Toz metalurjisi yöntemiyle üretilen  Al-Cu  alaşımlarının mekanik özelliklerinin geliştirilmesi
Improving mechanical properties of Al-Cu powder metallurgy alloy
Yazar: AZİM GÖKÇE
Danışman: DOÇ. DR. ALİ OSMAN KURT ; PROF. DR. FEHİM FINDIK
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metal Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Teknik Eğitim = Technical Education
Dizin: Alüminyum alaşımları = Aluminum alloys ; Toz metalurjisi = Powder metallurgy ; Yaşlandırma = Ageing

Özet:
Alüminyum alaşımları düşük özgül ağırlık, yüksek korozyon dayanımı, geri dönüşüme uygun olması gibi özelliklerinden dolayı günümüzde en çok tercih edilen mühendislik malzemelerindendir. Alüminyum alaşımlarının yapısal uygulamalarda yaygın kullanılan malzeme olan çeliğe göre daha düşük dayanım göstermesi, bu malzemelerin kullanım alanlarını kısıtlamaktadır. Bu tez çalışmasının amacı, Toz metalurjisi (TM) yöntemlerinin avantajlarını kullanarak, yüksek dayanımlı alternatif alüminyum alaşımlarının üretilebilir olduğunu göstermektir. TM esnek ve hassas kompozisyon tasarımına imkân sağlaması, seri üretime uygunluk, düşük enerji gereksinimi, karmaşık parçaların üretilebilirliği ve hammaddenin büyük kısmının ürüne dönüşebilmesi gibi nedenlerle günden güne daha fazla kullanım alanı bulan bir parça imal yöntemidir. Literatürde TM yöntemi ile alüminyum esaslı alaşım geliştirme çalışmalarında çoğunlukla ön-alaşımlı olarak tabir edilen bir ana alaşım hazırlanmakta ve bu yapı atomize edilerek toz haline getirilmektedir. Daha sonra bu tozlar TM alanında farklı uygulamalarda kullanılmaktadır. Ön alaşımlı tozlarla çalışılması, diğer bazı olumsuzluklarla birlikte sertliklerinin elementel tozlara kıyasla yüksek olması nedeniyle, kalıp aşınmasını hızlandırmakta ve buna bağlı olarak da büyük maliyet gerektiren kalıpların kullanım ömürlerini azaltmaktadır. 

Bu çalışmada ise elementel tozlar kullanılarak hem kalıp kullanım ömrünün uzatılması ve hem de istenilen bileşimde yüksek mukavemetli alaşımların geliştirilmesi hedeflenmiştir. Bu amaçla geliştirilen alaşımlara ağırlıkça % 0,5 veya daha düşük oranlarda mikro düzeyde veya % 1`in üzerinde makro düzeyde saf elementel tozlar ilave edilmiş ve ısıl işlem uygulanmak suretiyle dayanım artışı sağlanmıştır. Bu kapsamda çalışmada Al4Cu, Al4Cu0.5Mg, Al4Cu1Mg ve Al4Cu2Mg olmak üzere dört farklı alaşım üretilmiştir. Üretilen alaşımların tamamı ağırlıkça % 4 bakır içermekte olup % 0 ila 2 oranında magnezyum ilave edilen kompozisyonların mikroyapı ve mekanik özelliklere etkileri araştırılmıştır. Üretilen tüm alaşımlar sıkıştırılabilme özellikleri açısından incelenmiş ve en uygun şekillendirme basıncı 400 MPa olarak tespit edilmiştir. Alaşımlara uygulanan ısıl analizlerle her bir alaşımın sinterleme rejimleri hassas olarak belirlenmiş ve sinterlenme esnasındaki boyutsal değişimler tespit edilmiştir. Isıl analizler sonucu magnezyum miktarındaki artışa paralel olarak ötektik fazın oluşma sıcaklığında düşme ve buna bağlı kompaktın genleşme miktarında ise artış gözlemlenmiştir. Numunelere farklı sürelerde azot atmosferi altında yapılan sinter işlemleri sonucunda en yüksek dayanıma 2 saatlik sinter sonrasında ulaşılmıştır. En yüksek sertlik değeri 93 HB ile Al4Cu2Mg alaşımının 2 saat sinterlenmesi ile elde edilirken en yüksek eğme dayanımına 460 MPa ile Al4Cu1Mg alaşımının 2 saat sinterlenmesiyle ulaşılmıştır. Sinter sonrası gerçekleştirilen faz analizlerinde yapının ana fazlar olarak ? (Al), ? (Al2Cu) ve ? (Al7Cu2Fe) oluştuğu tespit edilmiştir. Safsızlık olarak hammaddeden gelen demirin sistemde iğnemsi formda ve çözünemeyen kararlı ? (Al7Cu2Fe) fazını oluşturduğu tespit edilmiştir. Sonrasında, üretilen alaşımlara katı çözelti sertleşmesi ısıl işlemi (T51) uygulanmış ve böylelikle Al4Cu2Mg alaşımı için sertlikte % 37 artışla 124 HB ve Al4Cu1Mg alaşımı için ise eğme dayanımında % 39 artışla 590 MPa`a ulaşmıştır. 

