Kil-ponza hibrit takviyeli alüminyum matrisli sintaktik köpük metalin üretimi, iç yapı ve mekanik özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Mühendislikte ana unsurlardan biri olarak yer alan malzeme biliminde, gelişen teknolojiyle birlikte artmakta olan yeni nesil malzeme taleplerini karşılamak adına çeşitli çalışmalar yapılmaktadır. Özellikle kompozit malzemeler üzerine yoğunlaşan bu çalışmalar farklı malzeme tiplerini bir araya getirerek bu özgünlüklerin bir uyum içinde kullanılmasını sağlayarak yeni özelliklerde malzemeler üretmeye çalışmaktadır. 20. yy başlarında ilk çalışmalarıyla malzeme dünyasına ismini yazdıran köpük metaller günümüzde hala devam edilen çalışmalarla birlikte geliştiriliyor ve halihazırda otomotiv, havacılık, yapısal parçalar, biomedikal uygulamalarda kullanılıyor. Köpük metaller geleneksel metallere göre içindeki kapalı veya açık hücreli yapılar sayesinde aynı hacimde daha düşük yoğunluklarla üretilebiliyor, böylelikle mühendislikte ağırlık azaltma gibi uygulamalarda kullanılabilecek bir malzeme olarak göze çarpıyor. Aynı zamanda köpük metaller basma kuvvetleri etkisi altındayken yüksek enerji absorpsiyon değerlerine ulaşabiliyor, bu özelliğiyle birlikte enerji emilim kabiliyeti yüksek ve içi boşluklu yapıdaki geometrileri sayesinde ses yalıtımı, ısı geçişi, gibi avantajlarıyla öne çıkmaktadır. Sintaktik köpük metaller, kapalı hücreli köpük metallerin bir çeşidi olup takviye parçacıklarının metal matris içine dağıtılması sonucu oluşturulan köpük metal türüdür. Bu yapılar metal matris tiplerine, takviye tiplerine, yapısal farklılıklarına, takviye boyutları ve hacim oranlarına göre çeşitli performans avantajları sağlayabilmektedirler. Günümüze kadar yapılan araştırmalarda bu performans incelemeleri, farklı takviye malzemeleri ve metal kombinasyonları üzerinde hem malzeme davranışlarını inceleyen hemde bu malzemelerin üretilebilirliğini araştıran çalışmalar yürütülmüştür. Takviye malzemelerin seçiminde önemli kriterlerden bazıları malzemeye kolay erişim, düşük maliyet ve çevresel sürdürülebilirlik olarak belirtilmiştir. Sintaktik köpük metal araştırma alanını konu alan bu çalışmada Al7075 metal matrisli, genleştirilmiş kil takviyeli, ponza takviyeli ve hacimsel olarak %50 genleştirilmiş kil ve %50 ponza karıştırılmış hibrit takviyeli 3 farklı matris-takviye kombinasyonu kullanılarak sintaktik köpük metaller basınçlı infiltrasyon yöntemi aracılığıyla üretilmiştir. Bu 3 farklı malzeme kombinasyonunda 7 adetlik 3 grup olacak şekilde toplam 21 adet numune üretilmiştir. Bu numunelerin her malzeme grubundan 1 adet olacak şekilde toplam 3 adet mikroyapı incelemelerinde kullanılmak üzere, her grup için 6 adet olacak şekilde toplam 18 adet numune ise basma deneyi için üretilmiştir. Her grupta basma deneyi için üretilen 6 numuneden 3 tanesi T6 ısıl işlemine tabi tutulmuştur. Böylelikle deney sonuçları 3 farklı malzeme grubu ve 2 farklı ısıl işlem durumuyla 6 farklı durumda incelenmiştir. Bu çalışmada Al7075' in 2,81 g/cm3 olan yoğunluğunu takviye malzemeler ekleyerek azaltmak hedeflenmiştir ve bu düşük yoğunluklu sintaktik köpük metallerin mikroyapıları ve mekanik davranışları incelenmiş