Niyobyum borür katkılı Al5Si hibrit tozların ve kompozitlerin mekanik alaşımlama ve basınçsız sinterleme yöntemleriyle geliştirilmesi ve karakterizasyonu

Malzeme tasarımı, son birkaç yıl içerisinde hafif, çevre dostu, düşük maliyetli, kaliteli ve yüksek performanslı malzeme özelliklerini sürdürme yönünde devam etmektedir. Bu doğrultuda, üstün fiziksel ve mekanik özelliklere sahip olan metal matriksli kompozitlere (MMK) artan bir ilgi mevcuttur. Havacılık, otomotiv ve diğer yapısal uygulamalarda ileri mühendislik malzemelerine duyulan ihtiyaç, metal matriksli kompozitlerin büyük bir hızla gelişimine yol açmıştır. Alüminyum ve alüminyum-esaslı alaşımlar da bu noktada, en çok tercih edilen ana metal matriks malzemeleri olmuştur. Bu malzemeler düşük yoğunluk, korozyon direnci, düşük ergime noktası, oldukça yüksek ısıl iletkenlik, ısıl işlem kapasitesi, esnek işlenebilirlik ve düşük maliyet özellikleri ile diğer metal matriks malzemeleri arasında öne çıkmaktadır. MMK malzemeler, genellikle sert ve direngen ikincil fazların, sünek ve tok ana metal veya alaşım matriksi içerisine homojen bir şekilde dağıtılması sonucu üretilirler. Kullanılan ikincil fazlar genellikle bir seramik ya da refrakter malzeme olarak seçilir. Bu şekilde, metalik özellikler (süneklik ve tokluk) ile seramik özellikler (yüksek mukavemet ve modül) birleştirilerek, ana matriks metali veya alaşımına kıyasla daha üstün performaslı malzemeler üretilir. Bunlar çoğunlukla, daha yüksek çekme ve basma mukavemeti, aşınma dayanımı, düşük termal genleşme, yüksek termal ve elektriksel iletkenlik, agresif ortamlara dayanım, iyi darbe ve erozyon dayanımı, iyi yorulma ve kırılma mukavemeti ve yüksek sıcaklıklarda kullanım özellikleri olarak sıralanabilmektedir. Metal matriks içerisine dağıtılmış fazlar genellikle fiber ya da partikül takviyeler olmak üzere iki çeşittir. Fiber takviyeli kompozitlerin yüksek maliyetler ve teknik zorluklar içeren üretimleri, bunların çok fazla uygulamadaki kullanımlarını sınırlandırmaktadır. Son zamanlarda, partikül takviyeli MMK malzemeler, üretim kolaylıkları, oldukça düşük maliyetleri ve karakteristik izotropik özellikleri sayesinde büyük ilgi görmektedir ve fiber takviyeli kompozitlere kıyasla daha uygun bir alternatif oluşturmaktadır. Ayrıca, partikül takviyelei MMK malzemeler, çeşitli otomotiv uygulamaları için büyük bir potansiyel taşımaktadır. Bu malzemeler genellikle SiC ve TiC partikülleri ile takviyeli alüminyum matriks içermektedir ve sahip oldukları iyi özgül modül ve mukavemet onları diskli fren kasnağı, bağlantı çubuğu, silindir gömlekleri ve diğer yüksek sıcaklık uygulamaları için elverişli kılmaktadır. Metal matriksli kompozitlerin bileşenlerinden üretimi için birçok proses geliştirilmiştir. Bunlardan en yaygın olanları katı faz üretim tekniği olan toz metalurjisi (TM) ile üretim ve sıvı faz üretim tekniği olan geleneksel döküm yöntemleridir. Kompozit malzemede, takviye dağılımını kontrol etmekteki ve homojen bir matriks mikro yapısının elde edilmesindeki güçlükler, sıvı faz üretim teknikleri ile ortaya çıkan sorunlardır. Ayrıca, sıvı üretimi kapsayan yüksek sıcaklıklarda matriks ve takviye arasında olumsuz ara yüzey reaksiyonları meydana gelebilmekte ve gerçekleşen bu kimyasal reaksiyonlar, kompozitlerin mekanik özellikleri üzerinde olumsuz bir etkiye sahip olabilmektedir. Geleneksel döküm yöntemleriyle ilgili takviye ayrışması ve kümelenmesi, kimyasal arayüzey reaksiyonu, yüksek oranda bölgesel kalıntı porozite ve zayıf ara yüzey bağlanması gibi teknik zorluklar, bu üretim yollarının yararlılığını kısıtladığından katı fazda üretim teknikleri tercih edilmektedir. En yaygın katı fazda üretim, toz metalurjisi tekniklerine dayanmaktadır. Metal matriksli kompozitler, döküm işlemlerinin tipik segregasyon (ayrışma) olayları olmadan toz metalurjisi ile tüm alaşım bileşimlerinde üretilebilmektedir. Fakat, bu tekniğe özgü temel güçlüklerden biri de, metal matriks içerisinde homojen bir takviye dağılımı elde etmektir. Takviye fazın homojen dağılımı, bir kompozit malzemenin üstün performans göstermesi için gereken ilk şart olmakla birlikte takviye partiküllerin aglomerasyonu (topaklaşma) kompozit malzemenin özelliklerini bozmaktadır. Partikülün içerdiği boyut, yoğunluk, şekil, akış veya elektriksel yük gelişimindeki farklılıkların tamamı partikül aglomerasyonuna katkıda bulunan unsurlardır. Bu noktadan hareketle, matriks boyunca partikül dağılımını geliştirmek