CAM KEÇE TAKVİYELİ POLİFENİLEN SÜLFİD MATRİSLİ KOMPOZİTLERİN KATI PARTİKÜL EROZYON DAVRANIŞLARI: PARTİKÜL ÇARPMA AÇISININ VE HIZININ ETKİLERİ ÖZET Egemen Avcu 1, Alperen Şahin 1, Sinan Fidan 2, Tamer Sınmazçelik 1, İsa Taşkıran 2, M. Özgür Bora 1, Onur Çoban 1 1 Kocaeli Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Kocaeli, TÜRKİYE 2 Kocaeli Üniversitesi, Sivil Havacılık Meslek Yüksekokul, Kocaeli, TÜRKİYE alperensahin88mail.com 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. Kompozit numuneler, özel olarak tasarlanmış kumlama düzeneğinde farklı parametreler altında aşındırılmış ve bu parametrelerin kompozit malzemelerin katı partikül erozyon davranışına etkileri irdelenmiştir. Numuneler farklı aşınma sürelerinde (2, 4, 6, 8 ve 10 s), farklı partikül çarpma açılarında (30, 45, 60, 75 ve 90 ) ve farklı partikül hızlarında (55, 80 ve 95 m/s) 80 mesh boyutunda partiküller ile aşındırılmıştır. Cam keçe takviyeli PPS matrisli kompozit malzeme yarı-sünek aşınma davranışı göstermiş ve maksimum aşınma 30 ve 45 partikül çarpma açılarında gözlenmiştir. Aşınma süresinin ve partikül hızının arttırılması ile kompozit malzemenin aşınma miktarının arttığı gözlenmiştir. Maksimum aşınma miktarı, kompozit malzemenin 30 çarpma açısında, 10 saniye süresince, 95 m/s partikül hızında partiküller ile aşındırılması sonucu elde edilmiştir. Son olarak, aşınan yüzeyler taramalı elektron mikroskobu (SEM) yardımıyla incelenerek, malzemede görülen aşınma mekanizmaları tartışılmıştır. Anahtar Kelimeler: Katı partikül erozyonu, cam keçe takviyeli PPS kompozit, yüzey morfolojisi 1. GİRİŞ Malzemelerin aşınması, malzemelerin performansını belirleyen önemli parametrelerden biridir [1]. Aşınma genel olarak malzemenin yüzeyinde izafi bir hareket ve mekanik bir etki ile meydana gelen malzeme kaybıdır [2]. 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. Katı partikül erozyonunda, malzeme yüzeyine belirli bir hızla hareket eden sert partiküllerin çarpması sonucunda yüzeyde malzeme kaybı gerçekleşir. Katı partikül erozyonu nedeniyle çeşitli mühendislik uygulamalarında malzeme kayıplarıyla karşılaşılmaktadır [4]. Uzay ve havacılık uygulamalarında, enerji dönüşüm sistemlerinde, jet motorlarında, helikopter rotor kanatlarında, türbinlerde ve kömür dönüştürme santrallerinde vb. bu aşınma tipini yoğun olarak görmek mümkündür. Aşındırıcı partiküller hareketli kanatlara, valf deliklerine, boru
bağlantılarına, boru dirseklerine ve diğer yüzeylere çarparak şiddetli aşınmalar meydana getirmektedir [5-9]. Son yıllarda; fiber takviyeli termoplastik matrisli kompozitler, metaller ve metal alaşımlarının yerini almaktaktadır. Kompozit malzemeler bu tozlu çalışma şartlarında, toz partiküllerinin etkisi ile yüksek oranda katı partikül erozyonuna maruz kalmaktadırlar. Bundan dolayı bir çok araştırmacı termoplastik matrisli kompozitlerin katı partikül erozyonunu araştırmış ve bu konu üzerinde çalışmıştır. [10-14]. A. Patnaik ve diğerleri., A. Suresh ve A.P. Harsha; kompozit malzemelerin katı partikül erozyonuna karşı metal, seramik ve plastik malzemelere göre çok daha düşük bir dayanım sergilediğini belirtmiştir [15,16]. Bu durumda termoplastik matrisli kompozitlerin katı partikül erozyonunun anlaşılması büyük önem kazanmıştır. Bundan ötürü, bu çalışmada fiber takviyeli termoplastik matrisli kompozitlerin katı partikül erozyonu davranışının incelenmesi amaçlanmıştır. Diğer tribolojik sistemlerde olduğu gibi katı partikül erozyonu da bir çok değişik parametreye bağlıdır. Bu parametreler tablo 1 de verilmiştir [5,11,17-19]. Tablo1: Katı partikül erozyonuna etki eden faktörler Deneysel parametreler Aşındırıcı malzemeye bağlı parametreler Hedef malzemeye bağlı parametreler Ortam ve test koşulları Çarpma açısı ve, kütlesel debi, vb. Şekil, sertlik, boyut, cins, vb. Sertlik, dayanıklılık, elastisite modülü, kırılma davranışı, vb. sıcaklık, aşındırıcı malzeme ile hedef malzeme arasın kimyasal etkileşim, vb. Bu nedenle, bu çalışmada cam elyaf takviyeli polifenilen sülfid (PPS) matrisli kompozitlerin farklı parametreler (aşındırıcı partikülün çarpma açısı ve çıkış hızı) altında katı partikül erezyonu incelenmiştir.
