Alümina ve karbon nanotüp takviyeli Al-4Cu esaslı nanokompozitlerin toz metalürjisi yöntemi ile üretimi ve mekanik özelliklerinin belirlenmesi

Abstract

Bu çalışmada, 80 nm alümina parçacık ve 9,5 nm dış çapa sahip çok duvarlı karbon nanotüp (ÇDKNT) takviyeli Al-4Cu alaşımı esaslı nanokompozit toz metalürjisi yöntemiyle üretilmiştir. ÇDKNT takviye oranı hacimce %1,5 oranında sabit tutulurken, alümina ise hacimce %4,5, %7,5, %10,5 ve %13,5 oranlarında kullanılmıştır. Ayrıca, karşılaştırma yapmak için takviyesiz alaşım da üretilmiştir. Karışım tozlarına 30 dk ön karıştırma işleminin ardından argon gaz ortamında 5 saat boyunca 250 dev/dk dönme hızında mekanik alaşımlama uygulanmıştır ve işlem kontrol ajanı olarak ağırlıkça %5 etanol eklenmiştir. Mekanik alaşımlama sonrasında 800 MPa basınçta soğuk sıkıştırma ve ardından mikrodalgalı sinterleme uygulanarak numuneler üretilmiştir. Nanokompozitler argon gaz ortamında 615 °C sıcaklıkta 1 saat sinterlenmiştir. Üretilen numunelere iki farklı ısıl işlem gerçekleştirilmiştir. Uygulanan ısıl işlemlerden biri 400 °C sıcaklıkta 2 saat tavlama işlemidir. Diğer ısıl işlem ise 550 °C sıcaklıkta 70 dk çözeltiye alma ve hızlı soğutma sonrası 200 °C sıcaklıkta 11 saat yapay yaşlandırma ısıl işlemidir. Buna ek olarak, bütün numunelere 170, 180 ve 200 °C sıcaklıklarla 100 saate kadar yapay yaşlandırma uygulanarak yaşlandırma eğrileri çıkarılmıştır. Üretim sonrasında, X-ışını kırınımı, taramalı elektron mikroskobu ve ışık mikroskobu yardımıyla numunelerin içyapıları incelenmiştir. Bunun yanında, makro sertlik, mikrosertlik, nanoiz ve basma testleri ile mekanik özellikleri de belirlenmiştir. Ayrıca, disk üzeri aşınma testi uygulanarak aşınma davranışları da incelenmiştir. Yapılan çalışma sonunda, takviye oranıyla beraber numunelerin makro sertlik, mikrosertlik ve nano sertlik değerlerinde önemli artışlar gözlemlenmiştir. Basma testi sonuçlarına göre takviye ile basma dayanımı ve süneklik azalırken akma dayanımında ise artış gerçekleşmiştir. Buna ek olarak, %15 karma takviyeli nanokompozitin elastik modülü alaşıma kıyasla %60 oranında daha yüksek bulunmuştur. Ayrıca, aşınma dayanımı ve sürtünme katsayısı da takviyeyle beraber artmıştır.

In this study, alumina particle (80 nm in size) and multi-wall carbon nanotube (MWCNT) with 9.5 nm in diameter reinforced Al-4Cu alloy matrix nanocomposite was produced by powder metallurgy method. While the MWCNT reinforcement ratio was kept constant as 1.5 vol. %, alumina was used in different proportions between 4.5-13.5 vol. %. In addition, the unreinforced alloy was also produced for comparison. After a premixing of 30 min, the mechanical alloying was applied to the mixed powders at a rotational speed of 250 rpm for 5 hours in an argon gas environment and 5 wt. % ethanol was used as a process control agent. After the mechanical alloying, the samples were produced by applying the cold compaction at 800 MPa and then the microwave sintering. Nanocomposites were sintered at 615 °C for 1 h in an argon gas environment. Two different heat treatments were applied to the produced samples. One of the heat treatments applied is the annealing process at 400 °C for 2 hours. The other heat treatment is the artificial aging process for 11 hours at 200 °C after a solutionizing at 550 °C for 70 min and subsequent rapid cooling. In addition, the aging curves were determined by applying the artificial aging to all samples at 170, 180 and 200 °C for up to 100 hours, individually. After the production, the microstructures of the samples were examined by means of X-ray diffraction, scanning electron microscope and light microscope. Besides that, the mechanical properties were determined by macro hardness, microhardness, nanoindentation and compression tests. In addition, the wear behavior was investigated by performing a pin on disc test. According to the experimental results, an increase in the macro hardness, microhardness and nano hardness values of the samples together with the reinforcement ratio was observed. Moreover, while the compression strength and ductility decreased with the reinforcement, the yield strength increased. In addition, the incorporation of 15% hybrid reinforcement into the alloy increased the elastic modulus by 60% in comparison to the unreinforced alloy. Furthermore, the wear resistance and friction coefficient increased with the reinforcement content.