PARTKÜL EROZYONUNA MARUZ KALAN POLMER KOMPOZTLERN MEKANK ÖZELLKLERNN BELRLENMES

Transkript

1 PARTKÜL EROZYONUNA MARUZ KALAN POLMER KOMPOZTLERN MEKANK ÖZELLKLERNN BELRLENMES Sinan FDAN 1, Tamer SINMAZÇELK 2,3 1 Kocaeli Üniversitesi Sivil Havacılık Yüksekokulu, Uçak Gövde-Motor Bakım Bölümü, Aslanbey Yerlekesi, zmit, Türkiye sfidan@kou.edu.tr 2 Kocaeli Üniversitesi, Makina Mühendislii Bölümü, Vezirolu Yerlekesi, 41040, zmit 3 TÜBTAK-MAM, Malzeme Enstitüsü, 41xxx, Gebze, Kocaeli tamersc@kou.edu.tr ÖZET Bu çalımada çapraz katlı sürekli karbon fiber takviyeli Polyphenylenesulphide (PPS) matrisli kompozitin eroziv aınma özellikleri farklı çarpma açıları ve püskürtme basınçları altında incelenmitir. Malzemelerin partikül erozyonu performansları farklı çarpma açılarında (15 90 ) ve farklı püskürtme basınçlarında ( ) Bar test edilmitir. Erozyon ölçümlerinde kullanılan silika kumu partiküllerinin boyutları µm dir. Aındırıcı partiküllerin kütlesel debisi 9 gr/sn dir. Malzeme yarı kırılgan bir davranı sergilemi ve 45 derece çarpma açısı civarında maksimum aınma gerçeklemitir. Çarpma açısının erozyon davranıında önemli bir etkisinin olduu tespit edilmitir. Aınan yüzeylerin morfolojik incelemeleri taramalı elektron mikroskobu (TEM) kullanılarak gerçekletirilmitir. Mikroskop incelemeleri ile birlikte olası aınma mekanizmaları tartıılmıtır. Aındırılan polimer kompozitlerin kalıntı mukavemetleri eme testleri yapılarak tespit edilmitir. Minimum kalıntı mukavemet deerleri maksimum aınmanın gerçekletii 45 derece çarpma açısında elde edilmitir. Anahtar Kelimeler: Eroziv aınma, mekanik özellikler, polimer kompozit SOLID PARTICLE EROSION EFFECT ON MECHANICAL PROPERTIES OF POLYMER COMPOSITES ABSTRACT The overall objective of the study is to improve our current understanding regarding to the influence of impact angle and flow pressure on solid particle erosion behaviour of continuous cross-ply carbon fiber reinforced Polyphenylenesulphide (PPS). The erosion rates of this material has been evaluated at different impingement angles (15 90 ) at particle flow pressure of ( ) Bar. The particles used for the erosion measurements were silica sand with diameter of µm. Mass flow of sand was 9 gr/sec. The material showed semi-brittle erosion behaviour, with maximum erosion rate at 45 impingement angle. The impingement angle has a significant influence on erosion rate. The morphology of eroded surfaces was examined by using scanning electron microscopy (SEM). Possible erosion mechanisms were discussed. Also the residual mecanical properties of the material was investigated by means of three point bending tests. It is concluded that the minimum residual strength values were determined at the samples which are eroded at impingement angle of 45. Keywords: Polymer composites, erosive wear, mechanical properties.

