LEE- Malzeme Mühendisliği-Yüksek Lisans
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Son Başvurular
1 - 5 / 38
-
ÖgeDesign of boron doped (nickel manganese cobalt containing) NMC 811 cathode active materials(Graduate School, 2024-11-21)Many countries have announced that they will gradually ban the sale of internal combustion engine vehicles (ICE) between 2025 and 2050 under the zero emission policy, and only zero emission vehicles (ZEV) will be sold in the near future. Nowadays, there are many brands that produce electric vehicles (EV) and they are constantly making new investments. In general, steps are being taken to improve the batteries of electric vehicles, whose biggest problem is range. According to 2023 data, lithium ion batteries have a market volume of $55 billion, and many researchers expect a compound annual growth rate (CAGR) of around 20% by 2032. Although lithium had been utilized previously in 1980, Goodenough was the first to employ a transition metal as a cathode active material in a layered (2D) structure, LiCoO2 (LCO). Then, because LCO batteries did not function at high charging rates and had a safety issue at high temperatures, due to the close ionic diameter of the Ni2+ ion and the Li+ ion, they were replaced by LiNiO2 (LNO) chemistry. When lithium leaves the cathode during charging, the Ni2+ ion fills the lithium gaps, closing the passageway of lithium. It made diffusion difficult and caused loss of capacity in the battery. Later, LiMnO2 (LMO) replaced LCO as it was economically convenient and environmentally friendly. LMO, which preserved its structure well especially at high temperatures, experienced capacity loss as a result of long cycles. Then, alternatively LiFePO4 (LFP) was utilized as cathode active material due to its environmentally friendly behavior, and high electrochemical stability at 3.5V. Later, while the specific capacity was increased by doping Ni into the LCOs, Al is added into the structure to stabilize it. Ni0.8Co0.15Al0.05 (NCA) structure offers high electrochemical performance, however, its use is restricted in some places due to security problems. NMC contains nickel, manganese and cobalt. It has been studied extensively because it offers high energy and power densities. NMC cathodes were produced in different compositions such as NMC333, NMC532, NMC622, NMC811 to optimize the capacity and the cycle life. The studies reveal that increasing Ni content in chemistry, increases the capacity of the cell but causes several problems such as chemical instability in the structures hence weak capacity retention over cycles. Today, while NMC cathode active materials can be produced with many techniques, co-precipitation method stands forward as it enables to fabricate particles with narrow particle-size distribution, high tap density with spherical morphology. The process consists of two steps: precipitation and calcination. The morphology, the structure and size of the powders obtained from the co-precipitation method are greatly affected by precipitation (pH, mixing temperature, ions concentration, mixing duration and environment) as well as calcination Therefore, in order to fabricate 5-15 micrometer sized, spherical shaped NMC811 powders via coprecipitation researchers have realized many optimization studies in the past. NMC811 suffers from low initial coulombic efficiency and capacity retention over long cycling. Structural, morphological and chemical analyses reveal that 'cation mixing', phase transformation in cycling, microcracking and hence oxygen evolution from the structure are the main problems encountered in the use of NMC811. Cation mixing is the electrochemical transformation of the crystal structure from the layered state to the rock-salt phase during the operation of the battery. Cation mixing occurs when the low-valence metal ions (Ni2+) migrate to the Li+ ion layer and replace the Li+ ions. Due to the low difference between the ionic diameters of Ni2+ (0.69Å) and Li+ (0.76Å) ions diameters among Ni2+, Co2+ and Mn2+ ions, the probability of Li+ ions being in the cation mixing with Ni2+ is higher than others. Cation mixing is not only formed during the synthesis of the material but can also be formed during the use of the battery, by redox reactions. Cation mixing (Ni2+/Li+) causes the system to be unstable thermodynamically and Ni reaches Ni2+ from high valence to low valence, causing Li and O to separate from the system, resulting in the loss of these elements and ultimately performance losses in the battery. The oxygen release from the structure can lead to safety problems since organic electrolyte systems are generally used. Structural analysis shows that NMC811 follows various phase transformation in cycling: from hexagonal to monoclinic (H1-M), from monoclinic to hexagonal (M-H2) and from hexagonal to a hexagonal structure with different lattice parameters (H2-H3). Electrochemically, the transformation from H2 to H3 phase between 4.15-4.2 V causes shrinkage around 3.7% in the c-direction in the hexagonal lattice and as a result, mechanical strain in the cathode active material, this strain causes micro cracks in the structure and leads to a decrease in cycle performance. While one of the ways to eliminate these obstacles is to add Li and O to the structure or to make a surface coating to stabilize the electrode/electrolyte interface, another solution is to control these transformations by doping