Toz metalurjisi yöntemiyle üretilen Al-Cu alaşımlarının mekanik özelliklerinin geliştirilmesi

Abstract

Alüminyum alaĢımları düĢük özgül ağırlık, yüksek korozyon dayanımı, geri dönüĢüme uygun olması gibi özelliklerinden dolayı günümüzde en çok tercih edilen mühendislik malzemelerindendir. Alüminyum alaĢımlarının yapısal uygulamalarda yaygın kullanılan malzeme olan çeliğe göre daha düĢük dayanım göstermesi, bu malzemelerin kullanım alanlarını kısıtlamaktadır. Bu tez çalıĢmasının amacı, Toz metalurjisi (TM) yöntemlerinin avantajlarını kullanarak, yüksek dayanımlı alternatif alüminyum alaĢımlarının üretilebilir olduğunu göstermektir. TM esnek ve hassas kompozisyon tasarımına imkân sağlaması, seri üretime uygunluk, düĢük enerji gereksinimi, karmaĢık parçaların üretilebilirliği ve hammaddenin büyük kısmının ürüne dönüĢebilmesi gibi nedenlerle günden güne daha fazla kullanım alanı bulan bir parça imal yöntemidir. Literatürde TM yöntemi ile alüminyum esaslı alaĢım geliĢtirme çalıĢmalarında çoğunlukla ön-alaĢımlı olarak tabir edilen bir ana alaĢım hazırlanmakta ve bu yapı atomize edilerek toz haline getirilmektedir. Daha sonra bu tozlar TM alanında farklı uygulamalarda kullanılmaktadır. Ön alaĢımlı tozlarla çalıĢılması, diğer bazı olumsuzluklarla birlikte sertliklerinin elementel tozlara kıyasla yüksek olması nedeniyle, kalıp aĢınmasını hızlandırmakta ve buna bağlı olarak da büyük maliyet gerektiren kalıpların kullanım ömürlerini azaltmaktadır. Bu çalıĢmada ise elementel tozlar kullanılarak hem kalıp kullanım ömrünün uzatılması ve hem de istenilen bileĢimde yüksek mukavemetli alaĢımların geliĢtirilmesi hedeflenmiĢtir. Bu amaçla geliĢtirilen alaĢımlara ağırlıkça % 0,5 veya daha düĢük oranlarda mikro düzeyde veya % 1`in üzerinde makro düzeyde saf elementel tozlar ilave edilmiĢ ve ısıl iĢlem uygulanmak suretiyle dayanım artıĢı sağlanmıĢtır. Bu kapsamda çalıĢmada Al4Cu, Al4Cu0.5Mg, Al4Cu1Mg ve Al4Cu2Mg olmak üzere dört farklı alaĢım üretilmiĢtir. Üretilen alaĢımların tamamı ağırlıkça % 4 bakır içermekte olup % 0 ila 2 oranında magnezyum ilave edilen kompozisyonların mikroyapı ve mekanik özelliklere etkileri araĢtırılmıĢtır. Üretilen tüm alaĢımlar sıkıĢtırılabilme özellikleri açısından incelenmiĢ ve en uygun Ģekillendirme basıncı 400 MPa olarak tespit edilmiĢtir. AlaĢımlara uygulanan ısıl analizlerle her bir alaĢımın sinterleme rejimleri hassas olarak belirlenmiĢ ve sinterlenme esnasındaki boyutsal değiĢimler tespit edilmiĢtir. Isıl analizler sonucu magnezyum miktarındaki artıĢa paralel olarak ötektik fazın oluĢma sıcaklığında düĢme ve buna bağlı kompaktın genleĢme miktarında ise artıĢ gözlemlenmiĢtir. Numunelere farklı sürelerde azot atmosferi altında yapılan sinter iĢlemleri sonucunda en yüksek dayanıma 2 saatlik sinter sonrasında ulaĢılmıĢtır. En yüksek sertlik değeri 93 HB ile Al4Cu2Mg alaĢımının 2 saat sinterlenmesi ile elde edilirken en yüksek eğme dayanımına 460 MPa ile Al4Cu1Mg alaĢımının 2 saat sinterlenmesiyle ulaĢılmıĢtır. Sinter sonrası gerçekleĢtirilen faz analizlerinde yapının ana fazlar olarak α (Al), θ (Al2Cu) ve ω (Al7Cu2Fe) oluĢtuğu tespit edilmiĢtir. Safsızlık olarak hammaddeden gelen demirin sistemde iğnemsi formda ve çözünemeyen kararlı ω (Al7Cu2Fe) fazını oluĢturduğu tespit edilmiĢtir. Sonrasında, üretilen alaĢımlara katı çözelti sertleĢmesi ısıl iĢlemi (T51) uygulanmıĢ ve böylelikle Al4Cu2Mg alaĢımı için sertlikte % 37 artıĢla 124 HB ve Al4Cu1Mg alaĢımı için ise eğme dayanımında % 39 artıĢla 590 MPa`a ulaĢmıĢtır. Sonuç olarak mevcut çalıĢma kapsamında TM tekniği ile elementel tozlarla baĢlanılarak yüksek dayanım gösteren alüminyum alaĢımlarının üretilebilir olduğu gösterilmiĢtir.