2 GR Bilindii gibi polimer kompozitler pek çok mühendislik uygulamasında çeitli nedenlerle bilinen konvansiyonel malzemelere tercih edilmektedirler. Polimer kompozitler sıkça partikül erozyonuna maruz kalan alanlarda kullanıldıkça bu konuda malzemenin özelliklerinin tanımlanması ve performanslarının ölçülmesine ilikin çalımalar giderek artmaktadır [1]. Katı partikül erozyonuna maruz kalan polimer kompozit aınma sonrası kütle kaybına maruz kalmaktadır. Bu malzemenin zamanla kullanımını kısıtlayan bir faktör haline gelmektedir ve aınma modları, hangi parametreler altında ne miktar aındıkları bu nedenle takip edilmekte ve makine parçaları bunlar göz önüne alınarak dizayn edilmektedir [2-5]. Dier yandan aınma esnasında özellikle sürekli fiber takviyeli kompozitlerin yapısal bütünlüklerinin bozulması söz konusudur. Bata fiberler olmak üzere malzeme içerisinde gerilmeleri taıyan ve takviye elemanlarının erozyon neticesi zarar görmesi malzemenin dayanım deerlerini deitirebilmektedir. Katı partikül erozyonuna maruz kalan polimer kompozitlerde matrisin, takviye fazının ve arayüzeyin aınması, takviye fazının kırılması, katlı kompozitlerde delaminasyonların, yüzey altı çatlakların oluması söz konusudur [5-8]. Partikül erozyonu ile malzemede oluan deformasyonların ve neticesinde oluan dayanım kayıplarının belirlenmesi makine parçasının güvenirlii açısından son derece önemlidir. Bu nedenle son yıllarda özellikle kompozit malzemelerin partikül erozyonu davranıının modellenmesine yönelik alt yapı çalımaları ve ardından malzemelerin erozyon sonrası taıdıkları mekanik mukavemetin belirlenmesi ve malzeme hasarlarının karakterize edilmesine ilikin çalımalar yapılmaktadır [9-12] Bu çalımada belirli parametreler altında PPS matrisli kompozit malzemenin eroziv aınma karakteristiinin belirlenmesi ve ardından malzemede kalan mekanik mukavemet özelliklerinin belirlenmesi hedeflenmitir. 1. Deneysel yöntem ve malzeme Bu çalımada oda sıcaklıında sürekli karbon fiber takviyeli Polyphenylenesulphide (PPS) matrisli kompozitin eroziv aınma özellikleri incelenmitir. Kompozit malzeme % 60 hacimsal oranda takviye edilen 6 katlı [0,90] 2 oryantasyonunda üretilmi çok katlı kompozit malzemedir. Aındırıcı partikül olarak silika kumu kullanılmıtır. Elenmi partiküllerin boyutları µm boyutlarındadır. Kum partiküller 4.5 bar basınç ile 9 g/s kütlesel debi ile püskürtülmektedir. Numuneler püskürtme nozulundan 40 mm uzakta numune tutucu tarafından tutulmaktadır (ekil 1) Aınma öncesi malzemelerin yüzeyi basınçlı hava püskürtülerek ve aseton ile yüzeyleri silinerek temizlenmektedir. Aınma deneyi sonrası ise basınçlı hava püskürtülerek yüzeyleri toz ve aınma ürünlerinden arındırılıp hassas terazide (0.1 mg hassasiyet) tartılmaktadır. Yaklaık 2 mm kalınlıa sahip 10x40 mm boyutlardaki malzemelerin eme deneyleri 10 mm/dk hız ile 32 mm mesnetler arası mesafe kullanılarak yapılmıtır.

3 ekil 1. Partikül erozyonu test düzenei 2. Deney sonuçları ve deerlendirme Partikül erozyonuna maruz bırakılan polimer kompozitlerin aınma süresi, çarpma açısı ve püskürtme basıncına balı olarak elde edilen aınma miktarları aırlık kaybı cinsinden (gr) ekil 2 ve 3 te ifade edilmitir. ekil 2, 90 derece çarpma açısı altında farklı basınçlar ve farklı sürelerde gerçekletirilen partikül erozyonu sonrası elde edilen aınma miktarlarını aırlık kaybı cinsinden ifade etmektedir. Malzeme polimer esaslı bir malzeme olmasına karın her hangi bir inkübasyon periyodunun olmadıı [10], erozyon süresi ile aınma miktarının deneyin hemen baından itibaren lineer orantılı olarak deitii görülmektedir. Bu veriler aınmanın deneyin hemen baında düzenli tekrarlanan steady state rejime ulatıını göstermektedir. Elde edilen aırlık kayıpları ile püskürtme basınçlarının orantılı oluu da tespit edilmitir. 0,18 0,16 0, Bar 3 Bar 1.5 Bar Aınma miktarı (gr) 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0, Zaman (sn) ekil derece çarpma açısı altında farklı püskürtme basınçları ve erozyon sürelerinin aınmaya etkisi