the structure. Use of boron in doping becomes prominent as boron has high polarizing power due to its 3+ valence and small radius (0.098 nm.) and has strong and short bond length with oxygen leading to preventing oxygen release. Literature review reveals that two different strategies may be used to dop boron in the NMC chemistry. One is to doping boron in coprecipitation and the other is doping boron during calcination. The mechanism behind boron doping to the NMC structure during coprecipitation is that the (003) surface energy of the hydroxide is reduced compared to the {104} surfaces, thus providing the formation of primary particles oriented radially in this direction leading to the elongation of the crystallites in rod and needle shapes. Here in, the amount of boron doping is known to be crucial in the crystallization as B3+ cation may position in tetrahedral and octahedral sites (CN = 4 for 0.11 Å and CN = 6 for 0.27 Å) due to their small ionic radius. While the B3+ ion positioned in the octahedral sites will cause the cell to shrinkage in the c direction due to its small ionic radius compared to the TM ions but the B3+ ion positioned in the tetrahedral sites in the Li layer will cause expansion in the a and c direction. Moreover, the boron doping in calcination with lithium hydroxide reduces the lithium ions in the structure and prevents the development in the (003) direction, thus preventing the formation of the desired layered structure. The chemistry and amount of boron doping are quite effective in the performance of NMC 811. In NMC structures, by-products such as Li3BO3, LiBO2, Li2B4O7 are obtained as a result of the heat treatment of boron source with LiOH. It is observed that the formation of these by-products increases the cation mixing in the structure as the lithium consumption. Li-rich heat treatments are preferred in boron doping studies. In this study, a investigation is realized to investigate the effect of boron doping on NMC811 electrochemical performance. By adding boron in the coprecipitation and calcination steps of the cathode active material production process, the hypothesis put forth here is to examine the impact of the different characteristics of the B-doped NMC811 material on the electrochemical performance. No doping applied precursor named as 'NMC811OH' and boron-doped NMC811 named as 'NMC811OH1B' were successfully synthesized by co-precipitation method. NMC811OH and NMC811OH1B secondary particles with a size of approximately 10-15 μm and a spherical structure were produced. Galvanostatic tests reveal that NMC811 cathode active material without boron doping and calcined in air atmosphere (named as NMC811OH-air) delivers 160 mAh/g first charge capacity at C/10 and after 100 cycles at C/3 and C capacity retention are found to be 78% and 88% respectively, NMC811 cathode active material without boron doping and calcined in oxygen atmosphere so called NMC811OH-Ox delivers 203 mAh/g first charge capacity at C/10 and after 100 cycles at C/3 and C capacity retention are found to be 96.4% and 94.7% respectively. NMC811 cathode active material with boron doping (H3BO3) during co-precipitation and calcined in oxygen atmosphere named as NMC811OH1B-Ox delivers 188 mAh/g first charge capacity at C/10 and after 100 cycles at C/3 and C capacity retention are found to be 88% and 92% respectively and NMC811OH is mixed with LiOH and boron source (H3BO3) during calcination so called NMC811OH-Ox1B delivers 156 mAh/g first charge capacity at C/10 and after 100 cycles at C/3 and C capacity retention are found to be 88% and 89.67% respectively. I(003)/(104) ratio (inverse relationship with cation mixing) are found to be 1.22, 1.24, 1.22 and 1.17 for NMC811OH-air, named as NMC811OH-Ox, NMC811OH1B-Ox and NMC811OH-Ox1B. In all conditions calcined particles are sustained their spherical particle morphology and sizes being in the range of 10-15 μm. The galvanostatic performance shows that 1% H3BO3 doping during coprecipitation was insufficient to improve capacity retention compared to no doped NMC811OH. To further study the interaction of CAM with Li, potentiostatic cyclic voltammetry test is applied. For each electrode, peaks related to H1-M, M-H2 and H2-H3 transformations are noted, as expected. A right shift was detected in the H2-H3 peak in boron doped samples, but after 4 cycles, the loss in capacity peak intensity was found to be greater than the no doped sample in an oxygen environment and was associated with the oxygen loss in the structure and the capacity loss in cycle tests. The findings of this work highlights the importance of firstly Li/TM amount for boron source mixed with lithium hydroxide in calcination causing lithium deficiency caused by by-products or coating on the surface leading to cation mixing, poor charge-discharge capacity, capacity retention and high impedance. Boron doped via co-precipitation NMC811 sample have showed better electrochemical performance caused by better secondary particle morphology but 1% H3BO3 doping during coprecipitation is insufficient to improve capacity retention compared to undoped NMC811 sample. In the calcination processes carried out in oxygen and air, higher capacity was obtained due to the denser and more oriented primary particle structure with the presence of an oxygen-rich environment and better capacity retention due to the pore distribution in the internal structure and particle orientation.
