Toz Metalurjisi ile Üretilen Nano Bor Nitrür Takviyeli Alüminyum Matrisli Kompozitlerin Mekanik ve İçyapı Özelliklerinin İncelenmesi

Öz

Alüminyum, düşük yoğunluğu ve yüksek korozyon direnci nedeniyle mühendislik uygulamalarında yaygın olarak tercih edilen bir metaldir. Ancak, sınırlı mekanik dayanımı bazı uygulamalarda kısıtlayıcı bir faktör olmaktadır. Bu nedenle, mekanik özelliklerini iyileştirmek amacıyla seramik malzemelerle takviye edilebilmektedir. Bu çalışmada, Nano Bor Nitrür (NBN) takviyeli alüminyum matrisli kompozitler, toz metalurji yöntemi ile üretilmiş ve mekanik ile mikro yapısal özellikleri incelenmiştir. Saf Alüminyum kontrol numunesine ek olarak; kütlece %0.1, %0.5, %1, %2 ve %5 oranlarında NBN içeren toz karışımları hazırlanmış, ardından 600°C, 650°C ve 700°C sıcaklıklarında sinterlenerek toplamda 18 farklı kompozit numune elde edilmiştir. Yapılan sertlik testleri, %0.5 NBN katkılı ve 600°C’de sinterlenen numunenin en yüksek sertlik değerine ulaştığını göstermiştir. Ancak, daha yüksek katkı oranları ve sinterleme sıcaklıkları sertlikte düşüşe neden olmuştur. Taramalı elektron mikroskobuyla yapılan analizde, düşük NBN oranlarında homojen dağılım sağlandığını, ancak %2 ve üzeri katkılarda kümelenme oluştuğunu ortaya koymuştur. Yoğunluk ölçümleri, %5 NBN katkılı ve 600°C’de sinterlenen numunenin en yüksek yoğunluğa ulaştığını, ancak 700°C’de gözenek oluşumunun arttığını göstermiştir. Genel olarak, uygun NBN katkı oranı ve sinterleme sıcaklığının belirlenmesinin, NBN takviyeli alüminyum matrisli kompozitlerin mekanik özelliklerini optimize etmek için kritik bir faktör olduğu sonucuna varılmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Alüminyum
• Nano
• Bor Nitrür
• Toz Metalürji
• Sinterleme.

Investigation of Mechanical and Microstructure Properties of Nano Boron Nitride Reinforced Aluminum Matrix Composites Produced by Powder Metallurgy

Abstract

Aluminum is a metal widely preferred in engineering applications due to its low density and high corrosion resistance. However, its limited mechanical strength is a limiting factor in some applications. Therefore, it can be reinforced with ceramic materials to improve its mechanical properties. In this study, Nano Boron Nitride (NBN) reinforced aluminum matrix composites were produced by powder metallurgy method and their mechanical and microstructural properties were investigated. In addition to the Pure Aluminum control sample; Powder mixtures containing 0.1%, 0.5%, 1%, 2% and 5% NBN were prepared and then sintered at 600°C, 650°C and 700°C to obtain a total of 18 different composite samples. Hardness tests showed that the sample with 0.5% NBN added and sintered at 600°C reached the highest hardness value. However, higher additive rates and sintering temperatures caused a decrease in hardness. Analysis by scanning electron microscopy revealed that homogeneous distribution was achieved at low NBN ratios, but clustering occurred at 2% and above contributions. Density measurements showed that sample with 5% NBN added and sintered at 600°C reached the highest density, but pore formation increased at 700°C. Overall, it is concluded that determining the appropriate NBN additive ratio and sintering temperature is a critical factor to optimize the mechanical properties of NBN reinforced aluminum composites.

Keywords

• Aluminum
• Nano
• Boron Nitride
• Powder Metallurgy
• Sintering.

