METAL MATRİKSLİ KOMPOZİT MALZEMER 1311060021 ŞAHİN ÖZGÜR 1311060038 VEDAT TOPALOĞLU 1311060040 MELİH KÜÇÜKBAŞ

İÇERİK Kompozit malzemeler Metal matriksli kompozit malzemeler (MMK) Kullanım alanları Avantaj ve dezavantajları Sınıflandırılması Metal matriksli kompozit malzemeler (MMK) Özellikleri Matriks ve takviye malzemeleri Üretim yöntemleri

KOMPOZİT MALZEMELER İstenen amaç için tek başına uygun olmayan, kimyasal bileşenleri farklı, birbiri içerisinde pratik olarak çözünmeyen iki veya daha fazla malzemeyi, kullanım yerindeki aranan özellikleri verebilecek duruma getirmek için belirli şartlar ve belirli oranlarda fiziksel olarak birleştirerek oluşturulan malzemelere kompozit malzemeler denir.

KOMPOZİT MALZEMELERİN KULLANIM ALANLARI Kompozit malzemeler günümüzde birçok alanda kullanılmaktadır. Ev aletleri Elektrik ve elektronik sanayi Havacılık sanayi Otomotiv sanayi İş makineleri Tarım sektörü İnşaat sektörü Taşımacılık sektörü Şehir Planlama Mobilya sanayi

KOMPOZİT MALZEMELER AVANTAJLARI: Yüksek mukavemet Kolay şekillendirilme Elektriksel özellik Yüksek ısı dayanımı Titreşim sönümlendirme Korozyona karsı mukavemet Kimyasal etkilere karsı mukavemet Ekonomiklik Estetik görünüm Hafiflik-ağırlık DEZAVANTAJLARI Yapılarındaki hava zerrecikleri yorulma özelliklerini olumsuz etkiler, Yükün değişik yönlerde uygulanması sonucu değişik özellikler gösterirler, Aynı kompozit malzeme için çekme basma kesme gibi operasyonlar liflerde açılmalara neden olduğundan bu tür malzemelerde hassas imalattan söz edilemez, Tasarımları parametreler iyi tanımlanamazsa kompozitte yüksek verimliliğe ulaşılamaz.

KOMPOZİT TÜRLERİ Yapısal bileşenlerin şekline göre; Fiberli kompozitler, Levhasal kompozitler, Partikül kompozitler, Doldurulmuş (veya iskelet) kompozitler, Tabakalı kompozitler, Kullanılan matris malzemesine göre; Polimer matrisli, Seramik matrisli, Metal matrisli kompozitler.

METAL MATRİKSLİ KOMPOZİT MALZEMELER (MMK) Matriks malzemeleri çok çeşitli metal ve metal alaşımı olan ve takviyesinde ise çok çeşitli malzemeler kullanılabilen kompozitlerdir. Takviye malzemeleri sürekli fiber, partikül ve whisker şeklindedir ve bunlar genellikle oksit, karbür veya nitrür bileşimindedir. Metal matrisli malzemeler takviye edildikleri malzemelere göre üstün özelliklere sahiptir. Bu özellikler aşağıda verilmiştir. Yüksek elastisise modülüne sahiptir Yüksek mukavemet gösterir Metallerin süneklik ve tokluk; seramiklerin yüksek mukavemet ve aşınma direnci bu kompozitlerde bir araya gelebilir Düşük yoğunluğa sahiptirler Sıcaklık değişiklikleri ve termal şoka karşı düşük hassasiyet gösterirler Yüksek sıcaklıklarda kullanılabilirler Tekrar üretilebilir mikro yapı ve özelliklere sahiptirler Kaynak veya diğer yöntemlerle kolayca birleştirilebilirler Bu özelliklerden dolayı MMK’lar ticari olarak çok tercih edilmektedirler. Ancak üretimlerinin zor ve maliyetli olması, kırılma tokluklarının partikül takviyeli MMK’lar haricinde düşük olması bazı dezavantajlarındandır.