2. MALZEME VE YÖNTEM 2.1. Malzeme I. Ulusal Ege Kompozit Malzemeler Sempozyumu Tüm deneysel çalışmalarda hedef malzeme (aşındırılan malzeme) olarak cam keçe takviyeli polifenilen sulfid (PPS) kompozit kullanılmıştır. Kompozit malzeme Kocaeli Üniversitesi İleri Disiplinlerarası Araştırma (İDEAL) laboratuarında üretilmiştir. Üretimde matris malzemesi olarak kullanılacak olan PPS malzemesi Ticona firmasından temin edilmiş olup, ürünün ticari kodu Fortron 0205B4 tür. Tablo 2 de Ticona firmasının PPS malzemesi için belirtmiş olduğu fiziksel, mekanik ve termal özellikler gösterilmiştir [20]. Tablo 2. PPS malzemesinin teknik özellikleri [20] PPS malzemesinin özellikleri Fiziksel Özellikleri Yoğunluk (kg/m 3 ) 1350 Su emilimi (%) 0.02 Mekanik özellikleri Çekme modülü (1 mm/dk) (MPa) 4000 Kopmada çekme gerilmesi (5 mm/dk) (MPa) 66 Eğilme modülü (MPa) 3900 Kopmada eğilme gerilmesi (MPa) 130 Çentikli darbe dayanımı (Izod) (kj/m 2 ) 2 Rockwell sertliği (M-Scale) 95 Termal Özellikleri Erime sıcaklığı (10 o C/dk) ( o C) 280 Camsı geçiş sıcaklığı (10 o C/dk) ( o C) 90 Lineer termal gen. kats. (paralel) (E-4/ o C) 0.53 Lineer termal gen. kats. (normal) (E-4/ o C) 0.52 Cam elyaf keçe takviyesi sıcak pres tekniği ile üretime uygun, düşük maliyetli oluşu, kolay işlenebilirlik, iyi yüzey ıslanabilme ve mekanik özelliklerinin yeterli seviyelerde olması sebebiyle polimer matrisli kompozitin takviye elemanı olarak seçilmesi uygun görülmüştür. Cam Elyaf A.Ş. firmasından temin edilen MAT 8 kodlu E cam elyafı içeren cam elyaf keçe malzemesi kullanılmıştır. PPS polimeri ile iyi ara yüzey oluşturabilmesi için cam elyaf keçe malzemesinin yüzeyi silan koupling ajanı ile kaplanarak üretilmiştir. Üretimde kullanılan cam elyaf keçe malzemesinin ürün spesifikasyonu Tablo 3 de gösterilmiştir.
Tablo 3. Sıcak pres tekniği ile üretilen polimer matrisli kompozitin fiber takviyesi olarak kullanılacak olan cam elyaf keçe malzemesinin ürün spesifikasyonu ÜRÜN SPESİFİKASYONU Cam tipi E Reçine uyumu Polyester Elyaf çapı (ø) Nom.12 Birim alan ağırlığı (g/m 2 ) 225 ± %7 Split teksi (g/1000 m) 30 Rulo genişliği (cm) 100 Bağlayıcı türü Silan Kırpılmış demet uzunluğu (mm) 50 Üretilmesi hedeflenen cam elyaf keçe takviyeli PPS kompoziti için Carver marka, 25-12-2H model numaralı 25 ton yük kapasiteli, maksimum sıcaklığı 340 ºC olan ve alt ve üst plakaları 30x30 cm 2 boyutuna sahip sıcak pres kullanılmıştır. Kalıp malzemesi olarak paslanmaz çelik tercih edilmiştir. Bu yöntemde düzlemsel parçalar üretileceği için pek karmaşık olmayan kalıplar üretilmiştir. Kalıplar uygulama esnasında ısıtılan baskı plakaları arasına yerleştirilmektedir. Kalıp havuzunun boyutu 200 mm x 200 mm olup üç farklı derinliğe (1 mm, 2 mm ve 5 mm) sahiptir. Şekil 1 de sembolik olarak polimer matrisli kompozit malzemenin sıcak pres tekniği ile üretimi için matris ve takviye malzemesinin paslanmaz çelik kalıba yerleştirilmesi gösterilmiştir. Şekil 1. Polimer matrisli kompozit malzemenin sıcak pres tekniği ile üretimi için matris ve takviye malzemesinin paslanmaz çelik kalıba yerleştirilmesi Şekil 1 de görüldüğü gibi koyu gri levha ile cam elyaf keçe takviye katmanları simgelenirken, açık gri levha ile toz halindeki PPS polimer malzemesi simgelenmiştir. Paslanmaz çelik kalıp yarıları ile PPS polimerinin temas etmemesi ve PPS polimerinin kalıp yarılarına yapışmaması için 0.5 mm kalınlığında teflon film ayırıcı eleman olarak kullanılmıştır. Kalıp içerisine yerleştirilen malzeme önceden 340 C ye ısıtılmış sıcak presin tam ortasına gelecek şekilde yerleştirilmiştir. Sıcak presin üst ve alt tablasıyla kalıp alt ve üst yüzeylerinin sürekli temas halinde olmaları sağlanmıştır. Kalıp yarılarının sıcak prese konulması ile sıcak presin sıcaklığı 300 C ye kadar düşmüş daha sonra ise kalıp yarılarının ısınması ile birlikte tekrar 340 C ye çıkmıştır. Bu olay yaklaşık 20 dakikada gerçekleşmiştir. Gerçekleştirilen çalışmada sıcak preste ön ısıtmaya tabi tutulan kalıbın sahip olduğu ısıyı toz PPS polimerine
