Zirkonya ve Grafen Takviyeli Al6061 Esaslı Kompozitlerin Üretimi ve Karakterizasyonu

Abstract

Bu araştırmada, alüminyum matrise zirkonya (ZrO2) ve grafen nanotabaka eklemesinin kompozitlerin mikroyapıları, mekanik (yoğunluk, gözeneklilik oranı, sertlik) ve tribolojik özellikleri (kütle kaybı, aşınma oranı) üzerindeki etkisi incelenmiştir. Toz metalürjisi ve indüksiyonla sıcak presleme yöntemleri kullanılarak, Al6061-ZrO2 ve Al6061-ZrO2-Grafen kompozitlerinin üretimi gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada, takviye oranının ve ısıl işlem türünün (sinterleme, indüksiyonla ısıl işlem) kompozitlerin mikroyapıları, mekanik ve tribolojik özellikleri üzerine etkileri ayrıntılı şekilde incelenmiştir. Mekanik ve tribolojik testler sonucunda; Al6061-ZrO2 kompozitlerinde, en yüksek deneysel yoğunluk (2,71 g/cm³) ve sertlik (157±2 HV) sinterlenmiş ve indüksiyonla sıcak preslenmiş %4 ZrO2 içeren kompozitlerde elde edilmiştir. Bu kompozitler ayrıca en düşük kütle kaybı (0,0047 g) ve aşınma oranı (6,39x10⁻⁷ mm³/Nm) değerlerine de sahip olmuştur. Fakat, %5 ZrO2 takviyesinde nanopartiküllerin mikroyapıda topaklanması nedeniyle mekanik ve tribolojik özelliklerde bir azalma gözlemlenmiştir. %1, 2, 3, 4 ZrO2 katkılı Al6061 esaslı kompozitlere yönelik yapılan SEM analizleri, ZrO2 nanopartiküllerinin mikroyapıda homojene yakın bir biçimde dağılmış olduğunu göstermektedir. XRD analizleri ise mikroyapıda istenmeyen ikincil fazların bulunmadığını ortaya koymuştur. Al6061-%4ZrO2-Grafen hibrit kompozitlerin SEM analizlerinde, grafen ve ZrO2 nanopartiküllerinin tane sınırlarında yerleştiği gözlemlenmiştir. Bu durum, sinterleme ve indüksiyonla ısıl işlem sırasında aşırı tane büyümesini engelleyerek mekanik özelliklerin iyileşmesini desteklemektedir. XRD örgü desenlerinde ise büyük ölçüde alüminyum ve ZrO2 pikleri tespit edilmiştir. Al6061-%4ZrO2-Grafen hibrit kompozitlerinde en yüksek deneysel yoğunluk (2,72 g/cm³) ve sertlik (162±2 HV) sinterlenmiş ve indüksiyonla sıcak preslenmiş Al6061-%4ZrO2-%0,15Grafen kompozitlerinde elde edilmiştir. Aşınma testleri sonucunda, en düşük kütle kaybı (0,0042 g) ve aşınma oranı (6,17x10⁻⁷ mm³/Nm), 10 N yük altında sinterlenmiş ve indüksiyonla sıcak preslenmiş Al6061-%4ZrO2-%0,15Grafen hibrit kompozitlerinde elde edilmiştir. Grafen katkı oranı arttıkça elde edilen örneklerin mikroyapısında grafen nanopartiküllerinin topaklandığı ve mekanik ile tribolojik özellikleri olumsuz yönde etkilediği gözlemlenmiştir. Ayrıca, sinterleme ve indüksiyonla sıcak presleme gibi ısıl işlemlerin, malzemenin mekanik ve tribolojik özelliklerini iyileştirdiği doğrulanmıştır. Anahtar Sözcükler: Toz Metalürjisi, Al6061, Zirkonya, GrafenIn this study, the effect of zirconia (ZrO2), and graphene reinforcements on the microstructure, mechanical (density, porosity, hardness), and tribological properties (mass loss, wear rate, friction coefficient) of composites were investigated. Al6061-ZrO2, Al6061-ZrO2-Graphene composites were fabricated by powder metallurgy and induction heat treatment methods. Also, the effects of reinforcement ratio and heat treatment type (sintering, induction heat treatment) on the microstructure, mechanical and tribological properties of the composites were examined in detail. As a result of mechanical and tribological tests, the highest experimental density (2.71 g/cm³) and hardness (157±2 HV) values were obtained in the sintered and induction hot-pressed composites containing 4% ZrO2. These composites also exhibited the lowest mass loss (0.0047 g) and wear rate (6.39x10⁻⁷ mm³/Nm) values. However, in the case of 5% ZrO2 reinforcement, a decrease in mechanical and tribological properties was observed due to nanoparticle agglomeration in the microstructure. SEM analyses of %1, 2, 3, 4 ZrO2 reinforced Al6061 based composites showed that the ZrO2 nanoparticles were nearly homogeneously distributed in the microstructure. XRD analyses revealed the absence of undesirable secondary phases in the microstructure. In SEM analyses of Al6061-ZrO2-Graphene hybrid composites, it was observed that graphene and ZrO2 nanoparticles were located at the grain boundaries. This situation helps improve mechanical properties by preventing excessive grain growth during sintering and induction heat treatment. XRD diffraction patterns mostly detected aluminum and ZrO2 peaks. The highest experimental density (2.72 g/cm³) and hardness (162±2 HV) values in Al6061-%4ZrO2-Graphene hybrid composites were obtained in the sintered and induction hot-pressed Al6061-%4ZrO2-%0.15Graphene composites. Wear tests showed that the lowest mass loss (0.0042 g) and wear rate (6.17x10⁻⁷ mm³/Nm) were achieved in the sintered and induction hot-pressed Al6061-%4ZrO2-%0.15Graphene hybrid composites under a 10 N load. As the graphene content increased, the graphene nanoparticles in the microstructure agglomerated, negatively affecting the mechanical and tribological properties. Moreover, it was confirmed that heat treatments such as sintering and induction hot pressing positively affected the mechanical and tribological properties of the material. Keywords: Powder Metallurgy, Al6061, Zirconia, Graphene