METAL MATRİKSLİ KOMPOZİT MALZEMELERİN KULLANIM ALANLARI KESİCİ UÇLAR UZAY SANAYİ Uzay yapıları B/Al, B/Mg, Gr/Mg Antenler B/Al, B/Mg, Gr/Mg HAVACILIK Uçaklarda gövde ve iç donanım parçaları B/Al, SiC/Al, Gr/Al Kompresör kanatları B/Al, SiC/Al, Gr/Al Türbin kanatları Wolfram ve tantal takviyeli Süper alaşımlar, in-situ ötektikler Helikopter parçaları B/Al, SiC/Al, Gr/Al, Gr/Mg, Al2O3/Mg, Al2O3/Al OTOMOTİV Motor blokları SiC/Al Pistonlar SiC/Al Biyeller SiC/Al Akü plakaları Gr/Pb ELEKTRİK Motor fırçaları Gr/Cu Kablo, elektrik kontakları Gr/Cu Ev aletleri akü plakaları Al2O3/Pb, Gr/Pb, Cam/Pb TIP Protezler B/Al, SiC/Al Tekerlekli sandalyeler B/Al, SiC/Al SPOR MALZEMELERİ Tenis raketleri B/Al, Gr/Al, SiC/Al Kayak sopaları B/Al, Gr/Al, SiC/Al Kayaklar B/Al, Gr/Al, SiC/Al Oltalar B/Al, Gr/Al, SiC/Al Golf sopaları B/Al, Gr/Al, SiC/Al Bisiklet çerçeveleri B/Al, Gr/Al, SiC/Al TEKSTİL SANAYİ Mekikler B/Al, Gr/Al, Si/Al DİĞER Yataklar Gr/Pb Kimyasalekipman Al2O3/Pb Aşındırıcı takımlar B/ Al2O3, SiC/Al2O3

METAL MATRİKSLİ KOMPOZİTLERDE MATRİS MALZEMELERİ Genellikle Al, Ti, Mg, Ni, Cu ve Zn matriks malzemesi olarak kullanılır. Fakat Al ve alaşımları Ti, Mg ve Zn daha yaygın olarak kullanılmaktadır. Al ve Al alaşımları Mg alaşımları Zn alaşımları Ti alaşımları

METAL MATRİKSLİ KOMPOZİTLERDE TAKVİYE MALZEMESİ Eğer kompozit yapısal uygulamalarda kullanılacaksa kompozitin; Elastik modülü, Çekme mukavemeti, Yoğunluğu, Isıl genleşme katsayısı, Partikül şekli ve boyutu önemli hale gelir. Takviye fazı şekillerine göre 5 gruba ayrılır; Sürekli fiberler Kısa fiberler Whiskerler Partiküller Teller (sadece metal)

METAL MATRİKS KOMPOZİT MALZEMELERİN ÜRETİM YÖNTEMLERİ Sıvı metal emdirmesi (infiltrasyon) Sıkıştırmalı veya sıvı dövme döküm tekniği Basınçlı infiltrasyon Sıvı metal karıştırması Hızlı katılaştırma Yarı katı karıştırma Plazma püskürtme Toz metalurjisi tekniği Difüzyon bağlama ve vakumda presleme Sıcak presleme ve sıcak izostatik presleme

SIVI METAL EMDİRMESİ (İNFİLTRASYON) Bu teknik hem kısa elyaf hem de sürekli elyafla takviyeli MMK üretilmesinde yaygın olarak kullanılan bir metottur. Bu metotta önce istenilen şekilde uygun bağlayıcı kullanılarak mastar hazırlanır. Kompozitte tasarlanan elyafın hacim içeriği ve doğrultuları bu aşamada yapılır. Hazırlanan bu model kalıp içerisine yerleştirilir ve ergimiş metal enjekte edilerek bu mastarın ıslanması sağlanır. Bu sırada organik bağlar yanar ve katılaşmaya bırakılır. Emdirme işlemi basınçla da gerçekleştirilebilir.Bu durumda elyaflar arasına matriksin girmesiyle açığa çıkacak atıl gazlar da yapıdan uzaklaştırılır. ÖRN:Boron elyafların SiC ile kaplama yapılması