aktarması ve polimerin aldığı ısı ile eriyip cam elyaf keçe takviyesinin içine nüfuz edip iyi bir ara yüzey oluşması için kalıp 5 dakika basınç uygulanmadan sıcak preste bekletilmiştir. PPS polimerinin ısı nedeniyle erimeye başlayıp cam elyaf keçe takviye katlarına sızmasıyla mevcut kalınlıkta azalma gözlenmiştir. Üst kalıp yarısının sıcak pres üst tablası ile temasının kaybolmaması için hava alma diye tabir edilen basınç uygulanmadan sıcak presin üst tablası hidrolik kriko yardımıyla aşağı indirilip üst kalıp yarısına temas ettirilmiştir. Literatürdeki çalışmaların incelenmesiyle uygulanacak basınç ve basınç uygulama süresi değerlerinin sırasıyla 1500 psi (103.42 bar) ve 1 dakika olduğuna karar verilmiştir. 5 dakika sonunda 1500 psi basınç 1 dakika boyunca numuneye uygulanmıştır. Basınç uygulanma aşamasından sonra üretilen kompozit malzemenin tokluğunun arttırılması için su vasıtası ile hızlı soğutma yapılmıştır. Sıcak pres cihazı su hattına bağlı olup soğutma esnasında sıcak presin üst ve alt tablalarının bağlı olduğu su hattı ile numune oda sıcaklığına kadar soğutulmaktadır. Camsı geçiş sıcaklığının (T g ) altına inildiğinden kalıp yarıları elle açılarak üretilen cam elyaf keçe takviyeli PPS kompozit plaka kalıptan çıkarılmıştır. Kalıptan çıkan cam elyaf keçe takviyeli PPS kompozit plakanın boyutu şerit testerede çapakların alınmasından sonra 200 mm x 200 mm x 4 mm olmuştur. Son olarak cam elyaf keçe takviyeli PPS kompozit malzeme dairesel testerede kesilerek katı partikül erozyonu deneyleri için uygun boyutlara getirilmiştir. Şekil 2 de katı partikül erozyonu deneylerinde kullanılan kompozit numunelerin boyutları verilmiştir. 2.2 Yöntem Şekil 2. Cam elyaf keçe takviyeli PPS kompozit numunelerin boyutları Bu çalışmada kare plakalar şeklinde hazırlanan kompozit numuneler kumlama yöntemi ile farklı parametreler altında aşındırılmıştır. Deneysel çalışmalarda aşındırıcı partikül olarak 80 mesh boyutuna (150 212 µm) sahip alüminyum oksit (alümina) kullanılmıştır. Şekil 3 de 80 meshlik alüminyum oksit (alümina) aşındırıcı partiküllerin taramalı elektron mikroskobu (SEM) fotoğrafı verilmiştir. Yapılan hesaplamalar sonucunda alümina aşındırıcı partiküllerin şekil faktörü (F s ) 0.407, yuvarlaklık değeri(s r ) 0.16 ve küresellik değeri (S p ) 0.568 olarak hesaplanmıştır [21]. Hesaplamalarda kullanılan formüller aşağıda verilmiştir. Bu hesaplamalara göre deneysel çalışmalarda kullanılan aşındırıcı partiküllerin, çok sivri ve keskin kenarlı olduğu ve küreselliklerinin çok düşük olduğu sonucuna varılmıştır. Bu sonuçlar alümina partiküllerinin kuvvetli aşındırıcılar olduğunu göstermektedir. Deneysel çalışmalarda
kompozit malzeme bu partiküller ile aşındırılarak, kompozit malzemenin ekstrem erozif şartlar altındaki aşınma performansı değerlendirilmiştir. F s : Şekil faktörü F s d d min maks d min : Partikülün içine çizilebilecek en büyük çemberin çapı d maks : Partikülü çevreleyen en küçük çemberin çapı S r :Yuvarlaklık r c : Partikülün çıkıntılarının yarı çapı (2 r /d S d p : Partikülün içine çizilebilecek en büyük çemberin çapı N c : Partikül üzerinde yer alan girinti sayısı ) c p r N c (2) S p (4 / ).b b p : Partikülü çevreleyen en küçük çaplı çember içinde yer alan en uzun en mesafesi l p : Partikülü çevreleyen en küçük çaplı çember içinde yer alan en uzun boy mesafesi d c : Partikülü çevreleyen en küçük çemberin çapı d c p.l p (1) (3)
