Investigation of Manufacturability of TiB2 Particle Reinforced AlCuMg Composites

Abstract

Al and its alloys are used as composite materials in various industries due to their properties (such as high corrosion resistance, heat resistance, electrical properties, strength and toughness) in various industries such as automotive, aerospace, biomedical and aerospace. However, in the industrial use of Al and its alloys, problems are encountered in terms of their mechanical properties. It has been determined that there are very few studies in the literature on studies to increase the mechanical properties of AlCuMg and its alloys. In this study, TiB2 particles were added to the AlCuMg matrix at different rates and mixed with three-dimensional turbula for 1 hour. As a result of experimental studies, it was aimed to produce composite materials with AlCuMg matrix in terms of microstructure and mechanical properties. The samples were produced by powder metallurgy and molten salt protected synthesis method by mixing Al, Cu, Mg and TiB2 powders at different chemical composition ratios during the production phase. The molten salt protected sintering process was preferred to prevent oxidation of the produced samples and for the synthesis process during sintering. In this molten salt protection method, KBr (potassium bromide) is preferred as the salt. Scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectrum (EDS) and X-Ray diffraction (XRD) analyzes were applied for the characterization processes of the samples after production. Microhardness measurements were applied for the strength and mechanical characterization of the produced samples. Since TiB2 particles have high melting temperature, high strength and high mechanical properties, it has been determined that AlCuMg alloy increases the microstructure and mechanical properties.

Keywords

• Powder Metallurgy
• Composite Material
• TiB2 Reinforcement
• Molten Salt Shielded Synthesis
• AlCuMg

TiB2 Parçacık Takviyeli AlCuMg Kompozitlerin Üretilebilirliğinin Araştırılması

Abstract

Al ve alaşımları otomotiv, havacılık, biyomedikal ve uzay gibi çeşitli endüstrilerde sahip oldukları özelliklerinden (yüksek korozyon direnci, ısı direnci, elektriksel özellikler, mukavemet ve tokluk gibi) dolayı çeşitli endüstrilerde kompozit malzemeler olarak kullanılmaktadır. Ancak, Al ve alaşımlarının sanayide kullanımında mekanik özellikleri bakımından problemlerle karşılaşılmaktadır. AlCuMg ve alaşımlarının mekanik özelliklerini arttırmaya yönelik çalışmalara literatürde çok az bir çalışma olduğu tespit edilmiştir. Bu çalışmada TiB2 parçacıkları, AlCuMg matrisi içerisine farklı oranlarda ilave edilerek üç boyutlu turbula ile 1 saat süre ile karıştırılmıştır. Deneysel çalışmalar sonucunda mikroyapı ve mekanik özellikleri bakımında AlCuMg matrisli kompozit malzemelerinin üretilebilirliği amaçlanmıştır. Numuneler üretim aşamasında Al, Cu, Mg ve TiB2 tozları farklı kimyasal bileşim oranlarında karıştırılarak toz metalurjisi ve erimiş tuz korumalı sentez yöntemi ile üretilmiştir. Üretilen numunelerin oksitlenmesini engellemek ve sinterleme esnasında sentezleme işlemi için erimiş tuz korumalı sinterleme işlemi tercih edilmiştir. Bu erimiş tuz korumalı yöntemde, tuz olarak KBr (potasyum bromür) tercih edilmiştir. Üretim sonrasında numunelerin karakterizasyon işlemleri için taramalı elektron mikroskonu (SEM), enerji dispersiv spektrum (EDS) ve X-Işını kırınım (XRD) analizleri uygulanmıştır. Üretilen numunelerin mukavemet ve mekanik karakterizasyonu için mikrosertlik ölçümleri uygulanmıştır. TiB2 parçacıkları yüksek ergime sıcaklığı, yüksek mukavemet ve yüksek mekanik özellikleri gibi değerlere sahip oldukları için AlCuMg alaşımının mikroyapı ve mekanik özelliklerini arttırdığı tespit edilmiştir.

