Grafen takviyeli alüminyum ve bakır esaslı yenilikçi malzemelerin toz metalurjisi ile üretiminin geliştirilmesi

Bu çalışmada, elektrik ark deşarj yöntemi (EAD) ile sentezlenen birkaç katmanlı grafenin (FLG), toz metalurjisi (T/M) yöntemi ile Al-Cu, Al-Zn ve Cu esaslı matrise takviye edilip, FLG takviyeli Al-Zn ve Cu esaslı kompozit ve Al-Cu ve Al-Zn esaslı fonksiyonel derecelendirilmiş yenilikçi malzemelerin üretimi, bu malzemelerin yapısal, mekanik ve tribolojik özelliklerinin incelenmesi amaçlanmıştır.Bu amaç doğrultusunda, öncelikle grafenin birkaç katmanlı ve yüksek saflıkta EAD ile üretimi sağlanmıştır. Takviye malzemesi olarak kullanılan FLG, belirli oranlarda (ağ. %0-0,1-0,2-0,3-0,5-0,7) Al-Cu ve Al-Zn esaslı matrise mekanik alaşımlama (MA) yoluyla ilave edilmiştir. Üretilen FLG takviyeli Al-Cu ve Al-Zn esaslı kompozit tozlar artan FLG içeriğine göre altı katman olacak şekilde tasarlanmış, tek eksenli pres yardımıyla istiflenerek sıkıştırılmış ve ardından sinterleme işlemine tabi tutulmuştur. Relatif yoğunlukları %96 ile %98 arasında değişen FLG takviyeli Al-Cu ve Al-Zn esaslı fonksiyonel derecelendirilmiş malzemelerin (FDM), artan FLG içeriğine göre, ilk katmandan son katmana doğru sertlik değerlerinde %50'ye varan oranlarda artış görülmüştür. Ayrıca, FLG içeriğinin yoğun olduğu bölgelerde, grafenin yağlayıcı etkisine bağlı olarak sürtünme katsayısında (COF) iyileşmeler tespit edilmiştir. FLG takviyeli Al-Cu ve Al-Zn esaslı FDM'lerin; optik mikroskop (OM), taramalı (SEM) ve geçirimli elektron (TEM) mikroskobuyla gerçekleştirilen mikroyapısal incelemelerinde ve X-ışını kırınım (XRD) analizlerinde tespit edilen Al4C3 fazının matris yapısında homojen dağılımı matristen yük aktarımı sağlayarak mekanik özelliklerde iyileşmeye sebep olduğu düşünülmüştür. Ayrıca, her katman boyunca artan sertlik değerlerinin, sünek faza takviye edilen FLG'nin dislokasyon yoğunluğunun ve tane boyutu küçültmesinin artmasına neden olduğu tespit edilmiştir.EAD ile sentezlenen FLG, belirli oranlarda (ağ.%0-0,5-1-2) Al-Zn esaslı matrislere harmanlanmış (as-blended) ve farklı sürelerde (2, 4 ve 8 sa) gerçekleştirilen MA yardımıyla takviye edilmiş ve bu tozlar tek eksenli pres yardımıyla sıkıştırılarak, sinterleme işlemine maruz bırakılmıştır. Relatif yoğunlukları öğütme sürelerine göre %88 ve %99 arasında değişen FLG takviyeli Al-Zn esaslı kompozitlerin, OM ve SEM ile gerçekleştirilen mikroyapısal incelemelerinde FLG'nin matris yapısında homojen olarak dağıldığı görülmüştür. Buna bağlı olarak, 4 sa MA ile üretilen ağ.%2 FLG takviyeli Al-Zn-Mg-Cu esaslı kompozit için 155 HV sertlik değerine ulaşılmış ve Al-Zn-Mg-Cu alaşımına kıyasla sertlik değerinde %63,15 oranında artış görülmüştür.EAD ile sentezlenen FLG, belirli oranlarda (ağ.%0,0,1-0,3-0,5) Cu esaslı matrise farklı sürelerde (5 ve 7 sa) gerçekleştirilen MA yardımıyla takviye edilmiş ve bu tozlar tek eksenli pres yardımıyla sıkıştırılarak, sinterleme işlemine tabi tutulmuştur. Relatif yoğunlukları %88 ile %94 arasında değişen FLG takviyeli Cu esaslı kompozitlerin, OM ve SEM ile gerçekleştirilen mikroyapısal incelemelerinde basınçsız sinterlemeye bağlı olarak porozite tespit edilmiştir. Bununla birlikte, 5 sa MA sonrası matris yapısında deformasyonla göze çarpmıştır. Mevcut bu deformasyonun, matris yapısında FLG'nin aglomerasyonundan kaynaklı olabileceği üzerinde durulmuştur. En yüksek sertlik değerine (101 HV) 7 sa MA sonrası ağ. %0,1 FLG takviyeli Cu esaslı kompozitle ulaşılmıştır. Ayrıca takviyesiz Cu ile karşılaştırıldığında, 7 sa MA sonrasında sinterlenmiş olan ağ. %0,3 FLG takviyeli Cu esaslı kompozitlerin sertlik değerinde yaklaşık %31,8 oranında bir artış elde edilmiştir. Fakat, artan FLG içeriği ile Cu ve FLG arasındaki bağın zayıflığı ile ilgili olduğu düşünülen, ağ. %0,5 FLG takviyeli Cu kompozitlerin sertlik değerinde önemli bir düşüş gözlemlenmiştir. 7 sa MA ile elde edilen FLG takviyeli Cu esaslı kompozitlerin COF değerlerinde azalma gözlenmiştir. Grafenin yağlayıcı etkisinden dolayı, Cu esaslı kompozitlerin aşınma özelliklerini iyileştirdiği tespit edilmiştir.