Şekil 3. 80 mesh boyutunda Al 2 O 3 aşındırıcı partiküllerin SEM fotoğrafı Kumlama işlemleri özel olarak tasarlanan kumlama düzeneği ile gerçekleştirilmiştir. Kumlama düzeneği basınçlı hava kompresörü, basınçlı hava tankı, kumlama kabini, numune fikstürü ve kumlama tabancası elemanlarından oluşmaktadır. Kumlama tabancası kumlama kabini içerisine sabitlenmiştir ve kabin dışarısından bir pedal vasıtasıyla kontrol edilebilmektedir. Kumlama basıncı da kabin dışarısına yerleştirilen bir basınç regülatörü ile ayarlanabilmektedir. Kumlama kabini içerisine numunenin sabitlenmesi ve numune üzerine istenilen açılarda kum püskürtülmesini sağlayan özel bir numune fikstürü yerleştirilmiştir. Bu düzenek ile kabin içerisine sabitlenmiş kumlama tabancası, numunenin 15 er derece ile döndürülmesine olanak veren fikstürün hareketi ile numune üzerine istenilen açılarda kum püskürtebilmektedir. Kumlama işlemleri sırasında numuneler bu fikstür kullanılarak kumlama tabancasından 20 mm uzaklıkta tutulmuştur. Şekil 4 te katı partikül erozyonu test düzeneği verilmiştir. Şekil 4. Katı partikül erozyonu test düzeneği
Deneysel çalışmalarda kompozit malzeme farklı püskürtme basınçlarında hızlandırılan partikküller ile farklı partikül çarpma açılarında aşındırılmıştır. Partikül hızları püskürtme basıncına bağlı olarak çift disk hız ölçme sistemi ile ölçülmüştür. Tablo 3 de deneysel çalışmalarda kullanılan tüm parametereler özetlenmiştir. Tablo 3. Kumlama deneylerinde kullanılan parametreler Aşındırıcı Partikül Türü Alumina (Al 2 O 3 ) Aşındırıcı Partikül Boyutu Partikül Hızı Hızlandırma Basıncı Partikül Çarpma Açısı Erozyon Süresi 80 mesh (150-212 µm) 55 ms -1 - (1.5 Bar) 80 ms -1 - (3 Bar) 95 ms -1 - (4 Bar) 30 45 60 75 90 2 s, 4 s, 6 s, 8 s, 10 s Test Sıcaklığı 25 C Nozul Numune Arası Mesafe 20 mm Nozul Çapı 5 mm Nozul Boyu 50 mm 3. DENEYSEL SONUÇLAR VE TARTIŞMA Genel olarak erozyon oranı; hedef malzemenin kütle kaybının ( m s ), aşınmayı gerçekleştiren aşındırıcı partikülün kütlesine (m e ) oranı olarak tanımlanmaktadır. Bu çalışmada erozyon oranı hesabı aşağıda verilen formül ile hesaplanmıştır. E: Erozyon oranı E m m s (4) 2011 m s : Örnek numuneni kütle kaybı m: Aşındırıcı kütlesikompege e
3.1. Kompozit Malzemenin Katı Partikül Erozyonunun Zamana Bağlı Değişimi Bu bölümde kompozit numuneler farklı çarpma hızlarında (55, 80 ve 95 m/s) ve farklı çarpma açıları (30, 45, 60, 75 ve 90 ) ile farklı sürelerde (2 s, 4 s, 6 s, 8 s ve 10 s) aşındırılmıştır. Şekil 5, 6 ve 7 de 80 mesh boyutunda aşındırıcı partiküller ile gerçekleştirilen katı partikül erozyonu deneylerinin süreye bağlı sonuçları verilmiştir. Grafikler incelendiğinde, aşınma sırasında farklı çarpma hızlarında (55, 80 ve 95 m/s), farklı çarpma açılarında (30, 45, 60, 75 ve 90 ) ve 80 meshlik partiküller ile gerçekleştirilen aşınma deneylerinde herhangi bir inkübasyon (kuluçka) periyodunun olmadığı, erozyon süresi ile aşınma miktarının deneyin hemen başından itibaren lineer olarak değiştiği görülmektedir. Bu sonuçlar aşınmanın deneyin hemen başında düzenli tekrarlanan rejime ulaştığını göstermektedir. Kompozit malzemenin aşınma miktarının erozyon süresi ile lineer olarak değişim gösterdiği tespit edilmiştir. Deneysel çalışmaların sonraki aşamalarında bu verilerden yararlanılarak, düşük miktardaki aşınmaların hassas bir şekilde belirlenebilmesi amacıyla aşınma süresi olarak 10 saniye seçilmiştir. Şekil 5. Katı partikül erozyonuna sürenin etkisi (80mesh boyutunda partikül ve 55m/s hedefe çarpma hızı)
Şekil 6: Katı partikül erozyonuna sürenin etkisi (80mesh boyutunda partikül 80 m/s hedefe çarpma hızı) Şekil 7. Katı partikül erozyonuna sürenin etkisi (80mesh boyutunda partikül 95 m/s hedefe çarpma hızı)