Keywords

• Toz Metalurjisi
• Kompozit Malzeme
• TiB2 Takviye
• Erimiş Tuz Korumalı Sentez
• AlCuMg

References

1. Aigbodion, V. S., Hassan, S. B., and Oghenevweta, J. E. (2010). Microstructural analysis and properties of Al–Cu–Mg/bagasse ash particulate composites. Journal of Alloys and Compounds, 497(1-2), 188-194.
2. Akçay, S. B., Varol, T., Güler, O., ve Aksa, H. C., (2022). Bor Karbür Takviyeli Al Esaslı Kompozitlerin Özellikleri Üzerine Bor Karbür Takviye Miktarının Etkisi. El-Cezeri, 9(2), 869-881.
3. Akkaş M, Boushiha, K. F. I., (2021). Investigation of WC Reinforced CuNiSi Composites Produced by Mechanical Alloying Method. El-Cezeri Journal of Science and Engineering, 8(2), 592-603.
4. Aksoz, S., Ozdemir, A. T., Çalın, R., Altinok, Z., and Bostan, B. (2013). Effects of sintering, ageing and cryogenic treatments on structural and mechanical properties of AA2014-B4C composite.
5. Aslan, M., Ergül, E., Kaya, A., Kurt, H. İ., ve Yılmaz, N. F. (2020). Toz Metalurjisi Yöntemiyle Üretilen Al-MgO Kompozitlerin Özelliklerine Sinterleme Sıcaklığının Etkisi. El-Cezeri, 7(3), 1131-1139.
6. Chawla, K. K. (2012). Metal matrix composites. In Composite materials (pp. 197-248). Springer, New York, NY.
7. Çelik, Y. H., Kılıçkap, E., ve Yenigün, B. (2018). TM yöntemi ile üretilmiş Al matrisli kompozitlerde presleme basıncının ve B4C oranının sertlik ve aşınma davranışı üzerine etkisi. Fırat Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 30(1), 33-40.
8. Duan, X. Z., Xin, B. D., Miao, T. J., Xie, J. F., Yang, H. Y., Han, X., and Li, X. J. (2020). Microstructural and performance characterization of in-situ biphasic micro-nano scale (TiB2-TiCx)/Al-Cu-Mg composites with different ceramic and metal ratios designed for compact integration. Journal of Materials Research and Technology, 9(3), 3418-3429.

