Al- Esaslı Tic Ve Zrc Partikül Takviyeli Kompozitlerin Proses-yapı Ve Özellikleri

Abstract

Süreksiz partikül takviyeli metal matris kompozitlerin mekanik özellikleri başlıca kompozisyona diğer bir değişle matrisin mikroyapısı, takviye elemanının boyutu ve hacim miktarı ve takviye elemanı ile matris arayüzeyine bağlıdır. Bu bağlamda, sinterleme, döküm ve atomizasyon yöntemleri ile üretilmiş Al-4Cu(% ağ.) metal matris kompozitlerinin yapı ve mekanik özellik ilişkisi farkli karbür partikül boyutu ve hacim yüzdeleri gözönüne alınarak araştırılmıştır. Bu çalışmada, ilk olarak ağırlıkça %10 ZrC (8 and 157 μm) ve TiC (13 and 93 μm) takviyeli Al-4Cu(% ağ.) metal matris kompozit tozları, partikül boyut, sertlik, mikroyapısal ve morfolojik özellikleri mekanik alaşımlama süresince optimize ve karakterize edilmiştir. Sonuçlar göstermiştir ki, mekanik alaşımlanmış tozların sertlik değerleri 180 dakika mekanik alaşımlama süresi sonrasında sabit bir değere ulaşmıştır. 180 dk süreyle mekanik alaşımlanmış kompozit ve Al4Cu tozları, 70 MPa basınç ve 550 oC sıcaklıkta 1 saat süreyle vakum sıcak pres kullanılarak sinterlenmiştir. ZrC (başlangıç boyutu 8 μm) içeren kompozitte partikül takviye elemanın kümelenmesi elektron mikroskobu çalışmaları ile gözlenmiştir. Buna karşın diğer kompozitlerde karbür partiküllerinin homojen dağıldığı görülmüştür. Ayrıca, kompozitlerin yoğunluk, sertlik gibi fiziksel özellikleri ve aşınma direnci özellikleri takviye elemanının boyutu gözönüne alınarak incelenmiştir ve bu özellikler matris Al4Cu alaşımı özellikleri ile karşılaştırılmıştır. Karbür partikülü ve matris arayüzey arasındaki zayıf bağlanmaya neden olan kümelenmeden dolayı, ince ZrC (8 μm) takviyeli kompozitin aşınma yüzeyinde yüksek miktarda aşınma kayıpları gözlenmiştir. İkinci olarak, potasyum-alumiunyum ve florür (K-Al-F) esaslı flaks (ergiyik tuzu) destekli döküm yöntemi kullanılarak ağırlıkça % 10 TiC (13 and 93 μm) ve ZrC (8 and 157 μm) takviyeli Al-4Cu (% ağ.) kompozitlerinin mikroyapısal ve fiziksel özelliklerine partikül boyut etkisi incelenmiştir. Ayrıca, Al-4Cu (ağ.%)-xTiC (x=5, 10, 15 and 20 vol.%) kompoziti için takviye elemanı hacim miktarının mikroyapı, yoğunluk, sertlik ve aşınma direnci üzerine etkileri takviyesiz matris alaşımı ile karşılaştırılarak değerlendirilmişlerdir. 13 µm ve 93 µm boyutlu TiC partikülleri Al-4Cu (% ağ.) matrisi içerisinde düzenli bir şekilde dağıldığı, buna karşın 8 µm boyutlu ZrC partiküllerinin matris içerisinde kümelendiği gözlenmiştir. Döküm ve sinterleme yöntemleri ile üretilmiş kompozitlerin sertlik ve göreceli aşınma dirençlerinin karşılaştırılması bu kompozitlerde sertlik ve aşınma dirençlerinin karbür boyutundan çok partiküllerinin hacim miktarına bağlı olduğunu ortaya koymaktadır. Son olarak, döküm yöntemiyle üretilen Al-4Cu (%ağ.) alaşımı ve % 10 (ağ.) ZrC (8 µm ve 157 µm) ve TiC (13 µm ve 93 µm) takviyeli Al-4Cu(ağ.) kompozit tozları, helyum atmosferinde impals atomizasyon yöntemi kullanılarak uniform olarak dağılmış karbür partikülleri içeren küresel şekilli tozlar elde etmek amacıyla üretilmişlerdir. Kompozit tozların mikroyapısal özellikleri, atomizasyon parametreleri ve karbür boyutları gözönüne alınarak incelenmiştir. Küçük boyutlu TiC partikülleri (13 µm) küresel şekilli Al4Cu matris içerisinde düzenli şekilde dağılmasına rağmen, küçük boyutlu ZrC partiküllerinin (8 µm) kümelendiği gözlenmiştir. Bununla birlikte, atomize tozlarda yüksek oranda TiC (13 µm) partikülünün bulunması hücre boyutunun küçülmesine ve dolayısıyla yüksek soğuma hızına neden olmaktadır.