ve yorumlanmıştır. Çalışmalar sonucunda alüminyum takviyeli sintaktik metal köpüklerin 1,47 – 1,85 g/cm3 değerleri arasında yoğunluk azaltılması sağlanmıştır. Bu da alüminyuma göre bağıl yoğunluk hesaplandığında sırasıyla %52 - %66 olarak sonuçlanmıştır. Elde edilen bu değerler literatürde gerçekleştirilen diğer çalışmalarla elde edilen değerlerle uyumludur. Üretimde, takım çeliğinden imal edilen 30 mm çapında iki parçalı kalıp, piston, hava kanalı açılmış pul ve sıkıştırma bileziği kullanılmıştır. Farklı üretim prosesleri ve parametreleri denenmesinin ardından en verimli ürün elde edilen proses şu şekilde gerçekleşmiştir: Soğuk kalıp önce piston ve bilezik dışındaki kalıp parçaları birleştirilerek toplanır. Ardından yüksek oranda takviye malzeme ile doldurulduktan sonra üstüne silindir alüminyum dan kesilmiş katı haldeki alüminyum parça konulur, metalin üstünede piston ile tampon bölge oluşturması için düşük oranda takviye eklenir. Kalıp ve piston fırında 720°C' de 30dk bekletiliyor. Ardından fırın dışına alınan kalıp bilezik içine yerleştiriliyor ve bilezikdeki vidalar yardımıyla sıcak kalıp saniyeler içinde sıkıştırılıyor son olarak sıcak piston fırından çıkarılarak kalıbın üstüne kapatılıyor ve üzerine 19,61 N yük uygulanarak piston bu sabit yükün etkisiyle kalıba basınç uyguluyor ve kalıp oda sıcaklığında 20dk soğumaya bırakılıyor, ardından kalıp açılarak numune çıkartılıyor. Kalıptaki çapaklanmalar temizlendikten sonra üretim prosesi tekrarlanmaya hazır hale geliyor. Ayrıca numuneler üretildikten sonra standartlara uygun boyutlarda kesilmek üzere torna tezgahında talaşlı imalata tabi tutulmuştur. Bunun yanında mikroyapı incelemeleri için zımpara ve parlatma işlemleri gerçekleştirilmiştir. Isıl işleme yatkınlığı sebebiyle seçilen Al7075 matrisli sintaktik köpük metaller 3 saat 480°C'de bekletilmiştir ardından su verme işlemi gerçekleştirilmiş ve 12 saat boyunca 120°C'de yapay olarak yaşlandırılarak T6 ısıl işlemine tabi tutulmuştur. Mikroyapı incelemelerinde homojen yada homojen dağılıma yakın takviye dağılımlar gözlemlenmiştir. Ayrıca takviye parçacıklarının birbirlerine olan yakınlıkları yada birleşmeleri neticesinde bazı bölgelerde alüminyumun nüfuz etmesini engellemiş ve mikro boşluklar oluşmuştur. Bazı bölgelerde ise dolum eksikliği gözlemlenmiştir. Yapılan basma testleri sonucunda elde edilen maksimum basma gerilmeleri 45,68 – 94,73 MPa, plato dayanımları 17,67 – 85,75 MPa ve enerji absorpsiyon değerleri 14,20 – 42,81 MJ/m3 aralıklarında seyretmiştir genel olarak literatürdeki çalışmalarla uyum söz konusudur. Isıl işlem uygulanmış numunelerin dayanımlarının ; ısıl işlem uygulanmayan numunelere göre ortalama olarak maksimum basma gerilmesinde %41, plato dayanımında %63 ve enerji absorpsiyonunda ise %55 daha iyi performans gösterdiği tespit edilmiştir. Bu çalışmaların sonucunda özelikle kil-ponza hibrit takviyeli alüminyum sintaktik köpük metallerin basınçlı infiltrasyon yöntemiyle üretimi hakkında yöntem ve parametre bilgisi sağlarken bu malzemelerin mekanik özelliklerini ortaya koyarak malzemelerin ileride oluşabilecek kullanım alanları için deneysel bilgi sağlamak ve yol göstermek hedeflenmiştir.