9. Farajollahi, R., Aval, H. J., and Jamaati, R. (2022). Effect of friction surfacing on the microstructural and wear characteristics of Al-Cu-Mg alloy coating reinforced by nickel aluminide. Intermetallics, 142, 107440.
10. Feng, Y., Chen, X., Hao, Y., and Chen, B. (2022). Characterization and energy calculation of the S/Al interface of Al–Cu–Mg alloys: Experimental and first-principles calculations. Vacuum, 202, 111131.
11. Gökçe, A., FINDIK, F., ve Kurt, A. O., (2017). Alüminyum ve alaşımlarının toz metalurjisi işlemleri. Mühendis ve Makina, 58(686), 21-47.
12. Hassan, S. B., and Aigbodion, V. S. (2015). Effects of eggshell on the microstructures and properties of Al–Cu–Mg/eggshell particulate composites. Journal of King Saud University-Engineering Sciences, 27(1), 49-56.
13. Indriyati, M., Janik, V., and Dashwood, R. J. (2014). Elevated Temperature Deformation Behavior of High Strength Al-Cu-Mg-Ag Based Alloy Reinforced By TiB 2 Particles. In Light Metals 2014 (pp. 1353-1358). Springer, Cham.
14. Kumar, K. C. K., Kumar, B. R., and Rao, N. M. (2021). Fabrication and Corrosion Characterization of AZ31 Mg Alloy SiC Reinforced Composites. Design Engineering, 2556-2570.
15. Kösedağ, E., ve Ekici, R. (2019). Partikül Takviyeli Metal Matrisli Kompozitlerin Darbe Davranışları Üzerine Bir Derleme. Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 8(1), 384-393.
16. Li, N., Zhang, F., Yang, Q., Wu, Y., Wang, M., Liu, J., and Wang, H. (2022). Microstructure and Mechanical Properties of In Situ TiB2/2024 Composites Fabricated by Powder Metallurgy. Journal of Materials Engineering and Performance, 1-9.
17. Liu, Z., Yu, J., Wang, X., Zhang, X., Wang, J., Jia, D., and Ma, B. (2021). Molten-salt assisted synthesis and characterization of Mg2B2O5 and Al18B4O33 whiskers. Journal of Asian Ceramic Societies, 9(3), 1298-1309.
18. Ma, S., Wang, Y., and Wang, X. (2020). Microstructures and mechanical properties of an Al-Cu-Mg-Sc alloy reinforced with in-situ TiB2 particulates. Materials Science and Engineering: A, 788, 139603.
19. Mısırlı, C. (2011). 5083 kalite alüminyum alaşımının homojenize edilerek sertlik değerlerinin ve mikroyapılarının incelenmesi (Master's thesis, Trakya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü).
20. Özgün, Ö., ve Erçetin, A. (2017). Toz metalurjisi metoduyla üretilen Cr-C takviyeli Cu matrisli kompozitlerin mikroyapı ve mekanik özellikleri. Türk Doğa ve Fen Dergisi, 6(2), 1-6.
21. Shakil, S. I., Zoeram, A. S., Pirgazi, H., Shalchi-Amirkhiz, B., Poorganji, B., Mohammadi, M., and Haghshenas, M., (2022). Microstructural-micromechanical correlation in an Al–Cu–Mg–Ag–TiB2 (A205) alloy: additively manufactured and cast. Materials Science and Engineering: A, 832, 142453.
22. Shakil, S. I., Zoeram, A. S., Avateffazeli, M., Roscher, M., Pirgazi, H., Shalchi-Amirkhiz, B., and Haghshenas, M. (2022). Ambient-temperature time-dependent deformation of cast and additive manufactured Al-Cu-Mg-Ag-TiB2 (A205). Micron, 156, 103246.
23. Shen, Y. L., Williams, J. J., Piotrowski, G., Chawla, N., and Guo, Y. L. (2001). Correlation between tensile and indentation behavior of particle-reinforced metal matrix composites: an experimental and numerical study. Acta Materialia, 49(16), 3219-3229.
24. Sun, T., Wang, H., Chen, J., Wu, Y., Wang, M., Fu, Y., and Wang, H. W., (2022). Achieving Excellent Strength of the Lpbf Additively Manufactured Al-Cu-Mg Composite Via In-Situ Mixing Tib2 and Solution Treatment. Available at SSRN 4100288.
25. Şap, S., Değirmenci, Ü., Usca, Ü. A., ve Uzun M., (2021). Hibrit Takviyeli Bakır Matrisli Kompozitlerin Üretimi ve Mekanik Özellikleri Üzerine Bir Derleme. Bingöl Üniversitesi Teknik Bilimler Dergisi, 2(2), 35-46.
26. Tosun, G., ve Kurt, M., (2020). SiC Takviyeli Al-Mg Kompozitlerin Yoğunluğunun ve Mikroyapısının İncelenmesi. Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 9(1), 589-597.
27. Varel, G., ve Güral, A. (2016). Eş Kanallı Açısal Presleme ve Toz Metalurjisi Yöntemiyle İşlenmiş Elementel Tozlardan Yaşlandırılabilir Al-% 4Cu Alaşımların Üretimi Üzerine Bir Çalışma. Politeknik Dergisi, 19(3), 333-341.
28. Varma, V. K., Kamat, S. V., Mahajan, Y. R., and Kutumbarao, V. V. (2001). Effect of reinforcement size on low strain yielding behaviour in Al–Cu–Mg/SiCP composites. Materials Science and Engineering: A, 318(1-2), 57-64.