A356, A357 ve F357 alüminyum döküm alaşımlarının hassas döküm tekniği ile üretimi ve karakterizasyonu
Production of A356, A357 and F357 aluminum casting alloys by precision casting technique and characterization
Yazar: MERVE SANCAR COŞKUN
Danışman: PROF. DR. CEVAT BORA DERİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Hassas döküm = Precision casting

Özet:
Havacılık ve savunma sanayinin ihtiyacı olan malzeme grupları arasında alüminyum alaşımları önemli bir alaşım grubu olarak yoğun bir şekilde kullanılmaktadır.  Hafiflik, korozyon dayanımı, kolay işlenebilirlik gibi pozitif özelliklere sahip alüminyum alaşımları ağırlık sınırlamalarının olduğu havacılık ve savunma endüstrilerinde yaygın bir kullanım alanına sahiptir. Son yıllarda savunma ve havacılık sanayinde artan millileştirme projeleri sebebiyle, yurt içi savunma şirketlerinin alüminyum döküm alaşımlarına olan talebi de aynı doğrultuda artmıştır. Pek çok silah sistemlerinde, füze ve roketlerde bir ya da birden fazla alüminyum alaşımına ihtiyaç duyulmaktadır. Bunların önemli bir bölümünü de hassas döküm yöntemi ile elde edilen A356.0, A357.0, F357.0 gibi alüminyum döküm alaşımları oluşturmaktadır. 
Bu tez çalışmasında yukarıda belirtilen üç alüminyum alaşımının hassas döküm yöntemi ile üretimine odaklanılmış olup, ilave olarak havacılık standartlarında belirtilen mekanik özelliklere ulaşılmasında magnezyum ve berilyum elementlerinin bu alaşım kaliteleri dahilindeki etkilerinin incelenmesi amaçlanmıştır. Çalışma Ünimetal Hassas Döküm Makine ve Yedek Parça San. ve Tic. A.Ş. üretim tesislerinde gerçekleştirilmiş olup, mum enjeksiyon, mum bağlama, seramik kaplama, yakma, eritme, gaz giderme vb. standart olan hassas döküm prosesleri ile ısıl işlem parametreleri her üç malzeme grubu için de aynı tutularak özellikle magnezyum ve berilyumun etkileri üzerine yoğunlaşılmıştır. Hammadde kullanımında düşük demir (Fe) oranına sahip (max. 0,10) malzemeler kullanılmış ve azot gazı ile sıvı metal 15 dak. gaz giderme işlemine tabi tutulmuştur. Çalışmada elektrikli 150 kg. kapasiteli pota ocağı kullanılmış ve Al-Sr%10 ile modifikasyon işlemi gerçekleştirilmiştir. Tane inceltme işlemi için Al-Ti%5-B%1 kullanılmıştır. Kalite spesifikasyonu içerisinde kalmak koşulu ile A356 ve F357 alaşımlarında magnezyum, A357 alaşımında ise magnezyum ve berilyum miktarları belirli oranlarda değiştirilerek mukavemet değerleri karşılaştırılmıştır. 
Çalışmanın ilk aşaması olan çekme test çubuklarının hassas döküm yöntemi ile eldesi sonrası, tüm çekme çubuklarının X-ışınları (radyografik) görüntüleri alınarak herhangi bir süreksizlik olup-olmadığı incelenmiştir. İkinci aşamada tüm test çubukları T6 ısıl işlemine tabi tutulmuştur. T6 ısıl işleminde hem çözeltiye alma hem de yaşlandırma sıcaklık ve süreleri sabit tutularak ısıl işlem parametreleri sabitlenmiş ve özellikle magnezyum ve berilyum değişiminin etkilerinin tespiti amaçlanmıştır. Üçüncü aşamada ASTM B 557-15 standardına uygun olarak her bir alaşım grubu için çekme test çubukları hazırlanmıştır. Dördüncü aşamada ise test çubuklarından her bir alaşım grubu için ilk döküm hali ve ısıl işlem sonrası metalografik incelemeler yapılarak mikroyapıdaki değişimler gözlemlenmiştir. Mikroyapı görüntüleri x100, x200, x500 büyütmelerde incelenmiş ve döküm yapısı ile karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Çalışmanın son aşamasında hazırlanan test çubukları çekme testine tabi tutularak çekme (MPa), akma (MPa) ve uzama (%) değerleri elde edilmiştir.
