Bimetal kompozitlerin metal talaşlarıyla üretimi ve karakterizasyonu

Abstract

Endüstride yüksek özgül dayanımlı malzemelere karşı giderek artan ihtiyacı karşılamaya yönelik, alaşımların mekanik özellikleri, silisyum karbür, alümina, grafit gibi seramik takviyelerle iyileştirilmektedir. Metal matrisli kompozit olarak adlandırılan bu malzemeler, otomotiv, havacılık, savunma sanayii, uzay ve enerji sektörleri, altyapı ürünleri, inşaat gibi birçok alanda kullanılmaktadır. Hafifliğin önemli faktörlerden biri olduğu bu alanlarda alüminyum, düşük yoğunluğu sayesinde en çok tercih edilen matris malzemesi olmuştur. Ancak bu tür malzemelerin eldesinde, üretim zorluğu ve yüksek maliyetlerle karşılaşılmaktadır. Ayrıca, sıvı metalin seramik takviyeyi ıslatma sorunu, matris-takviye arayüzeyinde oluşan intermetalik faz ve takviye malzemesinin kompozitin süneklik ve tokluğunu düşürmesi, kompozitin takviye oranını kısıtlamaktadır. Bu nedenle daha fazla takviye miktarı ile elde edilebilecek daha iyi özellikler sağlanamamaktadır. Bu çalışmada, geleneksel seramik takviyeler yerine metal takviyeler kullanılarak, matrisin süneklik ve tokluk değerlerinde kayba neden olmaksızın, mekanik özellik, aşınma dayanımı ve korozyon davranışı yönünden geleneksel kompozitlerle rekabetçi olabilecek, yüksek oranda takviye fazı içeren yeni nesil bimetal kompozit üretiminin hem ekonomik hem de çevreye duyarlı şekilde gerçekleştirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda, metal takviyeler, hurda talaşlara basınç altında şekil verilerek oluşturulan gözenekli yapıdaki preformlar vasıtasıyla kompozite ilave edilmiştir. Ergiyik haldeki matris malzemesi, preform boşluklarına infiltre edilerek kompozitin üretim süreci tamamlanmaktadır. Hurda talaşların ham madde olarak yeniden üretim döngüsüne katılması, büyük miktarda enerji tasarrufunu mümkün kılmakta ve çevre kirliliğini azaltmaktadır. Ayrıca, talaş kullanımıyla birlikte, geleneksel kompozit üretiminde dezavantaj olarak sayılan yüksek maliyetlerin de önüne geçilmektedir. Yapılan çalışmada, A356 döküm alaşımı ve AA7075 işlem alaşımı matris malzemesi olarak, AISI 304 paslanmaz çelik ve ticari saflıkta titanyum takviye elemanı olarak, ergiyik infiltrasyonlu döküm ve sıkıştırmalı infiltrasyon ise üretim yöntemi olarak seçilmiştir. Üretilen kompozitlerin, faz, mikroyapı, arayüzey, sertlik, aşınma, korozyon ve kalıntı gerilme incelemeleri aracılığıyla, preform ön ısıtma süresi, kalıp pişirme sıcaklığı, döküm sıcaklığı, takviye oranı gibi üretimi etkileyen faktörlerin en uygun değerleri belirlenmiştir. Ayrıca, üretim sonrası, mikro-ark oksidasyonu gibi ek işlemlerle, kompozitin mikroyapı, mekanik ve tribolojik özelliklerinin iyileştirilmesi sağlanmıştır. Elde edilen sonuçların karşılaştırılması amacıyla, çalışma kapsamında, takviyesiz Al alaşımları ve geleneksel SiC takviyeli Al matrisli kompozitler de üretilmiştir. Hem paslanmaz çelik hem de Ti takviyeli kompozitlerde, SiC takviyeli kompozitlere kıyasla, daha iyi infiltrasyon, arayüzeyde daha iyi bir birleşme, nihai yapıda daha düşük porozite, daha iyi aşınma direnci ve daha iyi korozyon dayanımı elde edilmiştir. Buna karşın, SiC takviyeli kompozitlerin sertliği, bimetal kompozitlerden üstün çıkmıştır. Bu kompozitlerin, mekanik özelliklerdeki üstünlüğüne rağmen aşınma ve korozyon dayanımı değerlerinde zayıf kalması, sırasıyla, SiC parçacıkların yüksek kırılganlığı nedeniyle aşınma sırasında hızla parçalanmasından ve metal takviyelere kıyasla daha ince parçacık boyutu nedeniyle birim alanda korozyona duyarlı bölge miktarının artmasından kaynaklanmaktadır. Çalışmada, ayrıca, bimetal kompozitlerde üretim sırasında oluşan intermetalik fazların (paslanmaz çelik için θ-Fe4Al13, η-Fe2Al5 ve γ-Cr2Al13; Ti için TiAl3); geleneksel kompozitlerdeki arayüzey fazlarının aksine, aşınma dayanımına olumlu etkisi olduğu görülmüştür. Bimetal kompozitlerin baskın aşınma mekanizmaları adhezyon ve abrazyon olarak belirlenmiş olup, aşınma yüzeylerinde ayrıca, plastik deformasyon, oksidasyon ve delaminasyona rastlanmıştır. Baskın korozyon mekanizmasının ise galvanik korozyon olduğu ve metal çiftleri arasında kurulan galvanik hücreler nedeniyle Al matriste oyuklanma korozyonunun gerçekleştiği tespit edilmiştir. Bimetal kompozitlerin, benzer korozyon davranışı göstermelerine karşın, şiddetli aşınma koşullarında takviyesiz Al alaşımlarından 10 kat daha dayanımlı olduğu hesaplanmıştır. Çalışma sonuçları değerlendirildiğinde, üretilen bimetal kompozitlerin, başta otomotiv sektörü olmak üzere, geleneksel SiC takviyeli Al matrisli kompozitlerin aşınma dayanımı gerektiren uygulama alanlarında kullanılabilirliği uygun bulunmuştur.