Hurda Alüminyumdan Alümina ve Grafen Takviyeli Alüminyum Hibrit Kompozitlerin Üretimi ve Karakterizasyonu

Abstract

Bu tez çalışmasında, azot gazı altında karıştırmalı döküm yöntemiyle alüminyum matrise farklı katkı oranlarında Al2O3 (ağırlıkça %3, 6, 9) ve grafen nano tabaka (ağırlıkça %0,5, 1, 1,5) takviyesi yapılarak Al6013-Al2O3 ve Al6013-Al2O3-grafen kompozitleri üretilmiştir. Çalışma kapsamında üretilen kompozitlerin değişen takviye oranına göre mikroyapısı, mekanik (yoğunluk, Vickers sertlik, gözeneklilik oranı) ve tribolojik özellikleri (aşınma oranı, kütle kaybı, sürtünme katsayısı) detaylı bir şekilde incelenmiştir. Al6013-Al2O3 kompozitlere uygulanan mekanik ve tribolojik testler neticesinde; en yüksek Vickers sertliği (153±4 HV), en düşük aşınma oranı (1,14x10-7 mm3/(Nm)), en düşük gözeneklilik oranı (%5,86) ve sürtünme katsayısı (µ=0,3) Al6013-%6Al2O3 kompozitte tespit edilmiştir. SEM analizlerinde %9 alümina takviye edildiğinde alüminanın topaklandığı gözlemlenmiştir. Bu topaklanma Al6013-%9Al2O3 kompozitin mekanik ve tribolojik özelliklerini olumsuz yönde etkilemiştir. Bu nedenle Al6013-%6Al2O3 kompozitine farklı oranlarda grafen takviye edilmiştir. Al6013-%6Al2O3-grafen hibrit kompozitleri arasında en iyi mekanik ve tribolojik özelliklere (deneysel yoğunluk, gözeneklilik oranı, sertlik ve aşınma oranı, sürtünme katsayısı) Al6013-%6Al2O3-%0,5grafen (2,66 g/cm3, %4,7, 164±4 HV, 6,77x10-8 mm3/Nm, µ=0,21) hibrit kompozitte ulaşılmıştır. Alüminyum matrise ağırlıkça %0,5 grafen ilave edildiği durumda kompozitin mekanik ve tribolojik özelliklerinin iyileştiği tespit edilmiştir. Yapılan SEM analizlerinde ağırlıkça %1 ve %1,5 grafen içeren hibrit kompozitlerde grafenin topaklandığı gözlemlenmiştir. Bu durum ağırlıkça %0,5 grafen takviye oranından sonra elektrostatik çekim kuvvetleri nedeniyle grafenin topaklanma eğilimine girmesinden kaynaklanmış ve malzemenin mekanik ile tribolojik özelliklerinde düşüşe sebep olmuştur. Sonuç olarak Al6013 matrise belirli oranlarda alümina ve grafen takviyesiyle malzemenin mekanik ve tribolojik özelliklerinde iyileşme olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca azot gazı altında karıştırmalı döküm yönteminin etkili bir üretim yöntemi olduğu kanıtlanmıştır.In this thesis study, Al6013-Al2O3 and Al6013-Al2O3-graphene composites with different reinforcement ratios of Al2O3 (3, 6, 9 wt.%) and graphene nano platelets (0.5, 1, 1.5 wt.%) were produced by the stir casting method under nitrogen gas.In this scope of work, the microstructure, mechanical properties (density, Vickers hardness, porosity ratio), and tribological properties (wear rate, mass loss, friction coefficient) of the produced composites were thoroughly investigated based on varying reinforcement ratios. According to the mechanical and tribological test results, the highest Vickers hardness (153±4 HV), the lowest wear rate (1.14x10-7 mm3/(Nm), porosity ratio (5.86%) and the coefficient of friction (µ=0.3) were observed in the Al6013-6%Al2O3 composite among Al6013-Al2O3 composites. In SEM analyses, it has been observed that agglomeration of alumina occurs when it is reinforced by 9%. Therefore, graphene has been reinforced in the Al6013-6%Al2O3 composite at various ratios. Among the Al6013-6%Al_2 O_3-graphene hybrid composites, the best mechanical and tribological properties (experimental density, porosity ratio, hardness, and wear rate, coefficient of friction) were achieved in the Al6013-6%Al2O3-0.5%graphene hybrid composite (2.66 g/cm3, 4.7%, 164±4 HV, 6.77x10-8 mm3/Nm, µ=0,21). The addition of 0.5wt.% graphene to the aluminum matrix has been found to improve the mechanical and tribological properties of the composite. After the addition of 0.5wt.% graphene, the agglomeration tendency of graphene has been observed due to electrostatic forces. It leads a decrease in the mechanical and tribological properties of the material. As a result, it has been determined that the mechanical and tribological properties of the material improved with the reinforcement of alumina and graphene up to certain proportions into the Al6013 matrix. Furthermore, the stir casting method has proven to be an effective production method under nitrogen gas.