Microstructure and Mechanical Properties of Nb Reinforced Mg Matrix Composites Produced Through Hot Pressing Method

Abstract

Powder metallurgy (P/M) method is one of the best methods in the production of composite materials. However, the production of Mg matrix composites by this method is limited due to the ignition risk of magnesium (Mg) powders. In this study, the production of Nb particle reinforced Mg matrix composites was carried out by hot pressing method. Before the powder mixing preparations, a coating process with paraffin was applied to prevent the Mg powders from contacting with air. Sintering processes were carried out at 630 oC under 50 MPa pressure and for 90 minutes. Microstructure investigations were carried out by scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS) and x-ray diffraction (XRD) analyzes, and mechanical property examinations were performed by hardness tests. According to the results obtained, highly dense composites with relative density values over 98% were obtained. No pore formation was observed in SEM images. In XRD analysis, peaks of α-Mg, Mg2Sn, MgZn and Nb phases were formed. Mechanical properties are increased with Nb particle reinforcement (from 80.1 HV(0.3) to 101.3 HV(0.3) hardness value).

Keywords

• Mg matrix
• Composite
• Nb reinforcement
• Microstructure
• Mechanical properties

Sıcak Presleme Yöntemiyle Üretilen Nb Takviyeli Mg Matrisli Kompozitlerin Mikroyapı ve Mekanik Özellikleri

Abstract

Toz metalurjisi (T/M) yöntemi, kompozit malzemelerin üretiminde en iyi yöntemlerden birisidir. Ancak, magnezyum (Mg) tozlarının tutuşma riski sebebiyle Mg matrisli kompozitlerin bu yöntemle üretimi sınırlıdır. Bu çalışmada, Mg matrisli Nb partikül takviyeli kompozitlerin sıcak presleme yöntemiyle üretimi gerçekleştirilmiştir. Toz karışımlarının hazırlanması işleminden önce Mg tozlarının havayla temasını önlemek için parafin ile kaplama işlemi uygulanmıştır. Sinterleme işlemleri 630 oC sıcaklıkta, 50 MPa basınç altında ve 90 dk süreyle gerçekleştirilmiştir. Mikroyapı incelemeleri taramalı elektron mikroskobu (SEM), enerji dağılımlı spektroskopi (EDS) ve x-ışını kırınımı (XRD) analizleri ile, mekanik özellik incelemeleri ise sertlik testleri ile gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, %98’in üzerinde bağıl yoğunluk değerine sahip oldukça yoğun yapıda kompozitler elde edilmiştir. SEM görüntülerinde de gözenek oluşumuna rastlanmamıştır. XRD analizinde α-Mg, Mg2Sn, MgZn ve Nb fazlarına ait pikler oluşmuştur. Nb partikül takviyesi ile mekanik özelliklerde artış sağlanmıştır (80,1 HV(0,3)’den 101,3 HV(0,3)sertlik değerine kadar).

Keywords

• Mg matris
• Kompozit
• Nb takviyesi
• Mikroyapı
• Mekanik özellikler

References

1. [1] B. Akyüz, “AZ21 ve AJ21 Magnezyum alaşımlarının mekanik özellikleri ve işlenebilirliği,” Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, c. 7, s. 3, ss. 1019-1028, 2019.
2. [2] B. Akyüz, “AZ91, AS91 ve AM90 Magnezyum alaşımlarının aşınma ve ısıl davranışları üzerine karşılaştırmalı bir çalışma,” Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, c. 7, s. 2, ss. 1075-1083, 2020.
3. [3] S. Jayasathyakawin, M. Ravichandran, N. Baskar, C. A. Chairman and R. Balasundaram, “Mechanical properties and applications of magnesium alloy-review,” Materials Today: Proceedings, vol. 27, no. 2, pp. 909-913, 2020.
4. [4] A. Javadi, S. Pan and X. Li, “Scalable manufacturing of ultra-strong magnesium nanocomposites,” Manufacturing Letters, vol. 16, pp. 23-26, 2018.
5. [5] Y. Ali, D. Qiu, B. Jiang, F. Pan and M. X. Zhang, “Current research progress in grain refinement of cast magnesium alloys: a review article,” Journal of Alloys and Compounds, vol. 619, pp.639-651, 2015.
6. [6] L.Wang, E. Mostaed, X. Cao, G. Huang, A. Fabrizi, F. Bonollo, C. Chi and M. Vedani, “Effects of texture and grain size on mechanical properties of AZ80 magnesium alloys at lower temperatures,” Materials & Design, vol. 89, pp. 1-8,2016.
7. [7] M. Paramsothy, J. Chan, R. Kwok and M. Gupta, “Addition of CNTs to enhance tensile/compressive response of magnesium alloy ZK60A,” Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, vol. 42, pp. 180-188, 2011.
8. [8] Ş. Candan, S. Çim, S. Emir ve E. Candan, “AZ serisi Mg alaşımlarının korozyon davranışlarında Β-Fazının rolü,”Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, c. 6, s. 4, ss. 1139-1162, 2018.