4 0, Bar 3 Bar 1.5 Bar A ınma miktarı (gr) 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0, Çarpma Açısı (derece) ekil 3. Farklı çarpma açıları ve püskürtme basınçları altında elde edilen a ınma miktarları ekil 3 de partiküllerin yüzeye çarpma açılarının bir fonksiyonu olarak de i en erozyon miktarları verilmektedir. Literatürde de rapor edildi i gibi [3,4] derece aralı ında yakla ık 45 derecelik çarpma açısında malzemede maksimum a ınmanın meydana geldi i tespit edilmi tir. Sünek polimerler ile rijit karbon fiberlerin bile iminden olu an kompozit malzeme sünek ve rijit malzemelerin arasında bir açı de erinde maksimum a ınma de erlerine eri mi tir. Beklendi i gibi partiküllerin yüzeye püskürtülme basınçlarının artması ile a ınma miktarları artmaktadır. Püskürtme basınçları ile a ınma miktarlarının orantılı oldu u tespit edilmi tir. ekil 4. p= 1.5 Bar, çarpma açısı: 15º, erozyon süresi: 30 sn ekil 4 de dü ük püskürtme basıncı (1.5 Bar) ve küçük çarpma açıları altında gerçekle tirilen deney sonrası çekilen taramalı elektron mikroskobu (TEM) resmi görülmektedir. Partiküller yatay do rultuda hareket etmektedir. Görüldü ü gibi yataya yakın bir açı ile gelen partiküller özellikle fiberler arasındaki matrisin a ınarak uzakla masına neden olmu lardır. Partiküllerin hareket do rultuları ile fiber do rultuları paralel oldu undan karbon fiberlerin çok fazla kırılmadıkları ve orijinal do rultularını muhafaza ettikleri tespit edilmi tir.

5 ekil 5. p= 1.5 Bar, çarpma açısı: 90º, erozyon süresi: 30 sn ekil 5 te dü ük püskürtme basıncı (1.5 Bar) ve yüksek çarpma açısı altında gerçekle tirilen deney sonrası elde edilen yüzey görülmektedir. ekil 4 ten farklı bir yapı ile kar ıla ılmı tır. Yüzeyde dik açılı çarpmalar neticesinde ciddi plastik deformasyonların bulundu u, partiküllerin çarpmaları sonrası kraterlerin olu tu u tespit edilmi tir. Dü ük basınçta dik açı ile çarpan partiküllerin fiberleri küçük parçalar halinde kırdıkları tespit edilmi tir. Fiberlerin a ınma öncesi yatay do rultuda bulundu u görülmektedir. Bir kısmı kırılmasına ra men matris ile olan ba ları nedeniyle yerlerinde kalmaya devam etmektedirler. Di er yandan partiküllerin çarpma enerjileri ile kırılıp yerinden çıkan fiberler neticesi bir krater olu tu u görülmektedir. Matris malzemesi ve fiberlerin dı ında partiküllerin çarpması ile ufalanan fiber parçalarının malzeme yüzeyinde bulundu u görülmektedir. ekil 6. p= 4.5 Bar, çarpma açısı: 15º, erozyon süresi: 30 sn ekil 4 ten farklı olarak dü ük çarpma açısında fakat yüksek püskürtme basıncı ile gönderilen partiküller fiberlerin kırılmasına neden olmu lardır. A ınan malzeme yüzeyinde kırılmı fiberler, a ınan matris ve yerinden çıkan fiberlerin bıraktı ı bo luklar görülmektedir. Dü ük açıda dahi olsa yüksek basınçla püskürtülen ve yüksek bir kinetik enerjiye sahip olan partiküller fiberleri kıracak kadar yüksek bir enerjiye sahiptirler. Partiküllerin hareket etmeleri esnasında yüzeye yatay ve dikey olan bile en olmak üzere 2 farklı hız bile eni bulunmaktadır.