3.2. Kompozit Malzemenin Katı Partikül Erozyonunun Hıza Bağlı Değişimi Birçok araştırmacı; katı partikül hızının erozyon davranışına etkisini incelemiştir [8, 10, 11, 14, 22-29]. Katı partikül erozyonuna partikül hızının etkisi Şekil 8 de verilmiştir. Şekil 8 de 30 ve 90 çarpma açılarında partikül çarpma hızlarının erozyon oranına etkisi görülmektedir. Şekil 8 de erozyon oranının partikül hızına bağlı olarak değişimi, kompozit malzemede maksimum erozyonun görüldüğü 30 ve minimum erozyonun görüldüğü 90 partikül çarpma açılarında gösterilmiştir. Şekil 8 irdelendiğinde; beklenildiği gibi partikül hızının artmasının erozyon oranını da artırdığı gözlenmiştir. Bu durumun hızı artırılan partikül taneciklerinin kinetik enerjisi de yükselmesi ile gerçekleştiği söylenebilir. Yüksek kinetik enerjiye sahip olan tanecikler de daha büyük oranda erozyona sebep olmaktadır. Aynı zamanda Şekil 8 incelendiğinde partikül hızının artmasının malzemenin erozyon davranışını değiştirmediği görülmüştür ve üç hız değeri için de 30 çarpma açısında maksimum erozyon oranları elde edilmiştir. Şekil 8. Katı partikül erozyonuna partikül hızının etkisi (30 ve 90 çarpma açısında 80 mesh boyutunda partikül) 3.2. Kompozit Malzemenin Katı Partikül Erozyonunun Çarpma Açısına Bağlı Değişimi Yapılan literatür çalışmalarında partikül çarpma açısının katı partikül erozyonunda önemli rol oynayan parametrelerden biri olduğu sonucuna ulaşılmıştır [5, 7, 11, 14, 30,31]. Bu bağlamda yapılan deneyler ile partikül çarpma açısının erozyon davranışına etkisi incelenmiştir Bu amaçla 80 mesh boyutunda katı partiküller farklı hızlarda (55m/s, 80m/s, 95m/s) ve farklı çarpma açılarında (30, 45, 60, 75, 90 ) püskürtülmüş, erozyon davranışına çarpma açılarının etkisi incelenmiştir.
Şekil 9 incelendiğinde partikül çarpma açısının erozyon oranını önemli ölçüde etkilediği görülmektedir. Grafik incelendiğinde yüksek hız değerlerinde maksimum aşınmanın 30 çarpma açısında oluştuğu, düşük hızlarda ise 45 çarpma açısında oluştuğu, minimum aşınmanın ise tüm hızlarda 90 çarpma açısında oluştuğu görülmektedir. Bu sonuçlar kompozit malzemenin literatürde anlatıldığı gibi yarı-sünek erozyon karakteristiği ile aşındığını göstermektedir. Literatürde sünek malzemelerde maksimum erozyonun 15-30 gibi küçük partikül çarpma açılarında, gevrek malzemelerde ise maksimum erozyonun 75-90 gibi normale yakın partikül çarpma açılarında gerçekleştiği belirtilmektedir. Bu çalışmada aşındırılan kompozit malzemenin yapısında sünek karakteristikte polimer polifenilen sülfid matris ve gevrek karakteristikte cam elyaf keçe bulunmaktadır. Bunun sonucu olarak kompozit malzeme aşınma deneylerinde her iki fazında karakteristiklerini göstererek hem sünek hem gevrek davranmış ve yarı-sünek ya da yarı-gevrek olarak adlandırılan bir erozif aşınma karakteristiği göstermiştir. Kompozit malzemenin aşınma miktarının partikül çarpma açısına bağlı olarak değişimine bakılarak malzemenin daha çok sünek malzemelerde görülen mikro sürme ve mikro kesme aşınma mekanizmaları ile aşındığı söylenebilir. Buna karşın yapı içerisinde bulunan gevrek cam fiberlerin mikro çatlak oluşumları ile kırılarak yüzeyden uzaklaştığı ve kompozitin bu şekilde de etkin olarak aşındığı öngörülebilir. Buna karşın mikro çatlaklar ile etkin bir aşınmanın gerçekleşmesi durumunda malzemenin maksimumum aşınmayı 75 ve 90 gibi normale yakın partikül çarpma açılarında göstermesi beklenmektedir. Aşınma sonuçlarına bakıldığında kompozit malzemenin 75 ve 90 partikül çarpma açılarında sınırlı oranda aşındığı görülmektedir. Bu durumda kompozit malzemede bu tip aşınma mekanizmasının çok etkin bir aşınma gerçekleştiremediği söylenebilir. Tüm bu yorumlara rağmen kesin sonuçlar için kompozit malzemenin farklı parametreler altında aşındırılmış yüzeylerinin taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile incelenmesi gerekmektedir. Şekil 9. Katı partikül erozyonuna çarpma açısının etkisi