9. [9] Ö. Özgün, K. Aslantaş and A. Erçetin, “Powder metallurgy Mg-Sn alloys: production and characterization,” Scientia Iranica, vol. 27, no. 3, pp. 1255-1265, 2020.
10. [10] A. Ercetin, Ö. Özgün and K. Aslantas, “Investigation of mechanical properties of Mg5Sn-xZn alloys produced through new method in powder metallurgy,” Journal of Testing and Evaluation, vol. 49, no. 5, pp. 3506-3518, 2021.
11. [11] A. Gökçe, “Toz metalurjisi yöntemiyle Mg-Sn alaşımı üretimi ve karakterizasyonu,” Akademik Platform Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi, c. 8, s. 1, ss. 112-119, 2020.
12. [12] T. Aydoğmuş, F. Kelen ve E. Aydemir, “Sıcak presleme yöntemi ile AZ91 Magnezyum alaşımının üretimi,” Bitlis Eren Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, c. 9, s. 1, ss. 277-287, 2020.
13. [13] L. Elen, Y. Türen ve E. Koç, “AZ91 Mg alaşımına farklı oranlarda Sbilavesi ile katılaşma hızının mikroyapı ve mekanik özelliklere etkisi,” Uluslararası Mühendislik Araştırma ve Geliştirme Dergisi, c. 11, s. 2, ss. 451-463, 2019.
14. [14] T. Çetin, M. Akkaş ve M. Boz, “Gaz atomizasyonu yöntemi ile üretilen AM60 Magnezyum alaşım tozunun toz karakterizasyonu üzerine gaz basıncının etkisinin araştırılması,” Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, c. 35, s. 2, ss. 967-977, 2020.
15. [15] A. H. Pahlevanpour, S. B. Behravesh, S. Adibnazari and H. Jahed, “Characterization of anisotropic behaviour of ZK60 extrusion under stress-control condition and notes on fatigue modelling,” International Journal of Fatigue, vol. 127, pp. 101-109, 2019.
16. [16] D. H. Kang, S. S. Park and N. J. Kim, “Development of creep resistant die cast Mg-Sn-Al-Si alloy,” Materials Science and Engineering A, vol.413-414, pp. 555-560, 2005.
17. [17] S. S. Park and B. S. You, “Low-temperature superplasticity of extruded Mg-Sn-Al-Zn alloy,” Scripta Materialia, vol.65, pp. 202-205, 2011.
18. [18] F. R. Elsayed, T. T. Sasaki, T. Ohkubo, H. Takahashi, S. W. Xu, S. Kamado and K. Hono, “Effect of extrusion conditions on microstructure and mechanical properties of microalloyed Mg-Sn-Al-Zn alloys,” Materials Science and Engineering A, vol. 588,pp. 318-328, 2013.
19. [19] A. Gökçe, “Magnezyum ve alaşımlarının toz metalurjisi işlemleri,” Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, c. 8, s. 1, ss. 522-534, 2020.
20. [20] W. J. Li, K. K. Deng, X. Zhang, K. B. Nie and F. J. Xu, “Effect of ultra-slow extrusion speed on the microstructure and mechanical properties of Mg-4Zn-0.5Ca alloy,” Materials Science and Engineering A, vol. 677, pp. 367-375, 2016.
21. [21] K. B. Nie, K. K. Deng, X. J. Wang, T. Wang and K. Wu, “Influence of SiCNanoparticlesaddition on the microstructural evolution and mechanical properties of AZ91 alloy during isothermal multidirectional forging,” Materials Characterization, vol. 124, pp.14-24,2017.
22. [22] S. Q. Zhu and S. P. Ringer, “On the role of twinning and stacking faults on the crystal plasticity and grain refinement in magnesium alloys,” Acta Materialia, vol. 144, pp. 365-375, 2018.
23. [23] K. K. Deng, J. Y. Shi, C. J. Wang, X. J. Wang, Y. W. Wu, K. B. Nie and K. Wu, “Microstructure and strengthening mechanism of bimodal size particle reinforced magnesium matrix composite,” Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, vol. 43, pp. 1280-1284, 2012.
