SiO2/ZrO2 Nano Partikül Katkılı Alüminyum Matrisli Kompozitlerin Mekanik Özelliklerinin ve Mikroyapılarının Karşılaştırılması

Year 2022, Volume: 27 Issue: 2, 219 - 232, 30.08.2022

Mahmut Can Şenel , Muzaffer Üstün

https://doi.org/10.53433/yyufbed.1077471

Cited By: 2

Abstract

Bu çalışmada, toz metalürjisi yöntemiyle ağırlıkça farklı katkı oranlarında (SiO₂: %1-9, ZrO₂: %1-12) nano zirkonyum dioksit (ZrO₂) veya silisyum dioksit (SiO₂) katkılı alüminyum esaslı kompozitler üretilmiştir. Üretilen numunelerin faz yapısı, basma dayanımı, sertliği, yoğunluğu ve mikroyapısı sırasıyla; X-ışını kırınımı cihazıyla, basma test makinasıyla, mikro Vickers sertlik ölçüm cihazıyla, Arşimet yoğunluk ölçüm kitiyle ve taramalı elektron mikroskobuyla incelenmiştir. Yürütülen testler neticesinde; en yoğun mikroyapı ve en üstün mekanik özellikler Al-%9ZrO₂ (basma dayanımı: 288 MPa, sertlik: 69 HV) ve Al-%6SiO₂ (basma dayanımı: 267 MPa, sertlik: 50 HV) kompozit yapıda elde edilmiştir. Saf alüminyuma kıyasla Al-%6SiO₂ kompozitin basma dayanımı ve sertliği %44.3, %66.7 oranlarında artarken; Al-%9ZrO₂ kompozitin basma dayanımının ve sertliğinin %55.7, %130 oranlarında arttığı belirlenmiştir. Sonuç olarak aynı katkı oranında kullanılan ZrO₂ partiküllerinin, SiO₂ partiküllerine kıyasla alüminyum matrisin mekanik özelliklerini iyileştirmede daha etkili olduğu tespit edilmiştir.

Keywords

Alüminyum, Kompozit, Mikroyapı, Silisyum dioksit, Zirkonyum dioksit

Supporting Institution

Ondokuz Mayıs Üniversitesi

Project Number

PYO.MUH.1901.20.001

Thanks

Bu çalışmada, yazarlar SEM ve XRD analizleri konusunda destekleri sebebiyle Ondokuz Mayıs Üniversitesi (OMÜ) Karadeniz İleri ve Teknoloji Araştırma Merkezi’ne teşekkür etmektedir. Bu çalışma, OMÜ Proje Yönetim Ofisi tarafından PYO.MUH.1901.20.001 kodlu proje ile desteklenmektedir.

Comparison of Mechanical Properties and Microstructures of SiO2/ZrO2 Nano Particle Reinforced Aluminum Matrix Composites

Abstract

In this study, nano zirconium dioxide (ZrO₂) or silicon dioxide (SiO₂) reinforced aluminum based composites with various contribution ratios (SiO₂: 1-9wt.%, ZrO₂: 1-12wt.%) were produced via the powder metallurgy method. The phase structure, compressive strength, hardness, density, and microstructure of the prepared specimens are examined by X-ray diffraction device, compression testing machine, micro Vickers hardness test device, Archimedes’ density measurement kit, and scanning electron microscope, respectively. As a result of the tests performed, the densest microstructure and the superior mechanical properties were obtained at the Al-9%ZrO₂ (compressive strength: 288 MPa, hardness: 69 HV) and Al-6%SiO₂ (compressive strength: 267 MPa, hardness: 50 HV) composites. Compared to pure aluminum, the compressive strength and hardness of Al-6%SiO₂ composite were improved by 44.3%, 66.7%. On the other hand, the compressive strength and hardness of Al-9%ZrO₂ composite were enhanced by 55.7%, 130%. Consequently, it was detected that ZrO₂ particles are more effective compared to SiO₂ particles for the same reinforcement ratio in improving the mechanical properties of the aluminum matrix.