SIKIŞTIRMALI VEYA SIVI DÖVME DÖKÜM TEKNİĞİ Bu yöntemle takviyeden oluşturulmuş mastar veya yatağa şekilde görüldüğü gibi sıvı alaşım hidrolik basınç altında emdirilmektedir. Sıvıyı soğutma etkisinden kaçınmak için kalıp, mastar ve zımba ön ısıtmaya tabi tutulmaktadır. Takviye içerisindeki hava boşlukları veya kalıp ile takviye arasındaki boşluklara zamansız sıvı penetrasyonu tehlikesini azaltmak için kalıp boşluğu içerisine sızdırmaz şekilde yerleştirilir. Daha sonra kompozit alaşımın sıvı sıcaklığını aşmayacak şekilde kritik sıcaklığa kadar ısıtılmaktadır. Eğer kritik sıcaklık aşılırsa sıvı penetrasyonu tamamlanmamış olacaktır. SiC, grafit, Al2O3 ve paslanmaz çelik gibi takviye elemanları ergimiş metal içerisinde gereğince ıslanmaz. Bu nedenle sıvı metal emdirmesi tekniğiyle kompozit üretimi daha zordur. Fakat sıkıştırmalı teknikte bu sorun ortadan kalkar.

BASINÇLI İNFİLTRASYON Bu tekniğin sıkıştırmalıdan farkı sıvının mastar veya yatak içerisine bir zımba yerine basınçlı soygaz ile itilmesidir. Bu sistem şekildeki gibi bir ucu basınç ünitesine yerleştirilmiş pota içerisindeki sıvı metale daldırılmıştır. Diğer ucu atmosfer ya da vakuma bağlanmış ve içerisinde takviye malzeme bulunan bir silindirden oluşmaktadır. Takviye, geçişi engelleyecek şekilde silindir içerisine yerleştirilir. Silindir içerisindeki bu parçacıklar sıvı metale daldırılır veya başka bir yerde ön ısıtmaya tabi tutulur. ÖRN:Bu yöntemle yaklaşık %55 hacimsel yoğunluğa sahip SiC preformun kalay ile infiltrasyonu sağlanır.

SIVI METAL KARIŞTIRMASI Bu üretim yönteminin çok çeşitli versiyonları vardır. Bazıları şunlardır: Bir enjeksiyon tabancası kullanılarak sıvı içerisine taşıyıcı soygaz ile tozların enjeksiyonu Kalıp dolarken sıvı içerisine seramik parçacıklarının ilavesi Mekanik hareket ile oluşturulan vorteks içerisinden parçacıkların sıvı metale ilavesi Sıvı içerisinde, matriks alaşımı ve takviye toz karışımından meydana gelen küçük briketlerin ilavesi ve karıştırılması Karşılıklı hareket eden cubuklar kullanılarak parcacıkların sıvı içerisine itilmesi Merkezkaç etki ile ince parçacıkların sıvı içerisine dağıtılması veya ultrasonik ile sıvı sürekli hareket halindeyken parçacıkların sıvı içerisine enjeksiyonu

HIZLI KATILAŞTIRMA YÖNTEMİ Şekildeki gibi basınç altında suyla soğutulan bakır disk üzerine sıvı jeti halinde verilerek 40-60 mikronmetre kalınlığında, 6-8 mikronmetre uzunluğunda lamelsi tozlar elde edilir. Bunlar bir araya getirilerek değişik ikincil işlemlere tabi tutulur.

YARI KATI KARIŞTIRMA RHEOCASTING YÖNTEMİ Bu yöntemde ince seramik partiküller metal matrikse, metal matriksin hem sıvı hem de katı faz içerdiği sıcaklıkta eklenir. Seramik partiküllerin eklenmesini takiben kompozit karışımı mekanik olarak karıştırılır.

PLAZMA PÜSKÜRTME YÖNTEMİ Şematik olarak gösterilen teknikte püskürtülecek alaşım indüksiyon fırınında ergitilir ve potaya basınç uygulanır. Ergimiş alaşım püskürtülürken aynı zamanda parçacıklı elyaflar atomize edilmiş sıvı içerisine enjekte edilerek önceden ısıtılmış alt katman üzerine çökeltilir ve toplayıcı üzerinde katı bir çökelti oluşur. Soğuduktan sonra kaplanmış çökelmiş çubuk haddelenmesi için göbekten çıkartılır. OSPREY YÖNTEMİ Osprey firması tarafından geliştirilmştir. Yöntemin esası damlacık halindeki matriks alaşımının hızlı katılaştırılması esasına dayanmaktadır. Bu yöntemde kontrollü atmosfer altında kompozit malzemeyi meydana getirecek olan matriks alaşımı buharlaştırılır, partikül halindeki seramik malzeme matriks alaşımına buhar fazında takviye edilir. Damlacık halindeki karışım MMK meydana getirecek şekilde bir yerde toplanır.

