AŞINDIRICI PARTİKÜL KARIŞIMLARININ CAM KEÇE TAKVİYELİ POLİFENİLEN SULFİD MATRİSLİ KOMPOZİTLERİN KATI PARTİKÜL EROZYON DAVRANIŞLARINA ETKİLERİ

Transkript

1 IV. ULUSAL HAVACILIK VE UZAY KONFERANSI Eylül 2012, Hava Harp Okulu, İstanbul AŞINDIRICI PARTİKÜL KARIŞIMLARININ CAM KEÇE TAKVİYELİ POLİFENİLEN SULFİD MATRİSLİ KOMPOZİTLERİN KATI PARTİKÜL EROZYON DAVRANIŞLARINA ETKİLERİ Yasemin Yıldıran 1, Alp Eren Şahin 2, Egemen Avcu 3, Sinan Fidan 4, Tamer Sınmazçelik 5 Kocaeli Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, İzmit / Kocaeli Kocaeli Üniversitesi Sivil Havacılık Yüksek Okulu, Arslanbey / Kocaeli ÖZET Son yıllarda otomotiv, denizcilik ve havacılık uygulamalarında günümüz teknoloji ve ihtiyaçları gereği kompozit malzemelere duyulan gereksinim artış göstermektedir. Özellikle havacılık uygulamalarında kullanılan kompozit malzemeler katı partikül erozyonuna maruz kalmaktadır. Katı partikül erozyonu kompozit malzemelerde yapısal hasarlara neden olmakta ve malzemenin kullanım ömrünü azaltmaktadır. Bu nedenle, bu çalışmada cam fiber takviyeli termoplastik matrise sahip kompozitlerin katı partikül erozyonu detaylı bir şekilde incelenmiştir. Kocaeli Üniversitesi İleri Malzeme Laboratuarında sıcak presleme tekniği ile üretilen kompozitlerde matris malzemesi olarak polifenilen sülfid (PPS), takviye malzemesi olarak da cam keçe kullanılmıştır. Deneysel çalışmaların ilk aşamasında kompozit numuneler, özel olarak tasarlanmış kumlama düzeneğinde farklı partikül çarpma açılarında ve püskürtme basınçlarında aşındırılmış ve kompozit malzemelerin maksimum aşınma parametreleri belirlenmiştir. İkinci aşamada bu sonuçlar ışığında kompozit malzeme farklı geometrik boyutlarda (60 mesh, 80 mesh ve 120 mesh) aşındırıcı partiküllerin birbirleri içerisinde farklı oranlarda karıştırılması ile hazırlanan aşındırıcı partikül karışımları ile aşındırılmış ve aşındırıcı partikül karışımlarının kompozit malzemenin erozif aşınma davranışına etkileri irdelenmiştir. Aşındırılan numunelerin yüzey morfolojileri taramalı elektron mikroskobu (SEM) yardımıyla incelenerek kompozit malzemede farklı parametreler altında görülen (açı, basınç ve partikül karışımları) mikrosürme, mikrokesme, mikro çatlama ve plastik deformasyon gibi erozif aşınma mekanizmaları belirlenmiş ve tartışılmıştır. Anahtar Kelimeler: Katı Partikül Erozyonu, Partikül Karışımları, Cam Keçe Takviyeli Polifenilen Sulfid (PPS) Matrisli Kompozit, Yüzey Morfolojisi, Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) 1. GİRİŞ Bir sıvı ya da gaz akımı tarafından taşınan farklı geometrik boyut ve yapıdaki taneciklerin, temasta bulundukları katı yüzeylerinde sürekli darbe etkisi yaparak oluşturdukları hasar erozyon aşınması olarak tariflenmektedir. Uzay ve havacılık uygulamalarında, jet motorlarında, helikopter rotor kanatlarında, türbinlerde vb. bu aşınma tipini yoğun olarak görmek mümkündür. [2,4,9,14]. Bu nedenle bir çok araştırmacı termoplastik matrisli kompozitlerin katı partikül erozyonunu araştırmıştır. [3, 5-7, 10]. Şekil 1 de ticari bir uçakta katı partikül erozyonunun hasara yol açtığı bölgeler gösterilmiştir. 1 Arş. Gör., Makine Müh. Böl., E-posta: yaseminyildiran@yahoo.com 2 Arş. Gör., Makine Müh. Böl., E-posta: alperensahin88@gmail.com 3 Arş. Gör., Makine Müh. Böl., avcuegmen@gmail.com 4 Yrd. Doç Dr, Sivil Havacılık Meslek Okulu, E-posta: sinan_fidan@hotmail.com 5 Prof. Dr., Makine Müh. Böl.,E-posta: tamersc@yahoo.com

