Y2O3 kaplanmış Al2O3 takviyeli alüminyum matrisli kompozitlerin üretimi ve aşınma davranışlarının karakterizasyonu

Abstract

Günümüzde havacılık sektöründe alüminyum matrisli kompozitlerin kullanımı oldukça yaygınlaşmıştır. Üretim maliyetlerinin düşmesi ile Metal Matrisli Kompozitler (MMK)'in fren rotorları, piston halkası, silindir çubukları, piston kolu, şaft gibi otomobil parçalarında da, hafif yatak rakorlarında, spor malzemesi olarak, havacılıkta ve tanklarda (tekerlek, hız freni ve fren pabuçları olarak) ve diğer endüstrilerde kullanımlarının da daha da artacağı beklenmektedir.MMK'ler yüksek özgül dayanım (dayanım/ağırlık oranı), yüksek rijitlik, ısıl dayanımları ve aşınma dirençleri nedeni ile endüstriyel ve akademik araştırmacıların ilgi odağı olmaktadır. Hem fiber hem de partikül takviyeli MMK üretimi gelişmiş durumdadır. MMK'lerden partikül takviyeli MMK'ler düşük maliyetleri, geleneksel yöntemler ile üretilebilmeleri ve izotropik özellikleri nedeni ile gelecek vaad etmektedirler. MMK'lerin üretiminde karşılaşılan en önemli problem takviyenin matris tarafından ıslatabilirliğinin zayıf olmasıdır. Islatabilirliğin iyileştirilmesi amacıyla takviyenin kaplanması, partiküllerin işlenmesi (partiküllerin oksitlenmesi) ve matris malzemesinin alaşım elemanın ilavesi (matrise Mg ilavesi gibi) en yaygın kullanılan yöntemlerdir.AA6xxx serisi alüminyum alaşımları orta sert alüminyum alaşımları olarak sınıflandırılmaktadır ve mükemmel şekillendirilebilme kabiliyetleri ile tanınmaktadır. Buna karşın havacılık sektöründe yaygın kullanılan sert alüminyum alaşımlarından AA2xxx ve AA7xxx serisi alaşımlar hem zor şekillendirilebilirlik sergilerler hem de yüksek alaşım içerikleri nedeniyle zayıf korozyon direncine sahiptirler. Bu nedenle AA6xxx Al-Mg-Si alaşımlarının takviyesi ile elde edilecek kompozitlerin sert alüminyum alaşımlarına yakın mekanik özellikler sergileyeceği bununla birlikte üretimlerinin kolaylığı ve korozyon dirençleri açısından onlardan daha avantajlı olacakları beklentisi AA6xxx serisi alaşımların matris malzemesi olarak kullanıldığı kompozitlerin araştırılmasındaki temel motivasyonu oluşturmaktadır. Bu alandaki en büyük zorluk ise matris malzemesi ile takviye elemanları arasındaki ıslatmanın teknolojik bir sorun olarak mühendislerin karşısına çıkmasıdır.Bu doktora tezinde Al2O3 partikül takviyeli AA6061 Al-Mg-Si alaşımı matrisli kompozitlerin üretilmesinde takviye malzemesinin Y2O3 kaplanması ile ıslatma kabiliyetinin arttırılması ve bu şekilde elde edilecek kompozitlerin özelliklerinin belirlenmesi hedeflenmiştir.Kompozit malzeme numuneler sıkıştırma döküm yöntemi ile üretilmiştir. Takviye oranı olarak % 5, 10, 15 ve 20 oranında partikül matris içerisine ilave edilmiştir. Al2O3 partiküllerin alüminyum ile ıslatabilirliğini iyileştirmek amacıyla takviye elemanı nadir toprak oksidi Y2O3 ile kaplanmıştır. Karşılaştırma yapabilmek için ayrıca kaplanmamış Al2O3 partikül takviyeli kompozitler ve takviyesiz alüminyum alaşımı da aynı şekilde üretilmiştir.Elde edilen kompozitlerin karakterizasyonunda ışık metal mikroskobu ve taramalı elektron mikroskobu incelemeleri yapılmıştır. Kaplanmış tozların faz analizinde ve elde edilen numunelerin faz analizlerinde XRD yöntemi kullanılmıştır. Mikroyapı içerisinde nokta analizlerinde EDS analizleri kullanılmıştır.Numunelerin mekanik özelliklerinin karakterizasyonunda Brinell sertlik ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Çalışmada kullanılan matris alaşımı alüminyum AA6061 Al-Mg-Si alaşımı AA6xxx alaşımları içerisinde en yüksek mukavemetli alaşımlardan biridir ve ısıl işlenebilir bir alaşımdır. Bu alaşımlar üretildikten sonra mekanik özelliklerini iyileştirmek amacıyla ikincil işlemlere tabi tutularak alaşımların mekanik özellikleri arttırılabilmektedir. Bu nedenle üretilen numuneler sıkıştırma dökümün ardından şekillendirme işlemine ve çökelme sertleşmesi ısıl işlemine tabi tutulmuştur. Nihai mikroyapıya kavuşturulan numuneler en son olarak aşınma testlerine tabi tutularak aşınma ve sürtünme özellikleri incelenmiştir.Numunelerin döküm mikroyapısında yapılan mikroskobik incelemelerde takviye elemanının matris içerisinde homojen olarak dağıldığı tespit edilmiştir. Hem kaplanmış tozlar ile yapılan incelemelerde hem de üretilmiş kompozit numunelerde Y2O3 tabakalarının oluşmuş olduğu ortaya konmuştur. Takviye oranının artmasıyla beraber kompozitlerin yoğunluklarının ve sertliklerinin arttığı gözlemlenmiştir. Çökelme sertleşmesi sonucunda kompozit malzemelerin sertliğinin daha da arttığı ortaya çıkmaktadır. Ball-on-disk kuru sürtünme deneylerinde artan takviye oranı ve bunun sonucu olarak sertlikteki artışla beraber sürtünme katsayısının azaldığı ve aşınma dayanımının arttığı tespit edilmiştir. Çökelme sertleşmesi sonucunda kompozit malzemelerin sertliğindeki artışla beraber aşınma dayanımları daha da artmaktadır.Sonuç olarak Al2O3 takviye elemanlarının Y2O3 ile kaplanması sonucu matris takviye yapışmasının iyileştirilebileceği, bu şekilde geleneksel yöntemlerle üretilen alüminyum matrisli kompozitlerde mekanik özelliklerin daha da iyileştirilmesinin mümkün olduğu ortaya konmuştur.