24. [24] X. J. Wang, X. S. Hu, K. Wu, L. Y. Wang and Y. D. Huang, “Evolutions of microstructure and mechanical properties for Sicp/AZ91 composites with different particle contents during extrusion,” Materials Science and Engineering A, vol. 636, pp. 138-147, 2015.
25. [25] K. K. Deng, X. J. Wang, M. Y. Zheng and K. Wu, “Dynamic recrystallization behavior during hot deformation and mechanical properties of 0.2µm SiCp reinforced Mg matrix composite,” Materials Science and Engineering A, vol. 560, pp.824-830, 2013.
26. [26] K. Nie, Y. Guo, K. Deng and X. Kang, “High strength TiC/Mg-Zn-Ca Magnesium matrix nanocomposites with improved formability at low temperature,”Journal of Alloys and Compounds, vol. 792, pp. 267-278, 2019.
27. [27] H. Li, X. Dai, L. Zhao, B. Li, H. Wang, C. Liang and J. Fan, “Microstructure and properties of carbon nanotubes-reinforced magnesium matrix composites fabricated via novel in situ synthesis process,” Journal of Alloys and Compounds, vol. 785, pp. 146-155, 2019.
28. [28] D. H. Cho, J. H. Nam, B. W. Lee, S. O.Yim and I. M. Park, “Thermal expansion properties of carbon nanotube/silicon carbide particle-reinforced magnesium composites fabricated by squeeze infiltration,” Metals and Materials International, vol. 22, pp. 332-339, 2016.
29. [29] M. Habibnejad-Korayem, R. Mahmudi and W. J. Poole, “Work hardening behaviorof Mg-based nano-composites strengthened by Al2O3Nano-Particles,” Materials Science and Engineering A, vol. 567, pp. 89-94,2013.
30. [30] A. Erçetin, K. Aslantaş ve M. Perçin, “Toz metalurjisi yöntemiyle üretilen tungsten-bakır kompozit malzemelerin mikro frezelenmesi: kompozisyon ve sinterleme sıcaklığının etkisi,”Gazi Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi, c. 33, s. 4, ss. 1369-1382, 2018.
31. [31] C. S. Goh, J. Wei, L. C. Lee and M. Gupta, “Development of novel carbon nanotube reinforced magnesium nanocomposites using the powder metallurgy technique,” Nanotechnology, vol. 17, pp. 7-12, 2005.
32. [32] C. D. Li, X. J. Wang, W. Q. Liu, H. L. Shi, C. Ding, X. S. Hu, M. Y. Zheng and K. Wu, “Effect of solidification on microstructures and mechanical properties of carbon nanotubes reinforced magnesium matrix composite,” Materials& Design, vol. 58, pp. 204-208, 2014.
33. [33] H. Mindivan, A. Efe, A. H. Kosatepe and E. S. Kayali, “Fabrication and characterization of carbon nanotube reinforced magnesium matrix composites,” Applied Surface Science, vol. 318, pp. 234-243, 2014.
34. [34] A. Ercetin, Ö. Özgün, K.Aslantas and G. Aykutoğlu, “The microstructure, degradation behaviour and cytotoxicity effect of Mg-Sn-Zn alloys in vitro tests,” SN Applied Sciences, vol. 2, no. 2, pp. 173, 2020.
35. [35] A. A. A. P. Silva, G. C. Coelho, C. A. Nunes, J. M. Fiorani, N. David and M. Vilasi, “Nb-Al binary system: reevaluation of the solubility limits of the (Nb), Nb3Al, Nb2Al and NbAl3Phases at high temperatures,” Materials Research, vol. 22, no. 5, pp. 1-8, 2019.
36. [36] M. Shanthi, P. Jayaramanavar, V. Vyas, D. V. S. Seenivasan and M. Gupta, “Effect of niobium particulate addition on the microstructure and mechanical properties of pure magnesium,” Journal of Alloys and Compounds, vol. 513, pp. 202-207, 2012.
37. [37] M. Pul, “Zirkonya katkılı AZ91 magnezyum alaşımının mekanik davranışlarının incelenmesi,” Mühendislik Bilimleri ve Araştırmaları Dergisi, c. 2, s. 2, ss. 30-37, 2020.