2 Şekil 1. Ticari bir uçakta katı partikül erozyonunun meydana geldiği noktalar [1,13] Deneysel parametreler (partikül çarpma açısı, hızı ve kütlesel debi), aşındırıcı malzeme özellikleri (partiküllerin şekli, sertliği, boyutları vb.), hedef malzeme özellikleri (sertlik, elastisite modülü, kırılma davranışı vb.), ortam ve test koşulları (sıcaklık, nem oranı vb.) malzemelerin katı partikül erozyonu davranışlarını etkilemektedir [2, 6, 8,11, 12]. Bu nedenle literatürde kompozit malzemelerin katı partikül erozyonu davranışı yukarıda özetlenen bir çok farklı parametre altında incelenmiştir. Ancak gerçekleştirilen deneylerde kompozit malzemeleri aşındırmak için tek bir partikül boyutunda aşındırıcılar kullanılmıştır. Buna karşın doğada gerçekleşen partikül erozyonu farklı boyutlarda partiküller içeren karışımların etkisi altında gerçekleşmektedir. Bu noktada bugüne kadar partikül karışımlarının kompozit ve diğer malzemelerin erozif aşınma davranışları üzerine herhangi bir çalışma gerçekleştirilmemiştir. Bu çalışmada cam keçe takviyeli PPS matrisli kompozit malzeme ilk aşamada farklı parametreler (partikül çarpma açısı ve püskürtme basıncı) altında aşındırılmış ve kompozit malzemede maksimum aşınmanın gerçekleştiği operasyon parametreleri belirlenmiştir. Sonraki aşamada kompozit malzeme bu parametreler altında 60, 80 ve 120 mesh boyutlarında alümina aşındırıcı partiküllerin farklı oranlarda karıştırılarak hazırlanan 9 farklı aşındırıcı partikül karışımı ile aşındırılmış ve partikül karışımlarının kompozit malzemenin erozif aşınma davranışına etkileri irdelenmiştir. 2. MALZEME VE YÖNTEM 2.1. Malzeme Tüm deneysel çalışmalarda hedef malzeme (aşındırılan malzeme) olarak cam keçe takviyeli polifenilen sulfid (PPS) kompozit kullanılmıştır. Cam elyaf keçe takviyeli PPS kompozitin üretimi için Carver marka, H model numaralı 25 ton yük kapasiteli sıcak pres kullanılmıştır. Şekil 2 de sembolik olarak polimer matrisli kompozit malzemenin kalıba yerleştirilmesi gösterilmiştir. Şekil 2. Polimer matrisli kompozit malzemenin sıcak pres tekniği ile üretimi için matris ve takviye malzemesinin paslanmaz çelik kalıba yerleştirilmesi Şekil 2 de görüldüğü gibi pembe levha ile cam elyaf keçe takviye katmanları simgelenirken, gri levha ile toz halindeki PPS polimer malzemesi simgelenmiştir Kalıptan çıkan cam elyaf keçe takviyeli PPS kompozit plakalar dairesel testerede 40x40x4 mm boyutlarında kesilerek katı partikül erozyonu deneyleri için uygun boyutlara getirilmiştir. 2.2 Yöntem Kumlama işlemleri özel olarak tasarlanan kumlama düzeneği ile gerçekleştirilmiştir. Şekil 3 te katı partikül erozyonu test düzeneği verilmiştir. 2

3 Şekil 3. Katı partikül erozyonu test düzeneği Deneysel çalışmalarda 60, 80 ve 120 mesh boyutlarında alümina (Al 2 O 3 ) partikülleri farklı oranlarda karıştırılarak 9 farklı aşındırıcı partikül karışımları hazırlanmıştır. Tablo 1 de hazırlanan 9 farklı aşındırıcı partikül karışımlarının ağırlıkça yüzdesi verilmiştir. Hazırlanan karışımlar ile kompozit malzeme aşındırılmış, aşınma deneyleri öncesi ve sonrasında kompozit malzemenin ağırlığı hassas terazi ile ölçülerek numunelerin aşınma oranları hesaplanmıştır. Aşındırılan numunelerin yüzeyleri taramalı elektron mikroskobu (SEM) yardımı ile incelenmiş ve malzemede görülen erozif aşınma mekanizmaları gözlenmiştir. Tablo1. Katı