6 Dü ük çarpma açısı ve dü ük püskürtme basıncında özellikle fiberlerin kırılmasına neden olan dü ey hız bile eninin küçük olması nedeniyle fiberler kırılmamı tır. Fakat daha yüksek basınç altında ekil 6 da görüldü ü gibi fiberlerin kırıldı ı görülmektedir. ekil 7. p= 4.5 Bar, çarpma açısı: 90º, erozyon süresi: 30 sn ekil 5 ten farklı olarak ekil 7 de partiküller daha yüksek basınç ile (4.5 Bar) püskürtülmü tür. 1.5 Bar püskürtme basıncı ile yapılan testlerden farklı olarak 4.5 Bar basınçla püskürtülen partiküllerin etkisi ile yapıda daha büyük plastik deformasyonlar olu mu tur. Fiberler daha küçük boylarda kırılmı ve bulundukları orijinal do rultulardan sapmı lardır. Partiküller dik açı ile çarpmı lar ve enerjilerin büyük kısmını malzeme içerisine aktarmı lardır. Yüzeydeki deformasyon olu umlarından hareketle yüzeyin hemen altında bulunan di er katlarda deformasyonlar ve delaminasyonların olu masının muhtemel oldu u dü ünülmektedir. A a ıdaki ekilde ( ekil 8) partikül erozyonuna maruz kalan 4x4 cm boyutlarındaki kare kompozit plakalardan e me numunelerinin çıkarılma a amaları gösterilmektedir. 5 mm lik çapa sahip seramik nozuldan çıkan partiküller 40 mm uzaklıktaki plakalarda ( ekil 8-a) 90º çarpma a ısında yakla ık 10 mm lik bir dairesel a ınma izi olu turmaktadır ( ekil 8-b). 90 dereceden daha dar çarpma açılarında elips eklinde bir a ınma izi olu maktadır. Elips eklindeki a ınma izine sahip plakalardan e me numuneleri elipsin uzun ekseninin destekler arası do rultuda bulunacak ekilde 10 mm geni likte kesilmi lerdir ( ekil 8-c). Böylece numunenin tam orta noktasında a ınma oyu unun bulundu u e me numuneleri hazırlanmı tır ( ekil 8-d). Numune kalınlı ı yakla ık 2 mm dir ve destekler arası mesafe 32 mm olacak ekilde e me deneyleri gerçekle tirilmi tir. Malzemelerin a ınmaya maruz kalmı yüzeyleri alt tarafa bakacak ekilde yerle tirilip e me deneyleri gerçekle tirilmi tir. ( ekil 8-e) de görülen a ınma derinli i h ekil 3 te görüldü ü gibi º çarpma açılarında maksimum olmaktadır. h derinli inin yüksek olması do al olarak e meye maruz kalan kesitin azalmasına neden olacaktır. Dolaylı olarak da modül ve kesitin ta ıyabilece i maksimum gerilmenin dü mesine yol açaca ı tahmin edilmektedir. Di er yandan kompozit malzemeye çarpan partiküllerin deforme ettikleri matris ve kırılmı fiberler polimer esaslı malzemelerde beklenildi i ekilde tam olarak malzeme kesitinden uzakla mayabilmektedir. Bu anlamda 45 derece çok optimum bir açı olabilirken, 45 derecenin üzerindeki açılarda da aslında yeterince deformasyonun bulunabilece i fakat olu an krater çeperlerinde fonksiyonelli ini kaybetmi malzeme parçalarının yapıyı terk etmemeleri nedeniyle bu a ırlık kaybı olarak nitelendirilmeyebilinmektedir. Di er yandan kompozit malzemedeki a ınma derinli inin

7 fazlalıı malzemenin mukavemet kaybında yegane etki olarak düünülmemelidir. 45 derece aındırıcı partikülün hem yatay hem de düey hız bileeninin edeer olduu bir açı deeridir. Daha yüksek çarpma açılarında partiküllerin düey hız bileenleri giderek artmaktadır. Yukarıdaki ekil 4 ve 6 da görüldüü gibi düük çarpma açılarında fiberlere paralel yönlü partikül hareketi malzemede özellikle fiber deformasyonları anlamında büyük deformasyonlar yaratmamaktayken dikey çarpmalar fiberlerin daha fazla kırılmalarına neden olmaktadır. Dolayısıyla yüksek çarpma hızı bileenine sahip dik açılı çarpmalarda aınmanın daha az olarak ölçülmesine ramen malzeme içerisinde deformasyonların yüksek olması söz konusu olabilir. Yüksek çarpma açılarında plastik deformasyona urayıp sıkımı ve derin bir krater oluturmu olmasına ramen yapıdan uzaklamadıı için aırlık kaybı olarak nitelendirilemeyen matris blokları bulunabilir. Yada kırılmı fiberler tamamen fonksiyonelliini yitirmi olmalarına ramen çarpmanın etkisi ile bir uçtan matris içerisine gömülü kalmaları halinde bu da aırlık kaybı olarak görülmemesine ramen mekanik mukavemet kaybına yol açabilecektir. Dier bir etki ise kompozit malzemelere has karakteristik bir deformasyon modelidir. Yüzeye dik ve dike yakın açılarda çarpan partiküller fiberleri kırmanın yanı sıra çarpma yüzeyi altında mikro çatlaklara, tabakalar arası delaminasyonlara, yüzey altı kırıklarına sebep olabilmektedir. Bu da malzemenin mukavemet kaybetmesine neden olacak ikincil etkilerdir. Kısaca malzemede aırlık kaybının yüksek olduu 45 derece civarındaki kaybın mekanik mukavemetin de en düük seviyede bulunacaı anlamına geleceini net olarak batan düünmek söz konusu deildir. ekil 8. Partikül erozyonuna maruz kalan plakalardan eme numunelerinin hazırlanması