The mechanical properties of discontinuously reinforced MMCs are mainly dependent upon the composition or microstructure of matrix, size and volume content of reinforcement, and matrix–reinforcement interface. In this respect, the structure–mechanical property relationships of Al-4 wt.% Cu matrix composites fabricated by sintering, casting and atomization processes have been investigated using different carbide particle volume fraction and size. Firstly, processing of the Al-4 wt.% Cu metal matrix composite powders containing 10 wt.% ZrC (8 μm and 157 μm) and TiC (13 μm and 93 μm) during mechanical alloying has been characterized and optimized, based on the structural and morphological observations, on the particle size distribution and hardness measurements. Mechanically alloyed powders exhibit the saturation hardness value after milling times of 180 min. These powders were consolidated by vacuum hot pressing under 70 MPa at 550 oC for 1h. SEM observations show that the tendency of clustering to be greater in ZrC (initial size of 8 μm) particle reinforced composite, while the others exhibit much homogeneous distribution of carbide particles. Additionally, physical properties such as density, hardness, and sliding wear resistance of the composites were evaluated as a function of the reinforcement size and their properties were compared with those of Al-4wt.%Cu matrix alloy. A higher amount of wear loss was observed in the worn surface of composite containing fine ZrC particles (8 μm) due to the clustering which leads to weak interfacial bonding between matrix and carbide particles. Secondly, the effects of particle size on microstructure and physical properties of Al-4wt.% Cu composites reinforced with both the 10 wt.% TiC (13 μm and 93 µm) and ZrC (8 μm and 157 μm) particles using the K-Al-F type flux-assisted casting method were investigated. In addition, the effects of the reinforcement volume content on the microstructure, density, hardness and wear resistance of Al-4wt.% Cu-xTiC (x=5, 10, 15 and 20 vol.%) composites fabricated using the same casting method were evaluated by comparing the unreinforced alloy. It was observed that TiC particles (13 and 93 µm in size) were distributed uniformly with the Al-4wt.%Cu matrix, whereas the clustering of small ZrC particles (8 µm in size) was observed. Comparisons of hardness and relative wear resistance of composites fabricated by the casting and sintering processes revealed that these properties strongly depend on volume fractions of the carbide particles rather than carbide particle size. Finally, the cast Al-4wt.%Cu alloy and 10 wt.% ZrC (mean size of 8 µm and 157 µm) and TiC (means size of 13 µm and 93 µm) reinforced composites were atomized in He atmosphere using the Impulse Atomization (IA) to yield spherical shape with uniform distributed carbide particles into Al-4wt.% Cu matrix. The microstructural evolution of droplets were evaluated considering the atomization parameters and carbide particle size. The small sized TiC particles (13 µm) were uniformly distributed in spherical droplets, whereas small sized ZrC particles (8 µm) were clustered. Additionally, presence of high number of TiC (13 µm) particles in atomized powders yield to small cell size, hence this leads to a higher cooling rate.