Grafen ve seramik partikül takviyeli titanyum matrisli hibrit kompozitin toz metalurjisi yöntemiyle üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of graphene and ceramic particle reinforced titanium matrix composite by powder metallurgy method
Yazar: CANTEKİN KAYKILARLI
Danışman: PROF. DR. HASİBE AYGÜL YEPREM ; PROF. DR. DENİZ UZUNSOY
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Bu çalışmada Al2O3, CeO2 ve fonksiyonelleştirilmiş grafen gibi farklı takviye elemanları kullanılarak Titanyum (Ti) matrisli kompozitlerin ve Ti matrisli hibrit kompozitlerin toz metalürjisi yöntemi ile üretimi gerçekleştirilmiştir Üretimi gerçekleştirilen numunelerin mikroyapısal, mekanik, tribolojik özellikleri ile korozyon davranışları incelenmiştir. Çalışma dört faklı bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde, farklı üretim yöntemleri ve proses kontrol ajanları kullanılarak ağırlıkça (ağ.) %5 ve 10 Al2O3 takviyeli Ti matrisli kompozitler üretilmiş ve elde edilen sonuçlarla birlikte en iyi üretim yöntemi bulunmuştur. Çalışmanın ikinci kısmında ise ağ. %5 Al2O3 ve ağ. %1, 2 ve 3 oranında CeO2 ile takviye edilmiş Ti matrisli hibrit kompozitler üretilmiş ve karakterize edilmiştir. Çalışmanın bir diğer aşamasında ise ağ. %1, 3 ve 5 oranında farklı partikül boyutlarında Al2O3 ile takviye edilmiş Ti matrisli kompozitlerin üretim ve karakterizasyon işlemleri gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın ilk üç kısmında üretilen kompozitler içerisinde en iyi özelliklere sahip numune ağ. %3 mikron altı Al2O3 takviyeli numune olarak tespit edilmiş ve fonksiyonelleştirilmiş grafen takviyeli Ti matrisli hibrit kompozit üretimi için başlangıç numunesi olarak seçilmiştir. Çalışmanın son kısmında ise ağ. %3 mikron altı Al2O3 ve ağ. %0,1, 0,3 ve 0,5 fonksiyonelleştirilmiş grafen takviyeli Ti matrisli hibrit kompozitlerin üretimi ve karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir.
Çalışmamız kapsamında en iyi üretim yöntemi olarak, kullanılacak tozların ultrasonik karıştırma yardımıyla etil alkol içerisinde dağıtılması sonrası mekanik alaşımlama işlemine tabi tutulduğu yöntem olarak tespit edilmiştir. Üretilen numuneler içerisinde en yüksek yoğunluk, hacimsel değişim ve en yüksek sertlik değerleri sırasıyla %102,62,-%42,84 ve 1086,4 HV1 değeri ile ağ. %3 mikron altı Al2O3 ve ağ. %0,5 fonksiyonelleştirilmiş grafen takviyeli numunede elde edilmiştir. En düşük özgül aşınma oranı 5 x 10-5 mm3/Nm olarak ağ. %3 mikron altı Al2O3 ve ağ. %0,1 fonksiyonelleştirilmiş grafen takviyeli numunede bulunurken, kompozitler içerisinde en yüksek basma dayanımı ağ. %5 Al2O3 takviyeli, proses kontrol ajanı olarak ağ. %3 stearik asit kullanılan numunede 465,41 MPa olarak tespit edilmiştir. Korozyon testleri sonucunda ise katkısız Ti numunesi 1,248 x 10-2 mil/yıl (mpy) ile en düşük korozyon hızına sahip numune olarak bulunmuştur.

Abstract:
In this study, titanium (Ti) matrix composites and Ti matrix hybrid composites were prepared by powder metallurgy using different reinforcement elements such as Al2O3, CeO2 and functionalized graphene. The microstructural, mechanical, tribological and corrosion properties of the prepared specimens were investigated. The study consists of four different sections. In the first section, 5 and 10 wt.% Al2O3-reinforced Ti matrix composites were prepared using different production methods and process control agents, and the optimum production method was found with the results obtained. In the second section of the study, 5 wt.% Al2O3 and 1, 2 and 3 wt.% CeO2-reinforced Ti matrix hybrid composites were produced and characterized. In another part of the study, titanium matrix composites reinforced with Al2O3 (1, 3, and 5 wt.%) with different particle sizes were prepared and characterized. The specimen with the optimum properties among the composites produced in the first three sections of the study was determined to be the 3 wt.% sub-micron-Al2O3-reinforced composite and was selected as the starting specimen for the production of the functionalized graphene-reinforced Ti matrix hybrid composite.
In our study, the optimum production method was found to be the method of dispersing the powders to be employed in ethyl alcohol utilizing ultrasonic mixing and then subjecting them to a mechanical alloying process. Among the samples produced, the highest density, volume change and hardness values were 102.62%, -42.84% and 1086.4 HV1, respectively, in the specimen reinforced with 3 wt.% sub-micron-Al2O3 and 0.5 wt.% functionalized graphene. The lowest specific wear rate of 5 x 10-5 mm3/Nm was found in 3 wt.% sub-micron-Al2O3 and 0.1 wt.% functionalized graphene, while the highest compressive strength of the composites was 465.41 MPa in the sample with 5 wt.% Al2O3 reinforcement and 3 wt.% stearic acid as process control agent. As a result of the corrosion tests, the un-reinforced Ti sample was found to have the lowest corrosion rate of 1.248 x 10-2 mil per year.