-
ÖgeYarı ergimiş tuz yöntemi ile kromit konsantresinden sodyum kromat üretimi(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023)Kromit cevheri; metal sektörü, refrakter endüstrisi ve krom bileşikleri üretimine krom elementi sağlayan en önemli cevherlerden biridir. Doğada kübik spinal bir yapıda bulunan kromit cevheri içinde bulundurduğu oksit türü ve miktarına bağlı olarak 1500-1900 °C aralığında bir ergime noktasına sahiptir. Kromit minerali krom oksit yanında yüksek miktarda demir oksit ve görece daha düşük miktarda alüminyum silisyum ve magnezyum gibi elementlerin de oksitlerini barındıran bir katı çözelti olarak tanımlanabilir. Kromlu alaşımların ve bileşiklerin cevherlerinden üretiminde oluşan en temel ara bileşik ise kromattır. Kromat bileşikleri kromit konsantresinin alkali bir ortamda oksitlenmesi ile elde edilir. Kromat bileşikleri alkali ortamda kullanılan elemente bağlı olarak sodyum kromat veya potasyum kromat olarak üretilmesi mümkündür. Endüstride sarı kül suyu olarak da bilinen sodyum kromat kanserojen ve toksik bir bileşiktir. Ancak buna rağmen krom ve krom bileşikleri üretimi için endüstride vaz geçilemez olup; krom kaplama banyolarında, pigment olarak seramik ve cam sanayinde, ahşap oymacılık sektöründe ve deri sanayinde kullanım alanına sahiptir. Geleneksel olarak kromit cevherinden sodyum kromat üretimi döner fırında 950 -1200°C aralığında fırının içine oksijen üflenerek cevherin soda ile kavrulmasıyla oluşur. Ancak kavurma sırasında fırının içinde sodyum karbonat ile oluşan sodyum kromat ötektik bir bileşik oluşturarak reaksiyon sıcaklığının altında erir. Oluşan sıvı faz, katı fazın etrafını sararak katı gaz etkileşimine engel olup, reaksiyon verimini %80 -%85'civarına düşürür. Yöntemin düşük veriminden dolayı ortaya çıkan kromatlı atıklar ise hem çevreye hem insan sağlığına büyük risk oluşturur. Bu tehlikeyi önlemek adına reaksiyonun atıkları stokiyometrik olarak fırına tekrar beslenir. Ancak bu durum reaksiyon verimini yeterli ölçüde arttırmadığı gibi fırın hacminin de verimsiz kullanılmasına neden olur. Geleneksel kromat üretim yöntemi olan soda ile alkali kavurma metodunun verimsizliği, yüksek sıcaklık gerektirmesi ve fırın hacminin efektif olarak kullanılamaması yöntemin ekonomik açıdan olan dezavantajlarıdır. Geleneksel yöntemin dezavantajları araştırmacıları alternatif yöntemler geliştirmeye itmiştir. Bu yöntemlerden biri yarı eriyik tuz ortamında kromit cevherinden sodyum kromat eldesidir. Yarı eriyik tuz ortamının hem hidrometalurjik yöntemlere hem de pirometalurjik yöntemlere