Keywords

Aluminum, Composite, Microstructure, Silicon dioxide, Zirconium dioxide

Project Number

PYO.MUH.1901.20.001

References

• AbuShanab, W. S., Moustafa, E. B., Ghandourah, E., & Taha, M. A. (2020). Effect of graphene nanoparticles on the physical and mechanical properties of the Al2024-graphene nanocomposites fabricated by powder metallurgy. Results in Physics, 19, 1-12. doi:10.1016/j.rinp.2020.103343
• Becker, W. (2002). Failure Analysis and Prevention. USA: ASM International.
• Boppanaa, S. B., Samuel, D., Anil Kumar, M. R., Vijee, K., & Aravinda, T. (2020). Synthesis and characterization of nano graphene and ZrO2 reinforced Al6061 metal matrix composites. Journal of Materials Research and Technology, 9(4), 7354-7362. doi:10.1016/j.jmrt.2020.05.013
• Callister, W. D., & Rethwisch, D. G. (2014). Materials Science and Engineering. UK: John Wiley&Sons.
• Cavaliere, P., Jahantigh, F., Shabani, A., & Sadeghi, B. (2018). Influence of SiO2 nanoparticles on the microstructure and mechanical properties of Al matrix nanocomposites fabricated by spark plasma sintering. Composites Part B: Engineering, 146, 60-68. doi:10.1016/j.compositesb.2018.03.045
• Garvie, R. C., Hannink R., & Pascoe, R. T. (1975). Ceramic steel. Nature, 258, 703-704.
• Gireesh, C. H., Prasad, K. D., Ramji, K., & Vinay, P. (2018). Mechanical characterization of aluminium metal matrix composite reinforced with aloe vera powder. Materials Today: Proceedings, 5(2), 3289-3297. doi:10.1016/j.matpr.2017.11.571
• Gül, F., & Şenel, L. (2010). Takviye parçacık boyutunun SiO2 takviyeli Al-Si kompozitlerin abrasiv aşınma davranışı üzerinde etkisi. Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 24(2), 194-199.
• Kanbur, H. (2008). Yalıtkan tabakalı Al/p-Si Schottky diyotlarda elektriksel karakteristiklerin sıcaklığa bağlı incelemesi. (PhD), Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, Türkiye.
• Khan, A., Abdelrazeq, M. W., Mattli, M. R., Yusuf, M. M. Alashraf, A., Matli, P. R., & Shakoor, R. A. (2020). Structural and mechanical properties of Al-SiC-ZrO2 nanocomposites fabricated by microwave sintering technique. Crystals, 10(10), 1-12. doi: 10.3390/cryst10100904
• Mokhnache, E. Q., Wang, G., & Geng, L. (2016). Wearing resistance of in-situ Al-based composites with different SiO2/C/Al molar ratios fabricated by reaction hot pressing. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 26, 917-923. doi: 10.1016/S1003-6326(16)64187-0
• Öztop, B., & Gürbüz, M. (2021). Investigation of mechanical properties of Si3N4 reinforced composites produced from aluminum waste. European Journal of Science and Technology, 28, 758-765. doi:10.31590/ejosat.1010738
• Pandiyarajan, R., Maran, P., Marimuthu, S., & Ganesh, K. C. (2017). Mechanical and tribological behavior of the metal matrix composite AA6061/ZrO2/C. Journal of Mechanical Science and Technology, 31(10), 4711-4717. doi: 10.1007/s12206-017-0917-3
• Singh, B., Chandel, S., & Singhal, P. (2020). Investigation of mechanical properties of synthesized AA2024-T351/SiO2 metal matrix nano-composite. Materials Today: Proceedings, 26, 1082-1086.
• Şahin, Y. (2006). Kompozit Malzemelere Giriş. Ankara: Seçkin Yayınevi.
• Şenel, M. C., Gürbüz, M., & Koç, E. (2018). Mechanical and tribological behaviors of aluminum matrix composites reinforced by graphene nanoplatelets. Journal of Materials Science and Technology, 34(16), 1980-1989. doi: 10.1080/02670836.2018.1501839
• Şenel, M. C. (2020). Toz metalürjisi yöntemiyle üretilen saf Al ve Al-B4C, Al-Al2O3 kompozitlerin mekanik ve mikroyapı özelliklerinin karşılaştırılması. Gümüşhane Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 10(3), 783-795. doi:10.17714/gumusfenbil.689359
• Şenel, M. C., & Gürbüz, M. (2020). Mikron altı boyutlu alümina katkısının ve soğuk deformasyon işleminin üretilen alüminyum kompozit yapının mekanik özellikleri ve mikroyapısına etkisi. Gümüşhane Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 10(1), 76-85. doi:10.17714/gumusfenbil.528780
• Şenel, M. C., & Gürbüz, M. (2021). Investigation on mechanical properties and microstructure of B4C/graphene binary particles reinforced aluminum hybrid composites. Metals and Materials International, 27, 2438-2449. doi: 10.1007/s12540-019-00592-w
• Veeresh Kumar, G. B., Pramod, R., Guna Sekhar, C., Pradeep Kumar, G., & Bhanumurthy, T. (2019). Investigation of physical, mechanical and tribological properties of Al6061-ZrO2 nano-composites. Heliyon, 5(11), 1-8. doi:10.1016/j.heliyon.2019.e02858