partikül karışımları No Karışım içeriği (ağırlıkça %) No Karışım içeriği (ağırlıkça %) No Karışım içeriği (ağırlıkça %) 60 mesh 120 mesh 60 mesh 80 mesh 80 mesh 120 mesh DENEYSEL SONUÇLAR VE TARTIŞMA Tek boyuttaki partiküller ile yapılan deneyler sonrasında kompozit malzemede en yüksek aşınmanın 4 bar püskürtme basıncı ve 30 derecelik çarpma açısında gerçekleştiği görülmüştür. Şekil 4. Aşınma miktarının farklı basınçlar altında, partikül çarpma açısına bağlı olarak değişimi (aşındırıcı partikül boyutu: 120 mesh) Aşınma oranının karışım içeriğine göre değişimi Şekil 5 de verilmiştir. Şekil 5 de karşılaştırma yapılabilmesi için 60 mesh ve 120 mesh boyutundaki partiküllerin tek başlarına kullanılmaları durumunda elde edilen aşınma oranları da verilmiştir. Karışım içeriğinin etkisinin daha rahat yorumlanabilmesi amacıyla bu bölümde grafiklerin hazırlanırken her iki partikülün oransal değişimini gösteren iki adet x ekseni çizilmiştir. Üst eksende karışım içerisindeki küçük partikül boyutlu aşındırıcı miktarının değişimi, alt eksen de ise büyük partikül boyutlu aşındırıcı miktarının değişimi verilmiştir. 3

4 YILDIRAN, ŞAHİN ve AVCU (a) (b) Şekil 5 (a). kompozit malzemenin aşınma oranının karışımın bağlı olarak değişimi, (b) teorik ve deneysel aşınma oranlarının karışım içeriğine bağlı değişimi (çarpma açısı: 30, püskürtme basıncı: 4 bar, aşınma süresi: 10 s) Şekil 5a da karışım içeriğinin katı partikül erozyonu üzerinde doğrudan etkili olduğu görülmektedir. Karışım içerisindeki 120 mesh boyutuna sahip aşındırıcı miktarının azalması ile aşınma oranının azaldığı görülmektedir. En düşük aşınma 60 ve120 meshlik partiküllerin eşit oranlarda karıştırılması ile hazırlanan karışımda elde edilmiştir. Karışımların aşınma oranı 120 meshlik partiküllerin tek başlarına kullanılmaları ile elde edilen aşınma oranından düşüktür. Bu durumda partikül karışımlarının aşınma performansının partiküllerin tek başlarına kullanılmaları durumuna göre düşük oldukları söylenebilir. Şekil 5a de deneysel çalışmalar neticesine elde edilen aşınma oranları ile hazırlanmıştır. Karışımlar ile ilgili deneysel çalışmalar öncesinde aşınma oranının teorik olarak da hesaplanabileceği düşünülmüştür. % 100 büyük partikülün aşınma oranı ve % 100 küçük partikülün aşınma oranı biliniyor ise, bu iki partikülün aşınma oranları ile karışım içerisindeki kütlesel oranları çarpılarak teorik bir aşınma oranı elde edilebilir. Şekil 5b de, teorik olarak hesaplanan aşınma oranları ile deneysel çalışmalar sonrasında elde edilen aşınma oranlarının farklılık gösterdiği, deneysel aşınma oranlarının hesaplanan aşınma oranlarından daha düşük olduğu görülmektedir. Karışım içindeki 120 meshlik aşındırıcının yüzdesi arttıkça deneysel aşınma oranı ile teorik aşınma oranı arasındaki yüzde değişimin arttığı gözlemlenmiştir. Aşınma oranlarındaki bu azalmanın partikül karışımlarının hedef malzemeye çarpmadan önce birbirleri ile çarpışarak enerjilerinin bir kısmını kaybetmeleri sonucunda meydana geldiği söylenebilir. (a) (b) Şekil 6 (a) % mesh, (b) %75 60 mesh - % mesh ile aşındırılmış numunenin x100 büyütmede SEM fotoğrafı (çarpma açısı: 30, püskürtme basıncı: 4 bar, aşınma süresi: 10s) Şekil 6a da 4 bar püskürtme basıncı ve 30 çarpma açısında tek boyutlu partiküllerin (60 mesh) ve Şekil 6b %75 60 mesh - % ile aşındırılmış numunenin SEM görüntüsü verilmiştir. Yüzde olarak fazla miktarda büyük aşındırıcı partiküllerden oluşan aşındırıcı karışım malzeme yüzeyinde bu boyuttaki taneciklerin 30o çarpma açısında ortaya çıkardığı mikrosürme hasar alanının artmasına sebep olmuştur. Diğer taraftan yoğun aşındırıcı bombardımanı sonrası malzeme 4