kıyasla birtakım avantajları vardır. Periyodik tabloda 1A grubu metallerinin hidroksitleri ısıtıldığında erirken önce kendi kristal sularında çözünür. Bu sayede sulu bir sistemin ulaşabileceğinden daha yüksek derişimlerde ve daha yüksek sıcaklıklarda çalışılmasına imkân verir. Ayrıca daha düşük bir viskoziteye sahip olarak difüzyonu kolaylaştırır. Ayrıca çevreye zarar vermeden kromat üretimini sağladığı için de literatürde yeşil yöntem olarak da adlandırılır. Yarı ergimiş tuz ortamında yapılan çalışmaların geleneksel yönteme kıyasla 500 -700°C daha düşük sıcaklıkta olması ve % 99'a varan yüksek verimiyle öne çıkmaktadır. Ayrıca proses kontrolünün kolaylığı ve tuz sisteminin yüksek miktarda aktif oksijen çözebilme kabiliyeti de yöntemin diğer avantajlarındandır. Bu tez çalışmasının amacı yarı ergimiş tuz ortamında kromit cevherinden sodyum kromat elde etmek olup, geleneksel alkali kavurmadan daha düşük sıcaklıkta daha yüksek verimle kromit elde etmek ve bu sayede de kromat üretiminden kaynaklı çevre kirliğinin azaltılması hedeflenmiştir. Bu hedefle tez kapsamında çalışılan kromat üretimi metodunun tuz bileşimi, süre, sıcaklık ve oksidasyon yöntemi gibi parametrelerinin taranması için farklı deney düzenekleri hazırlanmıştır. Tuz bileşimi olarak NaNO3-NaOH seçilmiş olup 325-475°C arasında değişen sıcaklığın etkisi ve reaksiyonun tamamlanma süresi çalışılmıştır. Ayrıca elektrokimyasal oksidasyonla kromit konsantresini kromata yükseltgemek için anodik akım altında çalışmayı mümkün kılan bir deney düzeneği de tasarlanmıştır. Bu kapsamda da elektrokimyasal sistemin koşullarını iyileştirmek için farklı akım yoğunlukları da test edilmiştir. Yapılan deneyler sonucunda kimyasal oksidasyonla ağırlıkça %40 NaNO3 içeren NaNO3-NaOH tuz bileşimde 425℃'de 4 saatlik reaksiyon sonucunda %98 verimle kromit konsantresi kromata yükseltgenmiştir. Reaksiyon atığında ise çözülebilir +6 değerlikli kromat bileşiklerine rastlanmamıştır. Bu sayede kromit cevherinden kromat üretimi geleneksel alkali kavurma yöntemine kıyasla daha yüksek verimde neredeyse 700°C daha düşük sıcaklıkta gerçekleştirilmiştir. Elektrokimyasal oksidasyon ile kromit cevherinin kromata oksitlenmesi için yapılan deneylerde ise %40 NaNO3 içeren NaNO3-NaOH tuz bileşimde 375℃'de 2 saat boyunca 1100 A/m2 akım uygulanan reaksiyon sonucunda %99 verimle kromat dönüşümü elde edilmiştir. Bu sayede literatürde yapılan çalışmalara kıyasla daha kısa sürede ve daha az tuz/konsantre oranında çalışılmış, elektrokimyasal oksidasyon sayesinde benzer verimde kromat dönüşümü sağlanmıştır.
