Genleştirilmiş kil takviyeli Al 7075 matrisli sintaktik köpük metalin basınçlı döküm yöntemiyle üretimi, fiziksel ve mekanik özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Tasarım metodolojisinde varılan ileri yaklaşımlarla birlikte malzemelerin geliştirilmesi amacıyla araştırma ihtiyacı doğmuştur. Düşük yoğunluklarda yüksek dayanım elde etmeyi hedefleyen köpük metaller de bu ihtiyacın bir çıktısı olarak literatürde yerini almıştır. Köpük metaller mekanik, ısıl ve akustik açısından üstün özellikleri sayesinde başta otomotiv, inşaat ve havacılık olmak üzere birçok sektörde kendilerine yer bulmuştur. Karmaşık üretim yöntemleri ve yöntemlerin kısıtları, daha farklı üretim teknikleriyle üretilen sintaktik köpük metallerin araştırılmasına sebep olmuştur. Temelde bir dolgu malzemesiyle matris malzemesinin birleşimi ile düşük yoğunlukta yüksek dayanımlara sahip ürünler elde edilmesi hedeflenen bir alt grubu olan sintaktik köpük metallerde (SKM) geleneksel köpük metallere göre daha farklı üretim yöntemleri uygulanıp daha farklı malzemeler kullanılmaktadır. Üretim yöntemleri infiltrasyonla üretim ve dağıtımla üretim olmak üzere iki ana grupta incelenir. Dolgu malzemesi olarak ponza taşı, genleştirilmiş cam ve genleştirilmiş perlit gibi seramikler kullanılırken, matris malzemesi olarak da titanyum, alüminyum ve başka metal alaşımları kullanılmaktadır. Sintaktik köpük metallerin gözenekli yapısı, bu ihtiyaçlara çözüm sağlamaktadır. Sintaktik köpük metallerin üretiminde kullanılan hammaddeler ve üretim parametreleri son ürünlerin yoğunlukları ve dolayısı ile mekanik özellikleri üzerinde etki sahibidir. Literatürde yapılan çalışmalarda bu farklılıklar görülmektedir. Bu tez çalışmasında dolgu malzemesi olarak genleştirilmiş kil küreler kullanılarak alüminyum matrisli sintaktik köpük metaller üretilmiştir. Üretilen numunelerin yoğunlukları 1,89 – 1,95 g/cm3 aralığında çıkmıştır. Bu değer, yoğunluk değeri 2,81 g/cm3 olan 7075 alüminyum alaşımı ve 1,068 g/cm3 olan genleştirilmiş kil malzemelerinin arasında olup beklenen aralıklardadır. Bu tez için üretilen sintaktik köpük metaller soğuk hazneli kalıba basınçlı döküm yöntemiyle üretilmiştir. Karmaşık olmayan bu yöntem, seri üretime uygunluğuyla ön plana çıkmaktadır. Üretim prosesi için dolgu malzemeleri 400°C sıcaklıkta 20 dakika bekletildikten sonra döküm kalıbına yerleştirilmiş, sonrasında kalıp kapatılarak 800°C'de eritilmiş alüminyumun bir enjeksiyon silindiri yardımıyla kalıbın içine infiltrasyonu sağlanmıştır. Tez çalışma kullanılacak numunelerin üretimi esnasında üretimde etkin olan diğer parametrelerin üretim sürecine etkisi gözlemlenmiştir. Dolgu malzemesinin ön ısıtma sıcaklığı olması gerekenden yüksek olduğu takdirde dolgu malzemesinde sinterlenmeler olduğu, düşük olduğu takdirde ise kalıp boşluğu içinde soğuk kürelerle temas eden erimiş metalin erken katılaştığı gözlemlenmiştir. Dolgu malzemesinin ön ısıtma sıcaklığı olarak 400°C olarak belirlenmiştir. Erimiş metalin kalıp içine infiltrasyonunda kullanılan enjeksiyon silindirinin basınç ve hız değerleri de üretim süreçlerine etki etmektedir. Olması gereken basınç ve hız değerlerinden daha yüksek basınç ve hız değerleri kullanıldığı takdirde istenen özelliklere sahip numuneler elde edilemediği tespit edilmiştir. Yapılan denemeler neticesinde uygun silindir basıncı 30 MPa ve piston hızı olarak 40 mm/s belirlenmiştir. Sintaktik köpük metal üretiminde bir diğer önemli parametre olan kalıp sıcaklığı 80°C olduğu takdirde numune üretimi sağlanamamış, 230°C'ye ısıtıldığı takdirde numune üretimi sağlanmıştır. 