TOZ METALURJİSİ TEKNİĞİ Bu teknikte toz halindeki metal ve seramik malzemeler birleştirilebilir. Seramik parçacıkların sıvı metal tarafından ıslatılmasındaki güçlük nedeniyle toz metalurjisi ile kompozit üretimi ilk geliştirilmiş metotlardan biridir. Toz metalurjinin temel aşamaları şekildeki gibidir. Hızlı katılaşmış metal veya alaşım tozlarının elenmesi Takviye fazı ile metal tozlarının karıştırılması Yaklaşık %75 yoğunlukta sıkıştırılması Gaz giderme ve ekstrüzyon dövme haddeleme ve diğer sıcak işlemler ile son birleştirme işleminin uygulanması

DİFÜZYON BAĞLAMA VE VAKUMLU PRESLEME Bu teknikte ilk olarak levha şeklinde metal ya da alaşımları ile elyaf şeklinde takviye elemanları etkili yayılma sağlamak için kimyasal yüzey muamelesine tabi tutulmaktadır. Sonra elyaflar önceden belirlenen yönlerde, açılarda ve istenilen aralıklarda metal tabakalar üzerine düzenlenir. Levha halinde hazırlanan bu malzemeler metal bir kaba yerleştirilerek sızdırmazlık sağlanır ve vakuma alınır. Daha sonra belirli sıcaklıkta genelde ergime sıcaklığına yakın bir sıcaklıkta ısıtılarak difüzyonla birleşmenin gerçekleşmesi için preslenir veya haddelenir. Yüzeylerin temiz olması gerekir; aksi halde mekanik özellikler olumsuz yönde etkilenir.

SICAK PRESLEME VE SICAK İZOSTATİK PRESLEME Bu işlem Al, Mg, Ti ile metal matriksli kompozit paneller üretmek için başarılı şekilde kullanılır. Şekilde görüldüğü gibi flamentler metal matristen oluşan ince folyo tabakalar arasına yerleştirilir ve kompoziti yerinde tutmak için bir bağlayıcı ile spreylenir, bağlayıcı yakılarak ayrılır. Sonra mastar kompozit tamburdan çıkarılır ve istenilen ölçülerde sıcak pres kalıp içine istiflenir. İstiflenmiş kütle üzerine hafif basınç uygulanır ve bağlama sıcaklığına ulaşıldığında gerekli zaman için tam bağ basıncı uygulanır. Son olarak basınç kaldırılır ve termal uzamalarda uyumsuzluklardan ileri gelen kalıcı gerilmeleri en aza indirmek için komple parça yavaş şekilde soğumaya bırakılır.

TEŞEKKÜRLER

KAYNAKLAR Fevzi BEDİR, Al kompozitlerin üretimi, karakteristik özellikleri ve endüstriyel uygulamaları. Süleyman Demirel Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü Müge ARMATLI KAYRAK, Düzlemsel gerilmeler etkisindeki arall ve glare kompozit plakaların rijitlik analizleri. Anadolu Üniversitesi Sivil Havacılık Yüksek Okulu Engin SAYGILI, Pim bağlantılı kompozit malzemelerde gerilme analizi (Bitirme projesi). Dokuz Eylül Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü Prof. Dr. Ahmet ARAN, Metal matrisli kompozit malzemeler. İ.T.Ü. Makine Fakültesi Soydinçer TEKELİ, Onur TETİK, Örgülü kompozit malzemenin ansys ve abaqus ile gerilme analizleri ve deneysel kırılma tokluğunun hesaplanması(Bitirme projesi). Dokuz Eylül Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü Mehmet İLKER YILMAZ, Kompozit basınçlı tüpde gerilme analizi(Araştırma projesi). Dokuz Eylül Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü Vedat ŞAHİN EKİNCİ, Alümina takviyeli alüminyum matrisli kompozit malzeme üretimi ve mekanik özelliklerinin araştırması(Yüksek lisans tezi). Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü Ümit GENCAY BAŞCI, Al2O3 partikül takviyeli Al-Cu esaslı metal matriksli kompozit malzeme üretimi(Yüksek lisans tezi). İstanbul Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü Prof. Dr. Yusuf ŞAHİN, Kompozit malzemelere giriş. Seçkin Yayınları