Bu çalışmalar sonucunda A356 alaşımında %Mg oranı 0,25'ten 0,45'e arttırıldığında çekme ve akma dayanımlarında artış, kopma uzamasında ise bir düşüş gözlemlenmiştir. 
F357 alaşımında %Mg oranı artması ile çekme dayanımında önce az miktarda bir azalış sonrasında ise az miktarda bir artış gözlemlendiği için %Mg oranının değişimi ile mekanik özellikler arasında net bir ilişkilendirme yapılamamıştır. Ancak genel olarak Mg oranının %0,44'ün üzerine çıkarılması ile % kopma uzamasında bir düşüş gözlemlendiği söylenebilir. 
A357 alaşımında ~0,45 %Mg değerinde %Be oranı (0,043'ten 0,065'e) arttırıldığında çekme dayanımında az bir artış gözlemlenirken akma dayanımında belirgin bir eğilime rastlanmamıştır. % kopma uzamasının ise benzer miktarda Mg içerikli A356 alaşımına nazaran daha yüksek olduğu söylenebilir.
A357 alaşımında ~0,065 %Be içeriğinde %Mg oranı 0,49'dan 0,66'ya çıkarıldığında ise mekanik performansta düşüş gözlemlenmiştir. 
İncelenen tüm alaşım sistemleri içerisinde (sapma değerleri de dikkate alındığında) hem mekanik dayanım hem de süneklik bakımından optimum performansı gösteren alaşım 1.8 nolu A357 alaşımı olduğu söylenebilir.
Tüm alaşım gruplarında T6 ısıl işlemi sonrası ötektik silisyum fazının küreselleşmesinin daha iyi olduğu gözlemlenmiştir.
Yapılan SEM incelemeleri sonucunda; bazı alaşım gruplarında iğnemsi formda Fe bazlı inklüzyonlara rastlanırken; bazılarında ise Fe ve Mg içerikli Çin alfabesi formunda inklüzyonlar saptanmıştır. Bu form farklılığının mekanik performansa etkisi belirgin bir şekilde gözlemlenmese de yüksek sünekliğin sebebi olabileceği değerlendirilmiştir.
Mekanik test sonuçlarına göre; her alaşım grubu için havacılık standartlarının gereklilikleri yerine getirilerek hassas döküm yöntemiyle alüminyum parça üretiminde başarılı olumuştur. Türkiye'de Hassas Döküm Tekniği ile yeni dökülen alaşımların havacılık standartları gereği döküm reçetesi oluşturulurken elementler üzerinde çok dar aralıklarda çalışılması ve yanısıra büyük tonajlı dökümler yapılması nedenleriyle elementlerin mekanik özelliklerde çok büyük bir değişiklik oluşturmadığı ortaya çıkmıştır.  
Yüksek dayanım değerlerine ulaşmak için Mg ve Be oranları yanısıra; hammaddelerin nemden veya kirden arındırılmış uygun bileşimde ve düşük demir oranına sahip olması, uygun bir gaz giderme işlemi ile safsızlıklardan ve gazlardan arındırılmış bir ergiyik eldesinin de son derece önemli kriterler olduğunun bilinmesi gerekmektedir.

Abstract:
Aluminum alloys are used extensively as an important alloy group among the material groups needed by the aerospace and defense industry. Aluminum alloys are widely used in the aerospace and defense industries where there are weight restrictions thanks to their positive properties such as lightness, corrosion resistance, and easy machinability. Due to the increasing nationalization projects in the defense and aerospace industry in recent years, the demand of domestic defense companies for aluminum casting alloys has increased in the same direction. One or more aluminum alloys are needed in many weapon systems, missiles, and rockets. A significant part of these is aluminum casting alloys such as A356.0, A357.0, F357.0 obtained by the precision casting method. 