8 50000 Eme modülü (MPa) Bar 3 Bar 4.5 Bar Çarpma açısı ( o ) ekil 9. Partikül erozyonuna maruz kalmı numunelerin eme modülü deerleri ekil 9 da eme testleri sonunda 45 derece civarında her üç püskürtme basıncı içinde en düük mekanik mukavemet deerleri elde edilmitir. Kalıntı mukavemet deerleri ile püskürtme basınçlarının orantılı olduu görülmütür. Buradan u önemli çıkarımı yapmak mümkündür, yukarıda belirtilen yüksek açılarda çarpma neticesi malzeme yüzeyi altında oluabilecek delaminasyon ve yüzey altı çatlaklarının etkisinin fazla olmadıı ve kalıntı mukavemetin en fazla aınmanın gerçekletii 45 derece çarpma açısında en düük deerlere sahip olduu görülmütür. ekil 8 de belirtilen h yüksekliinin yüksek olması malzemenin kalıntı eme mukavemetinin olumasında en önemli etken olduu belirlenmitir. Aınma miktarı ile çarpma açıları arasındaki ilikinin büyük yaklaıklıkla malzemenin eme modülü deerlerine yansıdıı görülmektedir Eme gerilmesi (MPa) Bar 3 Bar 4.5 Bar Çarpma açısı ( o ) ekil 10. Partikül erozyonuna maruz kalmı numunelerin eilme gerilmesi deerleri ekil 9 daki sonuçlara paralel olarak ekil 10 da da malzemenin kalıntı eme mukavemeti deerleri ile püskürtme basınçları ve çarpma açılarının ilikili olduu belirlenmitir. Eme

9 modülüne benzer ekilde derecelik aralıkta malzemenin en düük kalıntı eme mukavemeti deerlerine sahip olduu belirlenmitir. SONUÇLAR Sürekli karbon fiber takviyeli Polyphenylenesulphide (PPS) kompozitin partikül erozyonu sonrası 45 derecelik çarpma açılarında maksimum aınmaya maruz kaldıı tespit edilmitir. Püskürtme basıncının büyüklüü ile aınma miktarı arasında yakın bir iliki olduu ve aınmanın basınçla orantılı deitii tespit edilmitir. Aınmı malzemelerin eme dayanımları incelendiinde aınma miktarları ile malzemelerin eme dayanımlarının ilikili olduu tespit edilmitir. Kaynaklar 1. U.S. Tewari, A.P. Harsha, A.M. Häger, K. Friedrich, Solid particle erosion of unidirectional carbon fibre reinforced polyetheretherketone composites, Wear 252 (2002) A. Häger, K. Friedrich, Y.A. Dzenis, S.A. Paipetis, Study of erosion wear of advanced polymer composites, in: K. Street, B.C. Whistler (Eds.), Proceedings of the ICCM-10, Canada. Woodhead Publishing Ltd., Cambridge p N.-M. Barkoula, J. Karger-Kocsis, Effects of fibre content and relative fibre-orientation on the solid particle erosion of GF/PP composites, Wear 252 (2002) J. Bijwe, J. Indumathi, J.J. Rajesh, M. Fahim, Friction and wear behavior of polyetherimide composites in various wear modes, Wear, 249 (2001) B. Bhushan, Principles and applications of tribology, Wiley, New York, N.M. Barkoula, J. Karger-Kocsis, Solid particle erosion of unidirectional GF reinforced EP composites with different fibre/matrix adhesion, Journal of Reinforced Plastics and Composites, 19 (2000) U.S. Tewari, A.P. Harsha, A.M. Hager, K. Friedrich, Solid particle erosion of carbon fibre and glass fibre epoxy composites, Composites Science and Technology, 63 (2003) I.M. Hutchings, R.E. Winter, J.E. Field, Solid particle erosion of metals: the removal of surface material by spherical projectiles, Proc. Roy. Soc. Lond., Ser. A 348 (1976) A.P. Harsha, U.S. Tewari, B. Venkatraman. Solid particle erosion behaviour of various polyaryletherketone composites. Wear 254 (2003) N. -M. Barkoula, G. C. Papanicolaou and J. Karger-Kocsis. Prediction of the residual tensile strengths of carbon-fiber/epoxy laminates with and without interleaves after solid particle erosion. Composites Science and Technology, Volume 62, Issue 1, January 2002, Pages Oka, Y.I.; Yoshida, T. Practical estimation of erosion damage caused by solid particle impact: Part 2: Mechanical properties of materials directly associated with erosion damage. Wear, Jul2005, Vol. 259 Issue 1-6, p Zhou, R.; Lu, D.H.; Jiang, Y.H.; Li, Q.N. Mechanical properties and erosion wear resistance of polyurethane matrix composites.. Wear, Jul2005, Vol. 259 Issue 1-6, p