Manufacturing Methods of Metal Matrix Composites
Yrd. Doç. Dr. Uğur SOY, Sakarya Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü
Tel: 0-264-2956503, E-Posta: ugursoy@sakarya.edu.tr, Web: www.ugursoy.com
Tel: 0-264-2956503, E-Posta: ugursoy@sakarya.edu.tr, Web: www.ugursoy.com
ÖZET
Bu çalışmada, metal matriks kompozit malzemelerin üretim yöntemleri ele alınmıştır. Üretim yöntemleri, metal matriks kompozit malzemelerin mekanik, fiziksel ve tribolojik özelliklerini belirlemede temel rol oynar. Yaygın olarak kullanılan üretim yöntemleri; toz metalurjisi, difüzyonla bağlama, sıvı metal infiltrasyonu ve vorteks (karıştırmalı) döküm yöntemleridir. Bu kompozitlerde matriks olarak kullanılan metal alaşımları arasında alüminyum, titanyum, magnezyum ve bakır bulunmaktadır. En yaygın kullanılan takviye elemanları ise silisyum karbür, bor karbür, alümina, titanyum borür, bor ve grafittir.
Anahtar Kelimeler: Metal matriks kompozitler, üretim yöntemleri, matriks, takviye
ABSTRACT
In this study, it was evaluated the manufacturing methods of metal matrix composites. Manufacturing methods result fundamental about metal matrix composite, to determinate their mechanical, physical and tribological properties. Manufacturing processes commonly used include powder metallurgy, diffusion bonding, liquid metal infiltration, and stir-casting. Among the most metal alloys used as a matrix in this composite, there are aluminum, titanium, magnesium and copper. The common reinforcement elements are silicon carbide, boron carbide, alumina, titanium boride, boron and graphite.
Keywords: Metal matrix composites, manufacturing methods, matrix, reinforcement
1. Giriş
Metal matriksli kompozit malzemeler birçok teknikle üretilebilmektedir. Yöntemin seçiminde metal matriks kompozit malzemeden istenen mekanik, fiziksel ve tribolojik özellikler, maliyet, ürün sayısı, takviye elamanının dağılımı (partikül yada fiber), matriks alaşımına uygunluğu ile uygulama alanı dikkate alınır [1-2]. Üretim yönteminde, nihai ürünün işlenebilirlik özelliğinin de göz önüne alınması gerekir. Metal matriks kompozitlerin üretilmesinde kullanılan yöntemler temelde; sıvı faz üretim teknikleri, katı hal üretim teknikleri ve buhar fazı üretim tekniği olmak üzere üçe ayrılır [3-4]. Vakum infiltrasyonu, gaz basınçlı infiltrasyon, mekanik basınçlı infiltrasyon, sıkıştırmalı döküm infiltrasyonu ve karıştırmalı döküm uygulamaları sıvı hal üretim tekniklerine örnek gösterilebilir [5]. Katı hal üretim teknikleri ise toz metalurjisi, difüzyonla bağlama, sıcak presleme, sıcak izostatik presleme ve ektrüzyondur [6]. Bu çalışmada, metal matriks kompozit malzemelerin üretilmesinde kullanılan bazı yöntemler çalışma prensibi ve uygulama açısından değerlendirilmiştir.
2. Üretim Yöntemleri
2.1. İnfiltrasyon uygulamaları
Metal matriks kompozit malzemelerde infiltrasyon işlemi, ön şekillendirilmiş seramik fazlı gözenekli preform içerisine sıvı halde metal ya da alaşımların emdirilmesi işlemi olarak tanımlanabilir [7]. Gözeneklere sıvı metalin emdirilmesi, basınçlı yada basınçsız olarak gerçekleştirilebilmektedir. Basınçsız infiltrasyon, vakum infiltrasyon, gaz basınçlı infiltrasyon, basınçlı döküm infiltrasyon ve sıkıştırmalı döküm infiltrasyon şeklinde çeşitli uygulama şekilleri bulunmaktadır.
Vakum infiltrasyon yönteminde, sıvı metal oksidasyonunu ve gaz boşluğu olasılığını indirgemek için vakum kuvveti uygulanmaktadır. Sıvı matriks alaşımı vakum etkisi ile önceden hazırlanmış gözenekli seramik yapı içine emdirilir ve soğumaya bırakılır [8-9]. Gaz basınçlı infiltrasyon yönteminde azot gibi bir gaz ile sıvı alüminyum ön şekillendirilmiş gözenekli seramik bünyeye (preforma) emdirilir. Bu yöntem vakumlama ile kombine şeklinde de uygulanabilir [10].
