METAL MATRİSLİ KOMPOZİT MALZEMELER

Transkript

1 Prof.Dr.Ahmet Aran - İ.T.Ü. Makina Fakültesi METAL MATRİSLİ KOMPOZİT MALZEMELER

2 METAL MATRİSLİ KOMPOZİTLER KARMA MALZEMELER METAL MATRİSLİ KARMA MALZEMELER MMK ÜRETİM YÖNTEMLERİ UYGULAMA ÖRNEKLERİ

3 Metal, seramik ve plastik malzemeler MALZEME Yoğunluk Dayanım Tokluk Isıl Biçimlen- Birleş- GRUBU Kararlılık dirme tirme METALLER yüksek orta iyi orta orta orta SERAMİKLER yüksek yüksek düşük yüksek kötü kötü PLASTİKLER düşük düşük düşük düşük iyi iyi

4 Kompozit (karma) malzemeler Metal, plastik ve seramik gruplarından iki veya daha fazla malzemenin, uygun olan özelliklerini tek malzemede toplamak, veya yeni bir özellik ortaya çıkarmak amacıyla makro düzeyde birleştirilmesi ile oluşturulan malzemelerdir.

5 KOMPOZİT OLUŞTURMA AMAÇLARI Rijitlik Kırılma tokluğu Yüksek sıcaklık özellikleri Elektrik iletkenliği Hafiflik-ağırlık Çekme dayanımı Aşınma dayanımı Yorulma dayanımı Korozyona dayanım Isıl iletkenlik Akustik iletkenlik Ekonomiklik Estetik görünüm

6 Kompozit malzemeler Plastik Matrisli Kompozitler Metal Matrisli Kompozitler Seramik Matrisli Kompozitler Elyaf Takviyeli Kompozitler Parçacık Takviyeli Kompozitler Tabakalı Kompozitler

7 Kompozit malzemeler Elyaf Takviyeli Kompozitler Parçacık Takviyeli Kompozitler Tabakalı Kompozitler

8 Kompozit ve geleneksel malzemelerin karşılaştırılması Çekme Elastiklik Özgül çekme Özgül Elastiklik MALZEME Yoğunluk dayanımı Modülü dayanımı modülü g/cm3 MPa Gpa Alaşımsız çelik 7, Alüminyum 2, Al alaşımı , SiC(parç.)-Al KM 2, Ahşap (kayın) 0, Kemik 1, Plastik malzeme 1, ,5 Bor-Epoksi KM 1, Karbon-Epoksi KM 1, Kevlar-Epoksi KM 1, Cam-Epoksi KM 1,

9 MMK LARIN DİĞER KOMPOZİTLERDEN ÜSTÜNLÜKLERİ Metal matris yüksek tokluk ve dayanım sağlar. Yüksek sıcaklık özellikleri ve ısılkararlıklıkları çok daha iyidir. Birçok ortamda korozyon dayanımları yüksektir. Biçimlendirlebilme özellikleri iyidir. Kaynak veya diğer yöntemlerle kolaylıkla birleştirilebilirler.

10 MMK üretiminde kullanılan takviye türleri TAKVİYE Çap Dayanım Modül Kullanım TÜRÜ (mikron) MPa GPa Sıcaklığı ( o C) Bor Karbon (PAN) SiC Alumina (FP)

11 Bor elyaf üretimi

12 Karbon Elyaf Üretimi (PAN)

13 Karbon elyaf üretimi (Katran)

14 Karbon elyaf

15 SiC Takviye Üretimi Buhar çökeltme (Karbon veya wolfram flaman üzerine) PCS elyaftan başlayarak (NICALON) Kılcal Kristal (whisker) Parçacık

16 SiC Whisker üretimi

17 Alumina Takviye Üretimi Ekstrüzyon (FP elyaf) Süreksiz elyaf (Saffil)

18 MMK üretinde kullanılan başlangıç malzemeleri, üretim teknikleri ve ara ürünler MATRİS TAKVİYE ÜRETİM TEKNİĞİ ARA ÜRÜNLER Eriyik Parçacık Eriyiğe karıştırma Preslenmiş Toz Sürekli elyaf Erimiş metali presleme ön biçim Folyo Süreksiz elyaf Metal püskürtme Buhar Ekstrüzyon Püskürtme Toz metalurjisi önbiçim Sıcak presleme Sıcak haddeleme Kaplanmış Buhardan çökeltme elyaf Elektrolitik yöntem Yönlenmiş katılaştırma