-
ÖgeIn-situ mechanical testing and digital image correlation of super duplex stainless steels to understand hydrogen embrittlement(Graduate School, 2022)Super duplex stainless steel contains ferrite and austenite phases in its microstructure in equal amounts, providing superior mechanical and corrosion properties to most single-phase stainless steels. The microstructure has a continuous ferritic matrix with austenite islands embedded in the ferrite phase. Super duplex stainless steel is a workhorse material used in many industrial applications where the conditions are extreme in terms of corrosion and mechanical loading. Exposure to such extremes is often associated with the liberation of atomic hydrogen. The microstructure can readily absorb formed hydrogen. However, the presence of hydrogen in high-strength microstructures is detrimental; it causes a decrease in load-bearing capacity and ductility, a phenomenon called hydrogen embrittlement. There are failure reports of super duplex stainless steel used in subsea applications with cathodic protection against corrosion. However, analysis of these failed components has shown that only duplex microstructures with an austenite spacing larger than 50 μm fractured due to hydrogen. Critical components with finer microstructures show outstanding endurance, and no failure of such duplex stainless steel has been reported. It has remained unclear why finely-grain duplex microstructures show such an exceptional resistance to hydrogen-induced cracking and why duplex stainless steel with coarse microstructure shows high susceptibility to hydrogen embrittlement. This thesis aims to understand the hydrogen embrittlement of super duplex stainless steel with a small (10 μm) and large (30 μm) austenite spacing microstructure. An in-situ mechanical testing method was developed to study the effect of hydrogen absorption and mechanical strain on the susceptibility to hydrogen embrittlement. The testing method comprises a miniature-sized tensile specimen mounted on a micro-tensile tester, an electrochemical cell for in-situ hydrogen charging, and an optical microscope with an extended focal depth. The sample was continuously slowly strained (0.005 mm/min = 4.17ꞏ10-6 s-1) while the microstructure was imaged until fracture. The specimens were either electrochemically pre-hydrogen charged for up to 72 days and then tested or tested with simultaneous hydrogen charging using self-made electrochemical cells. The results were stress-strain curves and thousands of micrographs which all provide information about the deformation characteristics of materials. Then, these images were processed with digital image correlation software and strain maps were generated to understand local strain behavior. The results have shown that hydrogen absorption caused mechanical softening in the austenite phase, while hardening was observed in the ferrite phase. In addition, the finely-grained duplex microstructure, which has more resistance to hydrogen embrittlement, developed far fewer strain heterogeneities than the coarse one. The austenite grains in the coarse microstructure became more plastically than the austenitic grains in the finer microstructure. Likewise, the ferrite became less affected due to hydrogen absorption in the fine microstructure due to more hydrogen trapping at grain boundaries. It became understood that the magnitude and number of strain heterogeneities are the main reason for hydrogen embrittlement. It also became understood that as long as the austenite phase has the capacity for hydrogen absorption and mechanical straining, the entire microstructure is protected against brittle fracture. Super duplex stainless steel contains ferrite and austenite phases in its microstructure in equal amounts, providing superior mechanical and corrosion properties to most single-phase stainless steels. The microstructure has a continuous ferritic matrix with austenite islands embedded in the ferrite phase. Super duplex stainless steel is a workhorse material used in many industrial applications where the conditions are extreme in terms of corrosion and mechanical loading. Exposure to such extremes is often associated with the liberation of atomic hydrogen. The microstructure can readily absorb formed hydrogen. However, the presence of hydrogen in high-strength microstructures is detrimental; it causes a decrease in load-bearing capacity and ductility, a phenomenon called hydrogen embrittlement. There are failure reports of super duplex stainless steel used in subsea applications with cathodic protection against corrosion. However, analysis of these failed components has shown that only duplex microstructures with an austenite spacing larger than 50 μm fractured due to hydrogen. Critical components with finer microstructures show outstanding endurance, and no failure of such duplex stainless steel has been reported. It has remained unclear why finely-grain duplex microstructures show such an exceptional resistance to hydrogen-induced cracking and why duplex stainless steel with coarse microstructure shows high susceptibility to hydrogen embrittlement. This thesis aims to understand the hydrogen embrittlement of super duplex stainless steel with a small (10 μm) and large (30 μm) austenite spacing microstructure. An in-situ mechanical testing method was developed to study the effect of hydrogen absorption and mechanical strain on the susceptibility to hydrogen embrittlement. The testing method comprises a miniature-sized tensile specimen mounted on a micro-tensile tester, an electrochemical cell for in-situ hydrogen charging, and an optical microscope with an extended focal depth. The sample was continuously slowly strained (0.005 mm/min = 4.17ꞏ10-6 s-1) while the microstructure was imaged until fracture. The specimens were either electrochemically pre-hydrogen charged for up to 72 days and then tested or tested with simultaneous hydrogen charging using self-made electrochemical cells. The results were stress-strain curves and thousands of micrographs which all provide information about the deformation characteristics of materials. Then, these images were processed with digital image correlation software and strain maps were generated to understand local strain behavior. The results have shown that hydrogen absorption caused mechanical softening in the austenite phase, while hardening was observed in the ferrite phase. In addition, the finely-grained duplex microstructure, which has more resistance to hydrogen embrittlement, developed far fewer strain heterogeneities than the coarse one. The austenite grains in the coarse microstructure became more plastically than the austenitic grains in the finer microstructure. Likewise, the ferrite became less affected due to hydrogen absorption in the fine microstructure due to more hydrogen trapping at grain boundaries. It became understood that the magnitude and number of strain heterogeneities are the main reason for hydrogen embrittlement. It also became understood that as long as the austenite phase has the capacity for hydrogen absorption and mechanical straining, the entire microstructure is protected against brittle fracture.