Basınçlı döküm infiltrasyonu ile sıkıştırmalı döküm infiltrasyon uygulaması ise birbirine benzer infiltrasyon uygulamalarıdır. Mekanik bir piston yardımı ile ön şekillendirilmiş gözenekli seramik bünyeye sıvı metalin emdirilmesi ile gerçekleşir. Her iki yöntemde de uygulanan basınç mekanik bir basınçtır. Basınçlı döküm infiltrasyonu, sıkıştırmalı döküm infiltrasyonuna kıyasla daha yüksek bir basınç uygulanır. Basınçlı döküm infiltrasyonunda genelde basınç yüksek ve infiltrasyon süresi hızlı gerçekleşir. Basınçlı döküm infiltrasyon yöntemi; basınçlı döküm ve infiltrasyon yöntemlerinin kombine şeklidir. Bu yöntemde, gözenekli seramik preform basınçlı döküm cihazı içerisindeki kalıba yerleştirilir. Haricen ocakta eritilen sıvı alüminyum Şekil 1’de görüldüğü gibi konik pota içerisinden dökülür, daha sonra yüksek mekanik basınç altında sıvı metal besleme boşluğundan geçerek gözenekli seramik preforma enjekte edilir. Seri üretime uygun olan bu yöntem özellikle otomotiv endüstrisinde yaygın olarak kullanılır.
Basınçlı Döküm İnfiltrasyon Yöntemi
Şekil 1. Basınçlı döküm infiltrasyon yöntemi [8, 10]
2.2. Vorteks döküm yöntemi
Vorteks diğer adıyla karıştırmalı döküm yönteminde, matriks alaşımı sıvı-katı aralığına getirilir. Şekil 2’de görüldüğü gibi bir sistemde [11] partikül takviye elamanı bir karıştırıcı yardımı ile sıvı metal matriks alaşımına karıştırılır. Bu karışım, matriks ve takviye fazları homojen olana kadar devam eder ve daha sonra karışım kalıba dökülür. Döküm esnasında takviye fazının yer çekimi etkisi ile çökmesini önlemek amacı ile sıvı metal yerine daha çok yarı katı metal tercih edilmektedir. Kalıpta soğumaya bırakılan numune, soğuma işlemi tamamlandıktan sonra çıkarılır ve metal matriks kompozit üretilmiş olur.
Şekil 2. Vorteks döküm yöntemi [8,11].
2.3. Toz metalurjisi yöntemi
Toz metalurjisi (TM) üretim yöntemi, toz halindeki metal alaşımları ile takviye partiküllerinin piston basıncı yardımıyla sıkıştırılması ve belirlenen kalıbın şeklini almasından ibarettir. Bu yöntem, tozların mekanik olarak karıştırılması, karıştırılan tozların preslenmesi, sinterleme ve isteğe bağlı işlemler (haddeleme, ekstrüzyon, yağ emdirme, çapak alma, vb.) olmak üzere belirli aşamalardan oluşur. Bu yönteme ait imalat basamakları Şekil 3’de gösterilmiştir. Kullanılan matriks alaşımı tozlarının boyutu 1 mm’den daha küçük, ince olarak bölünmüş katı parçacıklar olup metaliktir. Takviye elemanı partikülleri ise silisyum karbür, bor karbür, alüminyum oksit, grafit, nikel, titanyum ve molibden tercih edilirken, matriks malzemesi olarak alüminyum, bakır, nikel, kobalt ve titanyum esaslı alaşımlar ve çelikler kullanılmaktadır [12].
Toz Metalurjisi
Şekil 3. Toz metalurjisi yöntemi [10-11]
Toz metalurjisi yönteminde tozların sıkıştırılması sonrası, kalıptan çıkartılan parçaların mukavemet değerlerini artırmak için parçalara sinterleme işlemi uygulanır. Sinterleme genellikle atomik ölçekte gerçekleşen, kütle taşınımları yoluyla katı parçacıkları birbirine yoğun bir yapı oluşturacak şekilde bağlayan ısıl işlem veya süreçtir. Tek bileşenli sistemlerde sinterleme sıcaklığı malzemenin ergime sıcaklığının 0,8 katıdır. Çok bileşenli sistemlerde ise sinterleme sıcaklığı bileşimde en düşük ergime sıcaklığına sahip malzemenin ergime sıcaklığın hemen altındadır. Sinterleme sonrasında parçalar isteğe bağlı olarak haddeleme, ekstrüzyon ve tekrar sıkıştırma gibi bazı işlemlerden geçerek kullanıma hazır hale getirilirler. Toz metalurjisi yöntemi otomotiv, havacılık, elektrik-elektronik ve savunma sanayi gibi birçok alanda kullanılmaktadır [13].
