İndüksiyonla sıcak işlemin grafen/Si3N4 takviyeli Al2024 esaslı kompozitlerin mekanik özelliklerine ve mikroyapısına olan etkisinin araştırılması

Abstract

Bu çalışmada, ağırlıkça %0,15, 0,30 ve 0,45 grafen nanotabaka (GNT) takviyeli Al2024 alüminyum esaslı kompozitler (Al2024-GNT), ağırlıkça %1, 3, 6, 9, 12 silisyum nitrür (Si3N4) takviyeli Al2024 alüminyum esaslı kompozitler (Al2024-Si3N4) ve GNT-Si3N4 takviyeli Al2024 alüminyum kompozitler toz metalürjisi yöntemi ile üretilmiştir. Üretilen kompozitlere sinterleme sonrası indüksiyonla sıcak işlem (SSİSİ) uygulanmıştır. Böylece, grafen/Si3N4 takviyesinin ve SSİSİ işleminin üretilen nunumelerin yoğunluğuna, gözenekliliğine, Vickers sertliğine, basma dayanımına ve mikroyapısına olan etkisi incelenmiştir. Sinterleme işlemi 600 °C sıcaklıkta 60 dk süresince, SSİSİ ise 500 °C sıcaklıkta 60 s süresince gerçekleştirilmiştir. Grafen takviyeli Al2024 alüminyum esaslı kompozitler için yürütülen fiziksel ve mekanik testler neticesinde; en yüksek deneysel yoğunluk (2,65 g/cm3), Vickers sertliği (100,3 HV), basma dayanımı (482,6 MPa) ve en düşük gözeneklilik oranı (%4,6) SSİSİ uygulanmış Al2024-%0,15GNT kompozit yapıda elde edilmiştir. Toz metalürjisi yöntemiyle üretilen Al2024-Si3N4 kompozit malzemeler içerisinde en yüksek deneysel yoğunluk (2,71 g/cm3), Vickers sertliği (105,2 HV), basma dayanımı (510 MPa) ve en düşük gözeneklilik oranı (%3,8) SSİSİ uygulanmış Al2024-%9Si3N4 kompozit yapıda elde edilmiştir. Bu Si3N4 katkı oranı (%9Si3N4) esas alınarak Al2024-%9Si3N4-xGNT (x=ağırlıkça %0,15, 0,30, 0,45) kompozit malzemeler hazırlanmıştır. Bu kompozitler içerisinde ise; en yüksek deneysel yoğunluk (2,73 g/cm3), Vickers sertliği (108,5 HV), basma dayanımı (560 MPa) ve en düşük gözeneklilik oranı (%3,6) SSİSİ uygulanmış Al2024-%9Si3N4-%0,15GNT alüminyum hibrit kompozitlerde elde edilmiştir. Yürütülen mikroyapı incelemeleri neticesinde; ağırlıkça %9 Si3N4 ve %0,15 GNT katkı oranından sonra nano boyutlu grafenin ve mikron altı boyutlu Si3N4'ün topaklandığı ve bu sebeple de numunelerin mekanik ve fiziksel özelliklerinin düştüğü tespit edilmiştir. Ayrıca SSİSİ uygulanan numunelerde, tanelerin daha iyi yönlendiği, mikroyapının daha yoğun olduğu gözlenmiş olup bu durumun numunelerin mekanik özelliklerini de olumlu yönde etkilediği sonucuna varılmıştır.

In this study, 0,15%, 0,30% and 0,45% by weight of graphene nanoplatelet (GNPs) reinforced Al2024 aluminum-based composites (Al2024-GNPs), 1, 3, 6, 9, 12% by weight of silicon nitride (Si3N4) reinforced Al2024 Aluminum based composites (Al2024-Si3N4) and GNPs-Si3N4 reinforced Al2024 aluminum composites has been produced by powder metallurgy method. After sintering, hot treatment by induction (HTIAS) was applied to the produced composites. Thus, the effect of graphene/Si3N4 reinforcement and HTIAS process on the density, porosity, Vickers hardness, compression strength and microstructure of the samples produced has been investigated. The sintering process was carried out at 600 °C for 60 minutes, while the HTIAS process has been carried out at 500 °C for 60 seconds. As a result of the physical and mechanical tests carried out for graphene nanoplatelets reinforced Al2024 aluminum-based composites; highest experimental density (2,65 g/cm3), Vickers hardness (100,3 HV), compressive strength (482,6 MPa) and lowest porosity rate (4,6%) HTIAS treated Al2024–0,15%GNPs. It have been obtained in a composite structure. Among the Al2024-Si3N4 composite materials produced by powder metallurgy method, the highest experimental density (2,71 g/cm3), Vickers hardness (105,2 HV), compressive strength (533,2 MPa) and the lowest porosity ratio (3,8%) HTIAS applied Al2024-%9Si3N4 composite structure have been obtained. Based on this Si3N4 additive ratio (9%Si3N4), Al2024-9%Si3N4-xGNPs (x=0,15% by weight, 0,30, 0,45%) composite materials have been prepared. Among these composites; the highest experimental density (2,73 g/cm3), Vickers hardness (108,5 HV), compressive strength (560 MPa) and the lowest porosity rate (3,6%) have been obtained which in the HTIAS applied Al2024-9%Si3N4-0,15%GNPs aluminum hybrid composites. As a result of the microstructure studies carried out; It was determined that after 9%Si3N4 and 0,15%GNPs additive ratio by weight, nano-sized graphene and sub-micron-sized Si3N4 have been clumped and therefore the mechanical and physical properties of the samples decreased. In addition, it have been observed that the grains were more oriented and the microstructure was more dense in the HTIAS treated samples, and it have been concluded that this situation positively affected the mechanical properties of the samples.