5 yüzeyinde fiber tabakalarına kadar inen derin hasar vadileri ve fiberlerdeki kırılma uçları net şekilde gözükmektedir. Aşınma mekanizması daha çok matris hasarı tipinde olmuş, malzeme yüzeyinden matris malzemesinin uzaklaşmasıyla birlikte fiber demetleri yüzeyde görünür hale gelmiştir. Yüzeye çıkan fiberlerde az miktarda aşındırıcı çarpmasına bağlı kırılmalar gözlemlenmiştir. 4. SONUÇLAR Deneysel çalışmalar sonucunda şu sonuçlara ulaşılmıştır: Farklı boyutlarda partiküller ile hazırlanan karışımlar kompozit malzemeyi karışım içerisindeki partiküllerin tek başlarına kullanılmalarına nazaran daha az aşındırmaktadırlar. Karışım içerisindeki küçük partikül oranının artması ya da diğer bir deyişle karışım içerisinde daha yüksek aşınmaya sebep olan partikül oranının artması karışımın aşınma performansının arttırmaktadır. Deneysel çalışmalar öncesinde hesaplanan teorik aşınma oranları ile deneysel aşınma oranları büyük farklılıklar içermektedir. Tüm karışımlarda deneysel aşınma oranı teorik aşınma oranından daha düşüktür. SEM incelemelerinde partikül karışımlarının partiküllerin bireysel kullanımlarına kıyasla farklı yüzey morfolojilerine neden oldukları belirlenmiştir. 5.KAYNAKLAR [1] Gohardani, O., Impact of erosion testing aspects on current and future flight conditions, Progress in Aerospace Sciences 47, , 2011 [2] Sınmazçelik, T. ve Sarı, N., Erodent size effect on the erosion of polyphenylene sulphide composite, Polym Composite, Vol.31, No.6, 1-10, 2009 [3] Sınmazçelik, T., Fidan, S. ve Günay, V., Residual mechanical properties of carbon/polyphenylene composites after solid particle erosion, Mater Design, Vol.29, No.7, , 2008 [4] Harsha, A. P. ve Thakre, A. A., Investigation on solid particle erosion behavior of polyetherimide and its composites, Wear, Vol.262, No7-8, , 2007 [5] Sınmazçelik, T. ve Taşkıran, İ., Erosive wear behavior of polyphenylenesulphide (PPS), Mater Design, Vol.28, No.9, , 2007 [6] Rattan, R. ve Bijwe, J., Influence of impingement angle on solid particle erosion of carbon fabric reinforced polyetherimide composite, Wear, Vol.262, , 2007 [7] Sarı, N. ve Sınmazcelik, T., Erosive wear behaviour of carbon fiber/polyetherimide composites under low particle speed, Mater Design, Vol.28, , 2007 [8] Sahin, Y. ve Durak, O., Abrasive wear behaviour of austempered ductile iron, Materials & Design, Vol.28, , 2007 [9] Tewari, U. S., Harsha, A. M., Hager, A.M. ve Friedrich, K., Solid particle erosion of carbon fibreand glass fibre-epoxy composites, Wear, Vol.63, No.3-4, , 2003 [10] Harsha, A. P., Tewari, U.S. ve Venkatraman B., Solid particle erosion behaviour of various polyaryletherketone composites, Wear, Vol.254, , 2003 [11] Rajesh, J. J., Bijwe, J., Tewari, U. S. ve Vankataraman, B., Erosive wear behavior of various polyamides, Wear, Vol.249, No.8, , 2001 [12] Bhushan, B., Introduction to Tribology, John Wiley and Sons, New York, 2001 [13] Zagainov G.I., Lozino-Lozinsky G.E., Composite materials in aerospace design, Springer, p ISBN: , 1996 [14] American Society for Metals, Friction, Lubrication and Wear Technology, (ASM handbook), ASM International,