-
ÖgeEffect of rare earth elements addition on magnetic properties of nickel-zinc ferrites(Graduate School, 2024-07-18)Magnetic materials have an important place in today's technological developments, as they are widely used in applications in various industrial fields, from telecommunications to energy production, and data storage. In many engineering fields such as aerospace, and electric-electronics they are required on a very large scale and in different types as core materials of coils, transformers and transducers, or as protective materials of switching and storage devices. Ferrites offer various benefits, such as high electrical resistivity, low eddy current losses, high saturation magnetization and high permeability. Spinel ferrites are soft magnetic materials with diverse applications. Their general formula is represented by MeFe2O4. Soft ferrites are ferrimagnetic substances that lose their magnetization when the magnetic field is took out, meaning they only exhibit ferromagnetism if there is an external magnetic field. Hard ferrites retain their magnetism even after the magnetizing process, thanks to this ability they are also mentioned to as permanent magnets. The properties of ferrites are affected by many parameters like chemical compositions and the preparation methods employed. Ni-Zn ferrite (NZF) is one of the most significant type of soft ferrites and they recognized by a mixed spinel structure. Within these ferrite structures, iron (Fe3+) and zinc ions (Zn2+) take part A-sites, that is tetrahedral sites, while nickel ions (Ni2+) and ferromagnetic iron ions (Fe3+) take part B-sites, that is octahedral sites. NZFs have low coercivity, superior corrosion strength, highly elevated resistivity, and permeability. The characteristics of these ferrite materials such as physical appearance and magnetic properties are greatly affected by structure and composition, and of course that are highly dependent on the synthesis methods utilized. The preparation process, sintering circumstances, and levels of metal oxides, impurities, or doping elements play crucial roles in determining these properties. The improvement of electric and magnetic characteristics of NZFs can be acquired by doping of rare earth (RE) oxides, known for their insulating properties and high resistivities. Therefore, the motivation of this work is to investigate the influence of different RE elements addition on magnetic properties of NZFs. Six different RE elements such as gadolinium (Gd), yttrium (Y) and europium (Eu), dysprosium (Dy), samarium (Sm) and scandium (Sc) were added to the Ni0.5Zn0.5RExFe(2-x)O4 compound; where x, the addition amounts were determined as 0.025 and 0.05. The compositions 0.10 and 0.15 was tried only for the Sc dopant. The powder samples were produced by solid-state method. The phase analysis of the produced samples was conducted with X-ray diffractometer (XRD), and morphological investigation was conducted by using scanning electron microscopy (SEM). Magnetic characteristics were observed by using vibrating sample magnetometer (VSM). According the XRD results, the addition of rare earth dopant increased, the formation of second phase also increased. This is because the dopants added after passing a certain saturation level could not dissolve in the lattice and form secondary phases called REFeO3. The homogeneous particle distribution was observed in morphology examinations. From the SEM pictures, it was obtained that the addition of dopant improved the sinterability of the powders. As a result of VSM analyses, all types and amounts of additives resulted in a decrease in saturation magnetization for both atmospheres compared to the pure sample. The reason for this decrease in saturation magnetization is that RE3+ ions, which have larger ionic radius, replace Fe3+ ions and reducing the net magnetic moment of the material. Coercivity showed a slight increase in samples with additives that sintered in N2 atmospere compared to sample without additives. This increase in coercivity value may be caused by parameters such as the number of metal cations and ion interactions in the spinel lattice. On the contrary, with the addition of dopant, the coercivity value decreased for all elements and amounts for air atmosphere, since smaller grains were obtained after the sintering in air atmosphere. An exception was noted with the Sc additive, unlike other elements, the increase in saturation magnetization value when the addition amount increases from 0.025 to 0.05. When Sc3+ took place in the octahedral region, the distance between the atoms decreased. As a result of the decrement in distance, a stronger A-B interaction emerged and magnetization increased.