3.3. Aşınan Yüzeylerin Morfolojilerinin incelenmesi I. Ulusal Ege Kompozit Malzemeler Sempozyumu Malzemelerin katı partikül erozyonları sırasında etkin olan erozif aşınma mekanizması malzemenin katı partikül erozyonu üzerinde doğrudan etkilidir. Aşınmış yüzeylerin morfolojileri malzemenin nasıl bir aşınma davranışı ile aşındığını gösterir [32]. Bu çalışmada önceki bölümlerde malzemenin farklı parametreler altında erozyon oranının değişimi incelenerek, kompozit malzemenin katı partikül erozyonunun partikül çarpma açısına ve hızına bağlı olarak değişimi değerlendirilmiştir. Bu bölümde ise partikül çarpma açısının ve hızının kompozit malzemenin yüzey morfolojisi üzerindeki etkisi irdelenerek, farklı açılarda ve hızlarda kompozit malzemede görülen etkin aşınma mekanizmaları ve kompozit malzemenin erozif aşınma davranışının bu parametrelere bağlı değişimi incelenecektir. Şekil 10 ve 11 de 30 ve 90 çarpma açılarında 55 m/s ve 95 m/s partikül çarpma hızlarında 10 saniye aşındırılan numunelerin yüzey morfolojileri verilmiştir. Düşük çarpma açılarında aşındırılan (30 ) numunelerin taramalı elektron mikroskobu (SEM) fotoğraflarının sağ üst bölümünde aşındırma yönü ok ile belirtilmiştir. Şekil 10-a da 30 partikül çarpma açısında 55 m/s partikül çarpma hızında aşındırılan kompozit malzemenin yüzey morfolojisi verilmiştir. SEM fotoğrafında kompozit malzemenin yüzeyinde aşındırıcı partiküllerin tekrarlı darbeleri sonucu oluşan aşınma izleri görülmektedir. Şekil 10-a da bu şekilde oluşmuş bir aşınma izi daire içerine alınarak gösterilmiştir. Bu tür aşınma izleri malzemenin mikrokesme ve mikrosürme aşınma mekanizmaları ile aşındığını işaret etmektedir. Sünek malzemeler bu tür aşınma mekanizmaları ile etkin olarak aşınmaktadır [7]. Şekil 10-a da kompozit malzemenin nispeten düşük partikül çarpma hızına rağmen 30 partikül çarpma açısında yoğun bir şekilde aşındığı görülmektedir. Aşındırıcı partiküllerin sünek PPS matrisi aşındırarak yapı içerisindeki cam elyaf fiberleri ortaya çıkardığı görülmektedir. Şekil 10-b de aynı partikül çarpma hızında 90 partikül çarpma açısında aşındırılan kompozit malzemenin SEM fotoğrafı verilmiştir. Şekil 10-a da gözlenen aşınma izleri Şekil 10-b de görülmemektedir. Aşındırıcı partiküllerin kompozit malzemenin yüzeyine 90 çarpma açısı ile çarpmaları sonucunda yüzeyde plastik deformasyona uğramış bölgelerin varlığı söz konusudur. Bu plastik deformasyonlar sonucunda malzemede mikroçatlakların oluştuğu söylenebilir. Buna karşın sünek matris malzemesinin plastik deformasyon ve mikroçatlaklar ile etkin bir şekilde aşınması beklenemez. Bu sonuç kompozit malzemede en düşük erozyon oranının neden 90 partikül çarpma açısında görüldüğünü açıklamaktadır. Şekil 11 de 95 m/s çarpma hızında, 30 ve 90 çarpma açılarında aşındırılan kompozit malzemenin yüzeylerinin SEM fotoğrafları verilmiştir Şekil 11-a da kompozit malzemenin 30 çarpma açısında aşındırılması durumunda yüzeyde oluşan aşınma izleri net bir şekilde görülmektedir. Partikül çarpma hızının arttırılması ile malzemede oluşan aşınma izlerinin derinleştiği ve daha görünür hale geldiği söylenebilir. Şekil üzerinde yüzeyde oluşan aşınma izi daire içerisine alınarak gösterilmiştir. Kompozit malzemenin bu çarpma açısında yine mikrokesme ve mikrosürme erozif aşınma mekanizmaları ile aşındığı söylenebilir. Şekil 11-b de aynı hızda 90 partikül çarpma açısı ile aşındırılan yüzeye ait SEM fotoğrafı verilmiştir. Kompozit malzemenin mikroçatlaklar ve plastik deformasyonlar sonucunda aşındığı ve malzeme yüzeyinde derin vadilerin ve oyukların oluştuğu gözlenmiştir. Bazı bölgelerde matris yüzeyden tamamen uzaklaşmış ve alt katmanda oluşan cam elyaf fiberler ortaya çıkmıştır. Gevrek erozif aşınma karakteristiğine sahip cam elyaf fiberlerin çatladığı ve
