Prof.Dr.Ahmet Aran - İ.T.Ü. Makina Fakültesi METAL MATRİSLİ KOMPOZİT MALZEMELER
METAL MATRİSLİ KOMPOZİTLER KARMA MALZEMELER METAL MATRİSLİ KARMA MALZEMELER MMK ÜRETİM YÖNTEMLERİ UYGULAMA ÖRNEKLERİ
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
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.
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
Kompozit malzemeler Plastik Matrisli Kompozitler Metal Matrisli Kompozitler Seramik Matrisli Kompozitler Elyaf Takviyeli Kompozitler Parçacık Takviyeli Kompozitler Tabakalı Kompozitler
Kompozit malzemeler Elyaf Takviyeli Kompozitler Parçacık Takviyeli Kompozitler Tabakalı Kompozitler
Kompozit ve geleneksel malzemelerin karşılaştırılması Çekme Elastiklik Özgül çekme Özgül Elastiklik MALZEME Yoğunluk dayanımı Modülü dayanımı modülü g/cm3 MPa Gpa Alaşımsız çelik 7,9 400 203 58 26 Alüminyum 2,8 84 71 30 25 Al alaşımı 2024 2,8 247 69 88 25 SiC(parç.)-Al KM 2,8 500 90 179 32 Ahşap (kayın) 0,7 110 13 157 1 Kemik 1,8 38 26 75 14 Plastik malzeme 1,2 60 3 50 2,5 Bor-Epoksi KM 1,8 1600 224 889 124 Karbon-Epoksi KM 1,5 1650 140 1100 93 Kevlar-Epoksi KM 1,4 1400 77 1000 55 Cam-Epoksi KM 1,8 1150 42 639 23
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.
MMK üretiminde kullanılan takviye türleri TAKVİYE Çap Dayanım Modül Kullanım TÜRÜ (mikron) MPa GPa Sıcaklığı ( o C) Bor 150-200 3450 400 540 Karbon (PAN) 7 2400-4800 230-395 1650 SiC 100-150 4140 425 930 Alumina (FP) 20 1380 380 1650
Bor elyaf üretimi
Karbon Elyaf Üretimi (PAN)
Karbon elyaf üretimi (Katran)
Karbon elyaf
SiC Takviye Üretimi Buhar çökeltme (Karbon veya wolfram flaman üzerine) PCS elyaftan başlayarak (NICALON) Kılcal Kristal (whisker) Parçacık
SiC Whisker üretimi
Alumina Takviye Üretimi Ekstrüzyon (FP elyaf) Süreksiz elyaf (Saffil)
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
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
Sıvı Metal Emdirme (1)
Sıvı metal emdirme yöntemi (2)
Sıvı metal emdirme yöntemi (3)
Sıvı metale ilave
Püskürtme Yöntemi
Plasma püskürtme yöntemi
Ark püskürtme yöntemi
Metal püskürtme
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.
Toz metallurjisi Metal ve Takviye Tozları Önbiçim Arabiçim Harmanlama Soğuk Presleme Gaz Giderme Sıcak Presleme Son biçim Ekstrüzyon, Haddeleme, Dövme v.s.
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)
Sıcak presleme
Adım adım sıcak presleme
Haddeleme
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.
Elektrolitik Yöntem
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
Türbin kanatçığı
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
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
Şaftlar HAFİF TAŞIT -- HAFİF ŞAFT Corvette aluminyum şaft Kamyonet ve minibüslerde ikiparçalı olan şaft tek parça- dışyüzeyi karbon elyafla takviyeli. Tüm bünyede parçacıklarla takviyeli : 6061+ %20 parç. Ektrüzyonla boru olarak
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
Dağ Bisikletleri Yüksek rijitlik Yüksek yorulma day. Hafiflik DURALCAN ve AMC %10-20 SiC içeren Al Ekstrüzyonla1,5 mm et kalınlıklı boru MIG kaynağı