-
ÖgeYüksek işlenebilirlik kabiliyetine sahip 2011 alüminyum alaşımı geliştirilmesi(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022)Alüminyum, yerkabuğunda en çok bulunan metallerin arasındadır ve endüstrinin birçok dalında kullanımı günden güne artış göstermektedir. Doğada boksit cevheri olarak bulunmaktadır ve boksit cevherinden önce Bayer Prosesi, ardından Hall-Héroult prosesi ile metalik alüminyum elde edilmektedir. Alüminyumun diğer metallere karşı üstün özellikleri bulunmaktadır. Bunların başında korozyona karşı yüksek direnç gelmektedir. Oluşturduğu doğal pasivasyon tabakası ile oksidasyona karşı yüksek direnç göstermektedir. Düşük yoğunluğa rağmen sahip olduğu yüksek mukavemet, spesifik mukavemet (mukavemet/yoğunluk) oranının yüksek olmasını sağlamaktadır. Bu durum, hafifliğin önem arz ettiği otomotivden uçak-uzay endüstrisine kadar tüm sektörlerde alüminyumu değerli kılmaktadır. Alüminyumun bir diğer avantajı ise diğer metallere göre çok daha kolay geri dönüştürülebilir olmasıdır. Alüminyum alaşımları dövme ve döküm yöntemleri ile nihai haline getirilmektedir ve yapıldıkları işleme göre sınıflandırılmaktadır. Alüminyum döküm yöntemlerine örnek olarak kum kalıba döküm, enjeksiyon döküm, alçak basınç döküm yöntemleri verilebilir. Çok farklı tipte dövme yöntemleri bulunmakla beraber, belirli fiziksel özelliklerin kontrolünün önemli olduğu hallerde dövme yöntemine başvurulmaktadır. İşlenebilirlik, günümüzde birçok sektörde önemli bir malzeme özelliği olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu durum için farklı metaller ve alaşımlar geliştirilip kullanılmaktadır. İşlenebilirliğin önemli olduğu ürünlerden biri de valflerdir. Valflerin üretiminde tolerans aralıkları çok düşüktür. Dolayısıyla bu alanda, işlenebilirliği iyi olan pirinç alaşımları tercih edilmektedir. Pirinç alaşımlarının korozyon direnci de yüksektir ve bu alaşımların mekanik özellikleri genel olarak Zn içeriğine bağlıdır. Ancak diğer alaşım elementleri de mekanik özelliklerini etkilemektedir. Alüminyum alaşımlarının pirinç alaşımlarına göre birtakım avantajları mevcuttur. Bunlar üretim kolaylığı, ekonomik karşılaştırılabilirliği, alaşımın hafifliği ve yüksek spesifik mukavemetidir. Bu avantajlar gözetilerek, valf olarak kullanılabilecek alüminyum alaşımlarının geliştirilmesi ve kullanılması hedeflenmektedir. 2011 alüminyum alaşımı, içerdiği düşük ergime sıcaklığına sahip bizmut ve kurşun elementleri sayesinde yüksek işlenebilirlik kabiliyetine sahip bir alaşım olarak karşımıza çıkmaktadır. Bizmut ve kurşunun oluşturduğu fazlar tane sınırına çökelmekte ve istenen kalitede talaş oluşumunu sağlamaktadır. Bu sayede kesici takımın yağlanması daha kolay gerçekleşmektedir. Bu çalışmada valf olarak kullanılabilecek kalitede alüminyum alaşımlarının üretilmesi ve geliştirilmesi amaçlanmıştır. ASAŞ Alüminyum fabrikasında 2011 alaşımının üretimi gerçekleştirilebilmektedir. Bu alaşım, üretimi yapılırken sırasıyla doğrudan ani soğutmalı döküm, homojenizasyon ve ekstrüzyon aşamalarından geçmektedir. Doğrudan ani soğutmalı döküm yönteminde öncelikle alüminyum külçeler ve/veya hurdalar fırına şarj edilmekte ve metalin ergime işlemi gerçekleştirilmektedir. Ardından metal