In this thesis, it is aimed to examine the effects of magnesium and beryllium elements on the achievement of the mechanical properties specified in aviation standards while the three aluminum alloys mentioned above are obtained by the precision casting method. During the study, standard investment casting processes and heat treatment parameters such as wax injection, wax bonding, ceramic coating, burning, melting, degassing, etc. were kept the same for all three material groups, and only the effects of magnesium and beryllium were focused on. In raw material usage, materials with low iron (Fe) ratio (max. 0.10) were used and nitrogen gas and liquid metal were subjected to degassing for 15 minutes. An electrical ladle furnace was that has 150 kg. capacity was used and a modification process was carried out with Al-Sr10%. Al-Ti5%-B1% was used for grain refinement. The strength values were compared by changing the amounts of magnesium in A356 and F357 alloys, and magnesium and beryllium in A357 alloys, provided that they remained within the quality specification. 
After obtaining the tensile test rods by investment casting method, which is the first stage of the study, X-ray (radiographic) images of all tensile rods were taken and any discontinuities were examined. In the second stage, all test bars were subjected to T6 heat treatment. In the T6 heat treatment, the heat treatment parameters were fixed by keeping both solution and aging temperatures and times constant, and it was aimed to determine the effects of only magnesium and beryllium exchange. In the third stage, tensile test rods were prepared for each alloy group in accordance with ASTM B 557-15 standard. In the fourth stage, the changes in the microstructure were observed by making metallographic examinations after the first casting and heat treatment for each alloy group from the test rods. Microstructure images were examined at x100, x200, x500 magnifications and compared with the cast structure. Tensile (MPa), yield (MPa), and elongation (%) values were obtained by subjecting the test rods prepared at the last stage of the study to the tensile test.
As a result of these studies, an increase in tensile and yield strengths and a decrease in elongation at break were observed when the % Mg ratio in A356 alloy was increased from 0.25 to 0.45.
Since the tensile strength of the F357 alloy increased slightly and then decreased slightly with the increase of %Mg ratio, a clear correlation could not be made between the change in the %Mg ratio and the mechanical properties. However, in general, it can be said that a decrease in the % elongation at break is observed when the Mg ratio is increased above 0.44%.
A slight increase in tensile strength was observed when the Be% ratio (from 0.043 to 0.065) was increased at ~0.45% Mg value in A357 alloy, but no significant trend was observed in yield strength. It can be said that the % elongation at break is higher than the A356 alloy with a similar amount of Mg.
A decrease in mechanical performance was observed when the %Mg ratio was increased from 0.49 to 0.66 in ~0.065% Be content in A357 alloy.
It can be said that among all the alloy systems examined (taking into account the deflection values), it is the alloy No. 1.8, A357 alloy, which shows the optimum performance in terms of both mechanical strength and ductility.
It was observed that the sphericitization of the eutectic silicon phase was better after T6 heat treatment in all alloy groups.
As a result of SEM examinations; Fe-based inclusions in acicular form are encountered in some alloy groups; In some, inclusions in the form of the Chinese alphabet containing Fe and Mg were detected. Although the effect of this form difference on mechanical performance was not observed clearly, it was evaluated that it could be the reason for high ductility.
According to the mechanical test results; it has been successful in the production of aluminum parts by precision casting method by fulfilling the requirements of aviation standards for each alloy group.
Within the scope of the thesis study, it was observed that the strength values increased with increasing Mg ratio in Al-Si-Mg casting alloys, while the highest strength values were obtained in the alloy groups containing Mg as well as Be. In addition to Mg and Be ratios to reach high strength values; it should be known that raw materials should be free from moisture or dirt, have a suitable composition and have low iron content, and obtaining a melt free from impurities and gases with a suitable degassing process are extremely important criteria.