Sonuç olarak mevcut çalışma kapsamında TM tekniği ile elementel tozlarla başlanılarak yüksek dayanım gösteren alüminyum alaşımlarının üretilebilir olduğu gösterilmiştir.

Abstract:
Aluminium alloys are one of the most attractive materials due to their low density, high corrosion resistance and recyclability. Although steel has been dominant material used in the structural applications, aluminium alloys ideal candidate materials to replace steel in the structural applications. However due to its low strength, it is limited to use aluminium alloys for structural applications. Therefore the principal aim of this work is to develop an alternative way to produce high strength aluminium alloys using Powder Metallurgy (PM) technique. PM method has grown its marketplace day by day because of its advantages such as allowing precise and flexible compositional design, giving high production efficiency and low energy consumption, suitability in producing of complex shape parts. It is possible to see some works in the literature about the development of aluminium alloys via PM, however most of those works based on using pre-alloyed powders which are atomised form of liquid solution of an alloy system. Using pre-alloyed powders however have some disadvantages over elemental powder blends such as it lowers compact densities, shortens die life and limits the alloy design. Die cost comprises major part of the expenses in PM process and pre-alloyed powders reduce die life due to their relatively high hardness.
In this work, it was aimed to develop high strength aluminium alloys with desired chemical composition by using elemental powders. For this purpose, micro (< 0,5 wt.%) or macro (> 1 wt.%) level additions of elemental powders were put into the developed alloys and heat treatments were applied afterwards. Therefore, 4 different types of Al-Cu based alloys were produced (i.e., Al4Cu, Al4Cu0.5Mg, Al4Cu1Mg and Al4Cu2Mg). All of the investigated alloys include 4 % wt. copper  (Al4Cu) and various amounts of magnesium (0 ? 2 wt. %) added to the main composition to investigate the microstructural and mechanical effects in relation to magnesium variation. Optimum compaction pressure for produced alloys was determined as 400 MPa after compressibility tests. Sintering temperatures and expansion?shrinkage behaviour of the alloys were determined by thermal analysis using instruments of such as, DSC and dilatometry. According to the results of thermal analysis, an increase in magnesium amount causes a decrease on the formation temperature of the eutectic and therefore resulting in an increase in the percentage of swelling of the compact. The maximum transverse rupture strength of the alloys obtained after 2 hours sintering under nitrogen atmosphere. Al4Cu2Mg alloy, sintered for 2 hours, showed maximum hardness of 93 HB and Al4Cu1Mg alloy sintered for 2 hours gave maximum transverse rupture strength of 460 MPa. Based on the results gained from the phase analysis, ? (Al), ? (Al2Cu) and ? (Al7Cu2Fe) are the main phases found on the microstructures. It is concluded that iron, is a major impurity for aluminium and copper powders, formed insoluble needle like intermetallic ? phase during sintering. Produced alloys subjected to solid solution strengthening heat treatment (T51) that gave 37 % increase in hardness (124 HB) for Al4Cu2Mg and 39 % increase in  rupture strength (590 MPa) for Al4Cu1Mg alloy. As a result of this study, it was shown that, it is possible to produce high strength aluminium alloys via PM method starting from elemental powders.