Basınçlı infiltrasyon yöntemi ile üretilen AA2024 ve AA6061 matrisli, B4C ve SiC takviyeli kompozitlerin üretimi içyapı, fiziksel ve mekanik özelliklerin incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, %50 oranlarında B4C ve SiC partikül takviyeli AA2024 ve AA6061 matrisli kompozit malzemelerin mikroyapı ve mekanik özelliklerine matris bileşimi ve basınç değerinin etkisi incelenmiştir. Çelik borular içerisine 50x8 mm ölçülerinde 48μm ortalama tane boyutuna sahip B4C tozları veya 37μm ortalama tane boyutuna sahip SiC tozları kullanılarak preformlar oluşturulmuştur. Hazırlanan preformlara, 800oC'de basınçlı infiltrasyon tekniği kullanılarak 7 bar ve 8 bar basınçlarda AA2024 ve AA6061 alüminyum matrisler infiltre edilmiştir. Üretilen kompozit malzemelerin mikroyapı incelemeleri EDS donanımlı taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Porozite hesabı hassas teraziye entegre alkol içerisinde askı aparatlı cihaz kullanılarak yapılmıştır. Kompozit malzemelerin mikroyapı incelemeleri, porozitelerin B4C ve SiC takviye partiküllerinin çevresinde yoğunlaşarak meydana geldiği görülmüştür. Artan basınç miktarlarıyla porozite hacim oranında düşüş sağlanmıştır. Elde edilen görüntülerde SiC partiküllü kompozit malzemelerin B4C partiküllü kompozitlere göre daha çok poroziteye sahip olduğu görülmektedir. Bunun sebebinin ise toz tane boyutundan kaynaklandığı görülmektedir. Kompozit malzemelerinin EDS analizlerinde gri renkte intermetaliklerin oluştuğu tespit edilmiştir. Matris elemanında değişen takviye elamanı ile oluşan yapısal farklılıkların tayininde X-Işını difraksiyonu (XRD) kullanılmıştır. XRD analizinde kompozit malzemelerde Al4C3, Al3Ti, Al3BC, Al4SiC4, Al2O3, Al4C3, Mg2Cu, Al3Cu2, MgCuAl2, CuAl2, Al6Si2O13, Al2O3 ve Mg2Si gibi ikincil fazlar oluştuğu gözlemlenmiştir.Mekanik özellikler sertlik ve basma deneyleri ile belirlenmiştir. AA2024 veya AA6061 matrisli kompozit malzemelerin sertlik deneylerinde B4C veya SiC takviyeli kompozitlere uygulanan basınç değerlerinin artması ile sertlik değerinde büyük oranında artış gözlemlenmiştir. Basma deneyinde AA2024 veya AA6061 matrisli kompozit malzemelere takviye elemanı olarak kullanılan B4C veya SiC takviyelerine uygulanan basınç değerinin arttırılmasıyla basma mukavemetlerinin de arttığı gözlemlenmiştir. Bu durum sertlik sonuçlarıyla da uyumludur. Üretilen bu kompozitlerin basma mukavemetindeki bu artış porozitedeki %90'lara varan oranlardaki düşüş ve yapılarda meydana gelen ikincil fazların etkisidir. Yapılan karşılaştırmalara göre mekanik özelliklerdeki iyileşmeler basınç miktarı artması ile özelliklerin arttığı gözlemlenmiştir. Matris elemanı açısından kıyaslama yapıldığında AA6061 matrisli kompozit malzemelerin, AA2024 matrisli kompozit malzemelere göre daha iyi mekanik özelliklere sahip olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca takviye elemanları açısından kıyaslama yapıldığında ise B4C takviyeli kompozit malzemelerin, SiC takviyeli kompozit malzemelere göre daha iyi mikroyapı ve mekanik özelliklere sahip olduğu gözlemlenmiştir.

In this study, the effects of matrix composition and pressure value on microstructure and physical properties of AA2024 and AA6061 matrix composites reinforced with 50% of B4C and SiC particule is examined. By using B4C and SiC particules with 48μm and 37μm average grain size respectively, 50x8 mm-sized preforms are created in 50x8mm dimension steel tubes. Using pressured infiltration technique AA2024 and AA6061 aluminum matrixes are infiltrated under 7 bar and 8 bar pressure and 800 celsius degrees temperature.The microstructure analysis of composite materials is carried out by using EDS-equipped electron microscope (SEM). Porosity is calculated using a device with hooks which is placed in alcohol that is integrated to a precision scales. It is found that porosity is formed around the B4C and SiC particules. Volume of porosity is decreased by increasing the pressure. The results suggest that composites with SiC particule have higher porosity than the composites with B4C particules due to the grain size. EDS analysis also shows the formation of gray-colored intermetallics. The X-ray diffraction (XRD) is used in order to determine the structural differences which were caused by different reinforcement materials. XRD analysis shows the formation of secondary phases such as Al4C3, Al3Ti, Al3BC, Al4SiC4, Al2O3, Al4C3, Mg2Cu, Al3Cu2, MgCuAl2, CuAl2, Al6Si2O13, Al2O3 and Mg2Si. Mechanical properties are determined using hardness and compression tests. The hardness test conducted on AA2024 and AA6061 composites proves that increasing pressure on the composites with B4C and SiC results with substantial increase in hardness value. The pressing test found that increasing pressure on B4C and SiC, which were used to reinforce AA2024 or AA6061 composites, also increases its compression strength. These findings correspond to the results of the hardness test. The increase in compressive strength is the result of up to 90% decrease in porosity and of the secondary phases that occur in the structure. The comparison suggests that pressure increase improves the mechanical properties of matrix composites. According to the comparison between matrix materials, AA6061 matrix composites have better mechanical properties compared to AA2024 matrix composites. Additionally, the comparison between reinforcement materials shows that the composites reinforced with B4C have better microstructure and mechanical properties than the composites reinforced with SiC.