rafinasyonu ve gaz alma işlemleri yapılır. Bu işlemlerden sonra ise döküm prosesi başlatılır. Döküm prosesi sırasında döküm yolluğundan ilerleyen ergiyik metal, seramik filtrelerden geçerek döküm tablasına ulaştırılır. Üretimi gerçekleştirilecek biyetlerin çapına göre kullanılan döküm kalıpları istenen döküm hızında döküm tablasından uzaklaşır. Aynı anda su spreyi ile soğutma işlemi uygulanarak biyet üretimi gerçekleştirilir. Homojenizasyon işlemi biyetlerin tane yapısının daha homojen hale getirilmesi ve mekanik özelliklerin biyetin her yerinde aynı olması amacıyla yapılmaktadır. Biyetler sürekli veya batch tipi homojenizasyon fırınlarına alınarak alaşıma göre belirlenen sıcaklık ve sürelerde tutulmaktadır. Homojenizasyon işlemi genel olarak alaşımın ötektik sıcaklığının hemen altında gerçekleştirilmektedir. Daha yüksek sıcaklıklarda kısmi ergimeler söz konusu olabileceğinden, homojenizasyon prosesi hem bu hataların önlenmesi hem de en iyi mekanik özelliklerin sağlanabilmesi açısından önemli bir prosestir. Ekstrüzyon prosesi, doğrudan ani soğutmalı döküm yöntemiyle üretilen biyetlerin ısıtılarak yüksek pres gücünde bir kalıptan basılması suretiyle istenilen şekillerdeki profillerin üretildiği bir prosestir. Ekstrüzyonda, biyet sıcaklığı, ekstrüzyon hızı, ekstrüzyon gücü gibi önemli parametreler mevcuttur. İstenilen alaşımlı profillerin üretilebilmesi için bu parametrelerin doğru seçilmesi önemlidir. Bu çalışmada, tüm bu üretim aşamalarının proses parametreleri incelenmiştir. Doğrudan ani soğutmalı döküm yöntemiyle dökülen biyetlerin kimyasal kompozisyonu OES ile belirlenmiş ve DSC analizleri yapılmıştır. Sonrasında, ekstrüzyonla üretilen profillerin sertlik ölçümleri, çekme ve korozyon testleri gerçekleştirilmiştir. Mikro yapı optik mikroskop ve SEM'de incelenmiş ve EDS analizleri yapılmıştır. İşlenebilirlik kabiliyeti kontrol edilmiştir. Gerçekleştirilen araştırmalar ve yapılan deneysel çalışmalar neticesinde, 2011 alaşımının üretim parametreleri belirlenmiş, içeriğinde bulunan bizmut ve kurşunun işlenebilirliğe pozitif etki sağladığı gözlemlenmiştir. Bunlara ek olarak yapılan çalışmalar göstermektedir ki doğrudan ani soğutmalı döküm prosesi sırasında ergiyik metal çok iyi karıştırılmalıdır. Ayrıca, alaşımda bizmut ve kurşun içeriği 1:1 oranında bulunmalıdır. Bu sayede bizmutun genleşmesi kurşunun büzüşmesi ile dengelenecektir. Üretilen alaşımın talaşlı imalatında oluşan talaşın standartlarda istenen özellikte olduğu belirlenmiştir. Çalışmada gerçekleştirilen ekstrüzyon denemelerinde 2011 alaşımı için en yüksek ekstrüzyon hızı 1,7 mm/sn olarak belirlenmiştir. Bu hızın aşılması halinde profilde çeşitli yüzey hataları görülmektedir. Daha yüksek ekstrüzyon hızına ulaşabilmek adına, homojenizasyon sıcaklıkları değiştirilerek ileri çalışmalar yapılması önerilmektedir. Bu çalışmada valf olarak kullanılabilecek alaşımlara eloksal kaplama yapılarak korozyona direnci de ölçülmüştür. Eloksal kaplı olmayan numunede en derin korozyon 562 μm, 4-7 μm aralığında eloksal kaplı numunede 505 μm, 19-25 μm aralığında eloksal kaplı numunede ise 201 μm olarak ölçülmüştür. 19 μm ve üzeri eloksal kaplamada uzun süreli korozyon direnci oluşturmasının mümkün olduğu görülmüştür.