800°C'de dökümü yapılan erimiş metalin sıcaklığı daha düşük olduğu takdirde kalıp içinde tam dolum gözlenmezken, çinko kaybına mahal vermemek adına daha yüksek döküm sıcaklıklarına çıkılmamıştır. Tüm bu parametreler ışığında yürütülen üretim süreçleri neticesinde 45 mm çap ve 80 mm yüksekliğe sahip sintaktik köpük metal numuneler üretilmiştir. Numuneler, üretim sonrasında makro ve mikro muayene işlemleri için zımparalanmış ve parlatılmıştır. Parlatılan numunelere yapılan makro ve mikro muayenelerde sintaktik yapı içinde en dar aralıklara kadar nüfuziyet sağlandığı gözlenmiştir. Yapıda döküm ve çekme boşlukları gözlemlenmiştir fakat bu boşluklar sintaktik yapının yoğunluğunu düşürmeye yardımcı olduklarından ötürü arzu edilen unsurlardır fakat çoğaldıkları takdirde yapının kırılma karakteristiğine etki ederek mekanik özelliklerde kayba yol açabilmektedir. Üretim işleminden sonra numuneler yoğunluklar açısından küçükten büyüğe sıralanıp numaralandırıldıktan sonra yoğunlukları birbirine yakın numuneler ikişerli olarak gruplandırılmıştır. Mekanik özelliklerdeki iyileştirmeyi incelemek adına bu numunelerin bazıları çökelme sertleşmesi işlemine tabi tutulmuştur. Çökelme sertleşmesi işlemi için numuneler önce 480°C'de 3 saat bekletilmiş, ardından su verildikten sonra 120°C'de 24 saat boyunca yapay yaşlandırmaya tabi tutulmuştur. ISO 13314 standardında yapılan deneyler sonucunda ısıl işlemsiz numunelerin ortalama Plateau gerilmesi ve maksimum basma gerilmesi değerleri sırasıyla 34,1 MPa ve 93,05 MPa; ısıl işlemli numunelerin ortalama Plateau gerilmesi ve maksimum basma gerilmesi değerleri sırasıyla 52,55 MPa ve 131,65 MPa olarak tespit edilmiştir. Enerji absorpsiyon kapasiteleri ısıl işlemsiz numunelerde ortalama 33,67 MJ/m3, ısıl işlemli numunelerde ortalama 41,04 MJ/m3 olarak hesaplanmıştır. İkili gruplar arasında yapılan kıyaslamalarda ısıl işlemli numuneler ve ısıl işlemsiz numuneler arasında Plateau gerilmeleri oranları ve maksimum basma gerilmesi oranları sırasıyla 1,55 ve 1,42 kat olarak hesaplanmış, ısıl işlem vasıtasıyla numunelerin mekanik özelliklerinde olan iyileşme ispatlanmıştır. Yapay yaşlandırma uygulanmış numunelerin maksimum basma dayanımları yüksek olsa da kırılma karakteristiklerinin farklılıkları sebebiyle bazı numunelerde Plateau bölgesindeki gerilme değerlerinde ani düşüşler gözlemlenmiştir. Bu düşüşlerin sebebi olarak metalin iç yapısının değişmesi ve yapı içindeki boşlukların arzu edilenden büyük olduğu takdirde sintaktik köpük metalin kırılma karakteristiğine etki ettiği tespit edilmiştir. Özetle, bu tez çalışmasında soğuk hazneli kalıba basınçlı döküm yönteminde uygun parametreler belirlenerek genleştirilmiş kil takviyeli, 7075 alüminyum matrisli sintaktik köpük metal üretimi başarıyla sağlanmıştır. Üretim sonrasında numunelerin iç yapısı incelenip üretim başarısı gözlemlenmiştir. Numunelerin bazılarına çökelme sertleşmesi uygulanarak ısıl işlemli ve ısıl işlemsiz numuneler arasındaki Plateau gerilmesi, maksimum basma dayanımı ve enerji absorpsiyon kapasitesi gibi mekanik özellikler incelenerek ısıl işlemli ve ısıl işlemsiz numuneler kıyaslanmıştır. Çökelme sertleşmesi uygulanmış numunelerin daha iyi mekanik özellikler sergilediği görülmüştür. Çalışmanın sonuçları literatürdeki diğer çalışmalarla kıyaslanmış ve kullanılan malzeme ve üretim yönteminin üretilen numunelerin yoğunluğuna etki ettiği gözlemlenmiştir. Sintaktik köpük metallerin üretim yöntemlerine yenilikçi bir yaklaşım sergilenmesi hedeflenen bu tez çalışmasında elde edilen bulguların ilerde bu alanda yapılacak başka çalışmaları destekler nitelikte olacağı düşünülmektedir.