2.4. Difüzyonla bağlama yöntemi
Difüzyon ile bağlama yönteminde, kompozit fazları arasındaki birleştirme işlemi yüksek basınç ve sıcaklıkta yapılır. Karbon ve alüminyum oksit gibi tek tabakalı fiber ya da fiber demetleri ile titanyum veya alüminyum gibi matriks malzemeleri tabakalar halinde yüksek basınç ve sıcaklıkta bağlanması ile kompozit malzemeler üretilir [8]. Bu yöntemde matriks alaşımları ile fiber formundaki takviye fazına etkili difüzyon için kimyasal yüzey işleme uygulanmaktadır. İstenen özellikler göz önünde bulundurularak fiber yönü, açıları ve aralık ölçüleri belirlenerek fiberler metal tabakalar üzerine yerleştirilir. Tabakalardan oluşan yapı, matriks alaşımının ergime sıcaklığına yakın bir sıcaklıkta ısıtılarak difüzyon ile bağlanmanın gerçekleşmesi için preslenir veya haddelenir. Şekil 4’de difüzyonla bağlama yöntemi şematik olarak gösterilmiştir.
2.5. İn-situ (yerinde oluşan) yöntemi
İn-situ yöntemi ile üretilen kompozitler, Şekil 5’de gösterildiği gibi takviye fazının, sıvı metal içerisinde element veya bileşiklerin ekzotermik reaksiyonları sonucu kendiliğinden oluşması esasına dayanır. Takviye ile matriks ara yüzeyi temizliği, takviye fazının homojen dağılımı, takviye fazlarının termodinamik olarak stabil olması, ucuz ve tek adımda üretime imkan vermesi gibi özellikler in-situ yönteminin üstünlükleri arasında gösterilebilir [14-16].
Şekil 5. İn-situ (yerinde oluşan) yöntemi [14-16]
3. Sonuçlar
Metal matriks kompozit malzemelerin üretilmesinde yöntem seçimi ürünün mekanik, fiziksel ve tribolojik özelliklerinin belirlenmesinde önemlidir. Yöntem seçimi ile birlikte matriks alaşımı-takviye elemanları kombinasyonlarının birbirlerine ve yönteme uygunluğu önceden analiz edilmelidir. Ayrıca, kullanılacak yöntemin; uygulama alanı, maliyet, ürün sayısı ve takviye elamanının dağılımı gibi parametreler değerlendirildikten sonra karar verilmesinde fayda vardır.
Kaynaklar
1. Chawla, N., Metal Matrix Composites, Birkhäuser, Springer, 2006.
2. Clyne, T.W., Withers, P.J., An Introduction to Metal Matrix Composites, Cambridge University Press, 1993.
3. Johnson, W.S., Metal Matrix Composites: Testing, Analysis, and Failure Modes, ASTM International, 1989.
4. Eker, A. A., Metal Matrisli Kompozitlerin Üretim Yöntemleri, Ders Notları, Yıldız Teknik Üniversitesi, 2008.
5. Evans, A., Marchi, C.S., Mortensen, A., Metal Matrix Composites in Industry: An Introduction and a Survey, Springer, 2003.
6. Kainer, K.U., Metal Matrix Composites, Wiley-VCH, 2006.
7. Soy, U., Demir, A., Caliskan, F., Effect of Bentonite Addition on Fabrication of Reticulated Porous SiC Ceramics for Liquid Metal Infiltration, Ceramics International 37 (2011) 15-19.
8. Soy, U., Doktora tezi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Nisan, 2009.
9. Altınkök, N., Compressive Behavior of Al2O3–SiC Ceramic Composite Foams Fabricated by Decomposition of Aluminum Sulfate Aqueous Solution, Journal of Composite Materials 41 (2007) 1361-1365.
10. Kopeliovich, D., Materials Engineering, Substances & Technologies, 2007.
9. Altınkök, N., Compressive Behavior of Al2O3–SiC Ceramic Composite Foams Fabricated by Decomposition of Aluminum Sulfate Aqueous Solution, Journal of Composite Materials 41 (2007) 1361-1365.
10. Kopeliovich, D., Materials Engineering, Substances & Technologies, 2007.
11. Sur, G., Şahin, Y., Gökkaya, H., Ergimiş metal karıştırma ve basınçlı döküm yöntemi ile alüminyum esaslı tanecik takviyeli kompozitlerin üretimi, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. 20-2 (2005) 233-238.
12. Ramakrishnan, P., Powder Metallurgy, New Age Publishers, 2007.
13. Ünal, R., Toz Metalurjisi Ders Notları, Dumlupınar Üniversitesi, 2008.
14. Daniel, B.S.S., Murthy, V.S.R., Murty, G.S., Metal-ceramic composites via in-situ methods, Journal of Materials Processing Technology 68 (1997) 132-155.
15. Peng, H.X., Fan, Z., Mudher, D.S., Evans, J.R.G., Microstructures and mechanical properties of engineered short fibre reinforced aluminium matrix composites, Materials Science and Engineering A335 (2002) 207–216.
16. Tjong, S.C., Mal, Z.Y., Microstructural and mechanical characteristics of in situ metal matrix composites, Materials Science and Engineering 29 (2000) 49-113.