kırıldıkları gözlenmiştir. Şekil üzerinde bu şekilde hasara uğrayan fiberler daire içerisine alınarak gösterilmiştir. Şekil 10 ve 11 karşılaştırıldığına partikül çarpma hızının arttırılması ile malzemenin daha etkin bir şekilde aşındığı ve aşınma miktarının artış gösterdiği söylenebilir. Buna karşın aşındırıcı partikül çarpma hızının arttırılması ile malzemede görülen etkin aşınma mekanizmasının değişmediği görülmektedir. Bu sonuçlar malzemeyi aşındıran erozif aşınma mekanizmasının partikül çarpma açısının bir fonksiyonu olarak değiştiğini göstermektedir. Aşınma izi (a) (b) Şekil 10. 55 m/s partikül çarpma hızında 30 (a) ve 90 (b) partikül çarpma açılarında aşındırılan kompozit malzemenin yüzey morfolojileri
Aşınma izi Kırılmış fiberler (a) (b) Şekil 11. 95 m/s partikül çarpma hızında 30 (a) ve 90 (b) partikül çarpma açılarında aşındırılan kompozit malzemenin yüzey morfolojileri
4. SONUÇLAR I. Ulusal Ege Kompozit Malzemeler Sempozyumu Bu çalışmada cam keçe takviyeli PPS matrisli kompozit malzemenin katı partikül erozyon davranışının, partikül çarpma açısı ve hızına bağlı olarak değişimi incelenmiştir. Yapılan deneysel çalışmalar ile aşağıda verilen sonuçlara ulaşılmıştır: 1. Kompozit malzeme farklı çarpma hızlarında (55, 80 ve 95 m/s) ve farklı çarpma açılarında (30, 45, 60, 75 ve 90 ) herhangi bir inkübasyon (kuluçka) periyodu göstermemiştir. Aşınma, deneyin hemen başında düzenli tekrarlanan rejime ulaşmış ve kompozit malzemenin erozyon oranı erozyon süresi ile lineer olarak değişmiştir. 2. Partikül çarpma açısının, kompozit malzemenin erozif aşınma davranışı üzerinde etkin rol oynadığı belirlenmiştir. Kompozit malzeme yarı-sünek (yarı-gevrek) bir davranış göstermiş ve maksimum erozyon oranı üç farklı hız değeri için 30-45 partikül çarpma açılarında gözlenmiştir. 3. Partikül çarpma hızının artışına paralel olarak kompozit malzemenin erozyon oranı şiddetli bir artış göstermiştir. 4. SEM incelemeleri kompozit malzemede partikül çarpma açısına ve hızına bağlı olarak görülen dominant erozif aşınma mekanizmalarını ortaya çıkarmıştır. 30 partikül çarpma açısında malzemenin mikrokesme ve mikrosürme, 90 partikül çarpma açısında malzemenin mikroçatlama ve plastik deformasyonların etkisi altında aşındığı görülmüştür. Bu sonuçlar malzemede görülen erozif aşınma mekanizmasının partikül çarpma açısının bir fonksiyonu olarak değiştiğini göstermiştir. Partikül çarpma hızının artışı kompozit malzemede görülen erozif aşınma mekanizmasının şiddetini arttırmıştır. Buna karşın partikül çarpma hızının arttırılması ile malzemede görülen etkin aşınma mekanizmasının değişmediği belirlenmiştir. 5. TEŞEKKÜR Bu yayın, 110M064 nolu Farklı Büyüklüklere Sahip Aşındırıcı Partikül Karışımlarının Sünek, Yarı-Sünek ve Gevrek Malzemelerin Katı Partikül Erozyonu Davranışına Etkileri başlıklı TÜBİTAK 1001 Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Projelerini Destekleme Programı tarafından desteklenen araştırma projesi kapsamında yapılan çalışmalardan türetilmiştir. Bu çalışmanın gerçekleşmesini sağlayan TÜBİTAK a ve TÜBİTAK MAM Malzeme Enstitüsü nde gerçekleştirilen çalışmalar süresince vermiş oldukları destek nedeniyle Enstitü Müdür Yardımcısı Doç. Dr. Volkan GÜNAY başta olmak üzere tüm enstitü çalışanlarına sonsuz teşekkürlerimizi sunarız.