için yüksek enerjili bilyalı öğütme kullanılmıştır. Halen yaygın olarak mekanik alaşımlama veya mekanik öğütme olarak bilinen bu teknik, Benjamin tarafından oksit dağılımı ile sertleştirilen nikel süper alaşımlarını üretmek için geliştirilmiştir. Mekanik alaşımlama, toz karışımlarının birlikte öğütüldüğü bir işlemdir. Homojen bir alaşım elde etmek için malzeme taşınmasını içerir. Bu durum ise tekrarlanan plastik deformasyon, kaynaklanma ve kırılma mekanizmaları yoluyla gerçekleşir. MA, diğer yöntemlerle elde edilenlerden daha iyi özelliklerde metal matriks kompozit malzemelerin geliştirilmesi için uygun bir tekniktir. MA kullanılması, takviye partiküllerin aglomerasyonunu önler ve matriks içinde homojen bir takviye dağılımına yol açar. Ayrıca, bu sürekli çarpışma takviye bünyesinde bulunabilecek ve zamanından önce kompozit malzemenin kırılmasına neden olan muhtemel kusurları ortadan kaldırır. Bu tez çalışması kapsamında, mekanik alaşımlama ve sonrası süreçler ile ötektik altı Al5Si bileşimine sahip ana alaşım matriksine yapılan çeşitli borür takviyelerinin fiziksel, mikroyapısal ve mekaniksel özellikler üzerine etkileri incelenmiştir. Başlangıçta laboratuvar ortamında sentezlenmiş NbB-NbB2-Nb3B4 tozları ve ticari kalitede elde edilen NbB2 tozları kullanılmış ve ardından elde edilen sonuçlardan yola çıkılarak farklı borür takviyeleri denenmiştir. Buradaki temel amaç; yumuşak, sünek ve hafif ana matriks metali olan alüminyum ve sert ve mukavetli alaşımlama elementi olan silisyum birlikteliğindeki yapıya sert, direngen ve kararlı seramik pekiştiriciler olan çeşitli borür tozlarının ilavesi ile gelişmiş özelliklere sahip bir hibrit kompozit yapı elde etmektir. Deneysel çalışmalar, alaşım matriksine takviye elamanı olarak ilave edilecek çeşitli borür tozlarının (NbB-NbB2-Nb3B4, VB2-VB-V3B4, LaB6) İTÜ Partikül Malzemeler Laboratuvarları'nda mekanokimyasal sentezlemesi ile başlamıştır. Ticari kalitede kullanılacak olan borür pekiştiricileri (NbB2, VB, LaB6) ise laboratuvar imkanları dahilinde mevcut durumdadır. Ağırlıkça % 5 silisyum içeren Al5Si bileşimine sahip ana alaşım matriksi, ağırlıkça % 2 miktarında ticari kalite ve laboratuvar ortamında sentezlenen borür tozları ile takviyelendirilmiştir. Takviye elamanı olarak öncelikle niyobyum borür tozları, ardından elde edilen sonuçlar doğrultusunda ise vanadyum borür ve lantan borür tozları kullanılmıştır. MA süreleri, ana alaşım matriks bileşimi için 1, 2, 3, 4, 6 ve 8 saat, niyobyum borür takviyeli bileşim için de 1, 4 ve 8 saat olarak seçilmiştir. Vanadyum borür ve lantan borür takviyeli kompozit bileşimleri ile devam eden deneylerde ise, 4 saatlik MA süresi seçilmiştir. Karşılaştırma yapılabilmesi açısından tüm kompozisyonların öğütülmemiş harman karışımları da kullanılmıştır. Planlanan MA işlemleri 1200 rpm'de çalışan SPEXTM 800D Mixer/Mill yüksek enerjili öğütücü ile gerçekleştirilmiştir. Harmanlanmış ve mekanik alaşımlanmış tozların faz ve yapı analizleri için X-ışınları difraktometresi (XRD) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılmıştır. X-ışınları difraktometresine bağlı çalışan TOPAS V3.0 yazılımı kullanılarak da kristalit boyutu ve kafes deformasyonu değerleri belirlenmiştir. Ardından toz kompozitlerin partikül boyut ve BET yüzey alanı ölçümleri gerçekleştirilmiş ve diferansiyel termal analiz tekniği ile de sinter koşulları belirlenmiştir. 450 MPa altında tek eksenli hidrolik pres kullanılarak şekillendirilen ham kompaktlar, 570°C'de 2 saat boyunca Ar atmosferi altında sinterlenmiştir. Sinterlenmiş bünyelerde XRD, SEM ve optik mikroskop analizleri ile faz ve yapı incelemeleri gerçekleştirilmiştir. Sinter yapıların yoğunlukları sıvı etanol ortamında Arşimet prensibi ile belirlenmiştir. Son olarak, kompozit yapıların mekanik özeliklerinin tespiti için sertlik ve aşınma testleri uygulanmıştır. Karakterizasyon çalışmaları sonrasında mekanik alaşımlamanın beraberinde tüm borür pekiştiricilerinin malzemenin fiziksel ve mekanik özelliklerini iyileştirdiği görülmüştür. Ticari kalite VB pekiştiricili 4 saat mekanik alaşımlanmış hibrit tozlardan elde edilen sinter yapı, % 99,4 ile en yüksek göreceli yoğunluk değerine sahiptir. Kompozit yapılar arasında en yüksek sertlik değeri (139.1±12.98 HV0.1) ve buna paralel olarak en dar alanda en az aşınma kaybı (0.072 mm3) sentezlenmiş vanadyum borür pekiştiricili 4 saat mekanik alaşımlanmış hibrit tozlardan elde edilen sinter yapıda mevcuttur.