19 MMK ÜRETİM YÖNTEMLERİ SIVI FAZ YÖNTEMLERİ Erimiş Metali Emdirme veya Presleme Erimiş Metale Takviyeyi Karıştırma Metal Püskürtme İn-situ kompozitler KATI FAZ YÖNTEMLERİ Toz Metallurjisi Sıcak presleme Haddeleme DİĞER YÖNTEMLER Elektrolitik Yöntem Buhar Fazından Çökeltme

20 Sıvı Metal Emdirme (1)

21 Sıvı metal emdirme yöntemi (2)

22 Sıvı metal emdirme yöntemi (3)

23 Sıvı metale ilave

24 Püskürtme Yöntemi

25 Plasma püskürtme yöntemi

26 Ark püskürtme yöntemi

27 Metal püskürtme

28 İn-situ Karma Malzemeler: Kontrollu katılaşma ile geometrik düzene sahip iç yapılar, Fazın biri matris daha sert ve gevrek olan diğeri ise takviye, Genellikle ötektik alaşımlar, Tek bir işlemle elde edilirler ve iç yapıları çok kararlıdır.

29 Toz metallurjisi Metal ve Takviye Tozları Önbiçim Arabiçim Harmanlama Soğuk Presleme Gaz Giderme Sıcak Presleme Son biçim Ekstrüzyon, Haddeleme, Dövme v.s.

30 TM Yönteminin üstünlükleri Her türlü matris alaşımı ve takviye türü için uygulanabilir. Katı hal yayınması sırasında arayüzeydeki reaksiyonlar en alt düzeyde oluşur. Yüksek hacim oranlarında takviye katmak mümkün olur Pahalıdır (100 $/kg)

31 Sıcak presleme

32 Adım adım sıcak presleme

33 Haddeleme

34 Buhar Fazından Çökeltme Bir vakum odasından geçirilen elyafın üzerine metal buharları çökeltilir Kaplanmış elyaf bir demet halinde toplanarak sıcak preslenir, Alçak sıcaklıkta yapılması avantaj, Üniform bir dağılım,. Yüksek elyaf yoğunluğu (%80 e kadar), Pahalı bir yöntemdir.

35 Elektrolitik Yöntem

36 MMK LARIN KULLANIM ALANLARI UZAY SANAYİ Uzay yapıları Antenler HAVACILIK Uçaklarda gövde ve iç donanım parçaları Kompresör kanatları Türbin kanatları Helikopter parçaları B/Al, B/Mg, Gr/Mg B/Al, B/Mg, Gr/Mg B/Al, SiC/Al, Gr/Al B/Al, SiC/Al, Gr/Al Wolfram ve tantal takviyeli süperalaşımlar,in-situ ötektikler B/Al, SiC/Al, Gr/Al, Gr/Mg, Al 2 O 3 /Mg, Al 2 O 3 /Al

37 Türbin kanatçığı

38 MMK LARIN KULLANIM ALANLARI OTOMOTİV Motor blokları Pistonlar Biyeller Akü plakaları ELEKTRİK Motor fırçaları Kablo, elektrik kontakları Ev aletleri akü plakaları TIP Protezler Tekerlekli sandalyeler SiC/Al SiC/Al SiC/Al Gr/Pb Gr/Cu Gr/Cu Al 2 O 3 /Pb, Gr/Pb, Cam/Pb B/Al, SiC/Al B/Al, SiC/Al

39 Dizel Motor Pistonları Yüksek aşınma dayanımı Yüksek ısılkararlılık Yüksek sıcaklıkta dayanım İyi ısı iletkenliği Nikel esaslı insert MMC hazır insert (Alumina) MMC önbiçim insert Tüm piston SİC takviyeli

40 Şaftlar HAFİF TAŞIT -- HAFİF ŞAFT Corvette aluminyum şaft Kamyonet ve minibüslerde ikiparçalı olan şaft tek parça- dışyüzeyi karbon elyafla takviyeli. Tüm bünyede parçacıklarla takviyeli : %20 parç. Ektrüzyonla boru olarak

41 MMK LARIN KULLANIM ALANLARI 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, SiC/Al DİĞER Yataklar Gr/Pb Kimyasal ekipman Aşındırıcı takımlar Al 2 O 3 /Pb B/ Al 2 O 3, SiC/ Al 2 O 3

42 Dağ Bisikletleri Yüksek rijitlik Yüksek yorulma day. Hafiflik DURALCAN ve AMC %10-20 SiC içeren Al Ekstrüzyonla1,5 mm et kalınlıklı boru MIG kaynağı