforced to aluminum and silicon based metal matrix composite. 1, 2, 4 and 8 hours is chosen as mechanical alloying time. Reinforcing amount of boron carbide and zirconuim diboride is 5%, 10% and 15% weight percent of metal matrix composite.
Differences between non - reinforced metal matrix composite and 5%, 10% and 15% zirconuim diboride and 5%, 10% and 15% reinforced boron carbide metal matrix composites are researched. Their differences in properties with each other are investigated. Moreover, differences in structure cause of various mechanical alloying times were also inspected.
After mechanical alloying process composite powders particle size analysis are achieved at laser particle size analyser. Microstructural and phase characterizations were carried out via scanning electron microscope (SEM), optical microscope (OM) and X-Ray Diffraction (XRD) analyses. Density measurements of green samples were done. Hardness measurements of powder samples were carried out via Vickers microhardness. Sintered samples density measurements of sintered samples are carried out via Archimed's technique. And after that microhardness analyses are done via Vickers microhardness device. Composite materials optical microscope (OM) images are taken and their microstructures are researched. Using scanning electron microscope (SEM) and X-Ray Diffraction (XRD) techniques composite materials microstructure and phase analyses were carried out. Also wear tests are done to the samples with reinforcement. So effects ofdifferent amount of reinforcing materials and different times of mechanical alloying on metal matrix composites wear behavior are investigated.
As a result of characterization studies done in this study, the mechanical properties of all powder and sintered samples are improved by increasing mechanical alloying time. Also with the increase in B4C ve ZrB2 amount of the samples mechanical properties also more increased.
Aluminum based metal matrix composites make up a distinct category of advanced engineering materials that provide unique advantages over conventional aluminum alloys. With the development of new forming methods and the use of low cost particulate material, the use of these composites is increasing in a wide variety of industries.

Aluminum alloys wetting behaviour of ceramic particles are also easy. Pure aluminum can be used as a matrix material also it can be used in aluminum - silicon (Al - Si) form in applications which high wear resistance is needed. For low density and high thermal conductivity aluminum - magnesium (Al - Mg) and aluminum - copper (Al - Cu) alloy forms can be used. Including powder metallurgy most interesting reinforcing elements in aluminum based composites are silicon carbide (SiC), aluminum oxide (Al2O3) and boron carbide (B4C) particulates.