Aluminium alloys are one of the most attractive materials due to their low density, high corrosion resistance and recyclability. Although steel has been dominant material used in the structural applications, aluminium alloys ideal candidate materials to replace steel in the structural applications. However due to its low strength, it is limited to use aluminium alloys for structural applications. Therefore the principal aim of this work is to develop an alternative way to produce high strength aluminium alloys using Powder Metallurgy (PM) technique. PM method has grown its marketplace day by day because of its advantages such as allowing precise and flexible compositional design, giving high production efficiency and low energy consumption, suitability in producing of complex shape parts. It is possible to see some works in the literature about the development of aluminium alloys via PM, however most of those works based on using pre-alloyed powders which are atomised form of liquid solution of an alloy system. Using pre-alloyed powders however have some disadvantages over elemental powder blends such as it lowers compact densities, shortens die life and limits the alloy design. Die cost comprises major part of the expenses in PM process and pre-alloyed powders reduce die life due to their relatively high hardness. In this work, it was aimed to develop high strength aluminium alloys with desired chemical composition by using elemental powders. For this purpose, micro (< 0,5 wt.%) or macro (> 1 wt.%) level additions of elemental powders were put into the developed alloys and heat treatments were applied afterwards. Therefore, 4 different types of Al-Cu based alloys were produced (i.e., Al4Cu, Al4Cu0.5Mg, Al4Cu1Mg and Al4Cu2Mg). All of the investigated alloys include 4 % wt. copper (Al4Cu) and various amounts of magnesium (0 – 2 wt. %) added to the main composition to investigate the microstructural and mechanical effects in relation to magnesium variation. Optimum compaction pressure for produced alloys was determined as 400 MPa after compressibility tests. Sintering temperatures and expansion–shrinkage behaviour of the alloys were determined by thermal analysis using instruments of such as, DSC and dilatometry. According to the results of thermal analysis, an increase in magnesium amount causes a decrease on the formation temperature of the eutectic and therefore resulting in an increase in the percentage of swelling of the compact. The maximum transverse rupture strength of the alloys obtained after 2 hours sintering under nitrogen atmosphere. Al4Cu2Mg alloy, sintered for 2 hours, showed maximum hardness of 93 HB and Al4Cu1Mg alloy sintered for 2 hours gave maximum transverse rupture strength of 460 MPa. Based on the results gained from the phase analysis, α (Al), θ (Al2Cu) and ω (Al7Cu2Fe) are the main phases found on the microstructures. It is concluded that iron, is a major impurity for aluminium and copper powders, formed insoluble needle like intermetallic ω phase during sintering. Produced alloys subjected to solid solution strengthening heat treatment (T51) that gave 37 % increase in hardness (124 HB) for Al4Cu2Mg and 39 % increase in rupture strength (590 MPa) for Al4Cu1Mg alloy. As a result of this study, it was shown that, it is possible to produce high strength aluminium alloys via PM method starting from elemental powders.