3. KAYNAKLAR I. Ulusal Ege Kompozit Malzemeler Sempozyumu 1. Rana, F. ve Stefanescu, D.M., Friction properties of Al-1.5 Pct Mg/SiC particulate metal-matrix composites, Metallurgical Transactions A., 1989 Vol.20, No.8, 1564-1566. 2. Vingsbo, O., Wear and wear mechanisms, ASME Proc. Intl. Conf. Wear of Materials, New York, 1979, 620. 3. Yıldızlı, K., Odabaş, D. ve Nair, F., Borlanmış AISI 1020 çeliğinin erozif aşınma davranışının incelenmesi, BAÜ Fen Bil. Enst. Dergisi, 2003, Vol.5, No.1, 130-140. 4. Sundararajan, G., Roy, M., Solid particle erosion behaviour of metallic materials at room and elevated temperatures, Tribology International, 1997, Vol.30, No.5, 339-359. 5. Sınmazçelik, T. ve Sarı, N., Erodent size effect on the erosion of polyphenylene sulphide composite, Polym Composite, 2009, Vol.31, No.6, 1-10 6. American Society for Metals, Friction, Lubrication and Wear Technology, (ASM handbook), ASM International, 1992, 18. 7. Curkovic, L., Kumic, I. ve Kresimir, G., Solid particle erosion behavior of high purity alumina ceramics, Ceram Int, 2011, Vol.37, 29-35. 8. Harsha, A. P. ve Thakre, A. A., Investigation on solid particle erosion behavior of polyetherimide and its composites, Wear, 2007, Vol.262, No7-8, 807-818. 9. Tewari, U. S., Harsha, A. M., Hager, A.M. ve Friedrich, K. Solid particle erosion of carbon fibre-and glass fibre-epoxy composites, Wear, 2003, Vol.63, No.3-4, 549-557. 10. Harsha, A.P., Tewari, U.S.ve Venkatraman B., Solid particle erosion behaviour of various polyaryletherketone composites, Wear, 2003, Vol.254, 693 712 11. Sınmazçelik, T., Taşkıran, İ., Erosive wear behavior of polyphenylenesulphide (PPS), Mater Design, 2007, Vol.28, No.9, 2471-2477. 12. Rattan R. ve Bijwe J., Influence of impingement angle on solid particle erosion of carbon fabric reinforced polyetherimide composite, Wear, 2007, Vol.262, 568 574. 13. Sarı, N. ve Sınmazcelik, T., Erosive wear behaviour of carbon fiber/polyetherimide composites under low particle speed, Mater Design, 2007, Vol.28, 351 355. 14. Sınmazçelik, T., Fidan, S. ve Günay, V., Residual mechanical properties of carbon/polyphenylene composites after solid particle erosion, Mater Design, 2008, Vol.29, No.7, 1419-1426. 15. Arjula, S. ve Harsha, A. P., Study of erosion of polymers and polymer composites, Polymer Testing, 2006, Vol.25, 188-196. 16. Patnaik, A., Satapathy A., Chand N., Barkoula N. M. ve Biswas, S., Solid particle erosion of fiber and particulate filled polymer composites: A review, Wear, 2010 Vol.268, 249-263. 17. Rajesh, J. J., Bijwe, J., Tewari, U. S. ve Vankataraman, B, Erosive wear behavior of various polyamides, Wear, 2001, Vol.249, No.8, 702-714. 18. Bhushan, B., Introduction to Tribology, John Wiley and Sons, New York, 2001 19. Sahin, Y. ve Durak, O., Abrasive wear behaviour of austempered ductile iron, Materials & Design, 2007, Vol.28, 1844-1850. 20. Technical Fibers & Fabrics, http://tools.ticona.com/tools/mcbasei/pdf/printpdf.php adresinden edinilebilir, (30,04,2010). 21. Momber, A., Blast Cleaning Technology, Springer, Berlin, 2008, 17-23 22. Gandhi, B., Nominal particle size of multi-sized particulate slurries for evaluation of erosion wear and effect of fine particles, Wear, 2004, Vol.257, 73-79.
23. Biswas, S. ve Satapathy, A., Tribo-performance analysis of red mud filled glass-epoxy composites using Taguchi experimental design, Materials & Design, 2009, Vol.30, 2841-2853. 24. Burzynski, T. ve Papini, M., Analytical model of particle interference effects in divergent erosive jets, Tribology International, 2010, Vol.43, 554-567. 25. Chen, Q., Computer simulation of solid particle erosion, Wear, 2003, Vol.254, 203-210 26. Deng, T., Bingley, M.S. ve Bradley, M.S.A, Understanding particle dynamics in erosion testers A review of influences of particle movement on erosion test conditions, Wear, 2009, Vol.267 2132-2140. 27. Harsha, A. ve Jha, S., Erosive wear studies of epoxy-based composites at normal incidence, Wear, 2008, Vol.265, 1129-1135. 28. Patnaik, A., Satapathy, A., Chand, N., Barkoula, N.M. ve Biswas, S., Solid particle erosion wear characteristics of fiber and particulate filled polymer composites: A review, Wear, 2010, Vol.268, 249-263. 29. Srivastava, V., Effects of wheat starch on erosive wear of E-glass fibre reinforced epoxy resin composite materials, Materials Science and Engineering, 2006 Vol.A, 435-436, 282-287. 30. Oka, Y. I., Ohnogi, H., Hosokawa, T. ve Matsumura, M., Impact angle dependence of erosion damage caused by solid particle impact, Wear, 1997, 203-204, 573-579. 31. Oka, Y. I., Mihara, S. ve Yoshida, T., Impact-angle dependence and estimation of erosion damage to ceramic materials caused by solid particle impact, Wear, 2009, Vol.267, No.1-2, 129-135. 32. Suresh, A., Harsha, A. ve M. Ghosh, Solid particle erosion studies on polyphenylene sulfide composites and prediction on erosion data using artificial neural networks, Wear, 2009, Vol.266, 184-193.