References

1. Antillon M., Nautiyal P., Loganathan A., Boesl B., Agarwal A. Strengthening in boron nitride nanotube reinforced aluminum composites prepared by roll bonding. Advanced Engineering Materials 20(8), 1800122, 2018.
2. Arora G. S., Saxena K. K., A Review Study on The İnfluence of Hybridization on Mechanical Behaviour of Hybrid Mg Matrix Composites Through Powder Metallurgy, Mater Today Proceed, 2023. https://doi.org/10.1016/j. matpr.2023.02.217
3. Aslan M., Ergül E., Kaya A., Kurt H. İ., Yılmaz N. F., Toz Metalurjisi Yöntemiyle Üretilen Al-MgO Kompozitlerin Özelliklerine Sinterleme Sıcaklığının Etkisi, El-Cezeri 7(3), 1131-1139, 2020.
4. Aydın H., Nanoyapılı Hegzagonal Bor Nitrür Üretimi ve Karakterizasyonu, Fırat Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi 30(2), 269-275, 2018.
5. Baser T. A., Umay E., Akıncı V., New Trends in Aluminum Die Casting Alloys For Automotive Applications, The Eurasia Proceedings of Science Technology Engineering and Mathematics 21, 79-87, 2022.
6. Chen Y., Chen T., Zhang S., Li P., Effect of ball milling on microstructural evolution during partial remelting of 6061 aluminum alloy prepared by cold-pressing of alloy powders, Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 25, 2113-2121, 2015.
7. Çubuk, H. S., Mutlu, A., Çavdar, U., Nano bor nitrür takviyeli alüminyum tozlarının ultra yüksek frekanslı indüksiyon sistemi ile sinterlenmesi, Manufacturing Technologies and Applications, 6(1), 41-51, 2025. https://doi.org/10.52795/mateca.1588015
8. Çivi C., Atik E., Investigation of Induction Sinterability of Powder Metal Parts of Different Shapes and sizes. Mühendis ve Makina, 66(718), 23-38, 2025. https://doi.org/10.46399/muhendismakina.1460609

9. Dudina D. V., Georgarakis K., Olevsky E. A., Progress in aluminium and magnesium matrix composites obtained by spark plasma, microwave and induction sintering. International Materials Reviews 68(2), 225-246, 2023.
10. Ercetin A., Özgün Ö., Aslantaş K., Der O., Yalçın B., Şimşir E., Aamir M., Microstructural and mechanical behavior investigations of Nb-reinforced Mg–Sn–Al–Zn–Mn matrix magnesium composites. Metals 13(6), 1097, 2023.
11. Erçetin A., Aslantas K., Özgün Ö., Micro-End Milling of Biomedical TZ54 Magnesium Alloy Produced Through Powder Metallurgy, Machining Science and Technology 24(6), 924-947, 2020.
12. Erçetin A., Özgün Ö., Aslantaş K., Toz Metal Al2O3 Takviyeli Mg5Sn Matrisli Kompozitler: Üretim ve Karakterizasyon, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 38(2), 1003-1012, 2022.
13. Firestein K. L., Corthay S., Steinman A. E., Matveev A. T., Kovalskii A. M., Sukhorukova I. V., Golberg D., Shtansky D. V., High-strength aluminum-based composites reinforced with BN, AlB2 and AlN particles fabricated via reactive spark plasma sintering of Al-BN powder mixtures. Materials Science and Engineering: A 681, 1-9, 2017.
14. Ghosh A., Shukla U., Sahoo N., Das B., Kar U. K., Shrivastava P., Alam S. N., Development and mechanical characterization of copper-Hexagonal boron nitride metal matrix nanocomposites using powder metallurgy route. Journal of Materials Engineering and Performance 1-17, 2024.
15. Irshad H. M., Farooq A., Hakeem A. S., Azeem M. Z., Ehsan M. A., Electrochemical Study of Aluminum–Cubic Boron Nitride Composites Synthesized via Spark Plasma Sintering for Engineering Applications, Journal of Alloys and Compounds 965, 171210, 2023.
16. Kumar N., Bharti A., Review on Powder Metallurgy: A Novel Technique For Recycling and Foaming of Aluminium-Based Materials, Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 60, 52-59, 2021.
17. Lahiri D., Hadjikhani A., Zhang C., Xing T., Li L. H., Chen Y., Agarwal, A., Boron nitride nanotubes reinforced aluminum composites prepared by spark plasma sintering: Microstructure, mechanical properties and deformation behavior. Materials Science and Engineering: A 574, 149-156, 2013.
18. Lv W., Lv J., Liu J., Chen C., Kang, Y., Sintering dynamic evolution and enhancement mechanism of nano-Cu/boron nitride composite matrix with excellent mechanical properties from the atomic perspective. Composite Structures 354, 118756, 2025.
19. Manohar G., Pandey K. M., Maity S. R., Effect of Sintering Mechanisms on Mechanical Properties of AA7075/B4C Composite Fabricated by Powder Metallurgy Techniques, Ceramics International 47(11), 15147-15154, 2021.
20. Moustafa E. B., Mikhaylovskaya A. V., Taha M. A., Mosleh A. O., Improvement of the Microstructure and Mechanical Properties By Hybridizing The Surface of AA7075 by Hexagonal Boron Nitride With Carbide Particles Using The FSP Process, Journal of Materials Research and Technology 17, 1986-1999, 2022.
21. Nautiyal P., Rudolf C., Loganathan A., Zhang C., Boesl B., Agarwal, A. Directionally aligned ultra‐long boron nitride nanotube induced strengthening of aluminum‐based sandwich composite. Advanced Engineering Materials 18(10), 1747-1754, 2016.
22. Özçatal M., Başpınar M. S., SiO2 Katkısının Al2TiO5 Seramiklerinin Fiziksel Özelliklerine Etkisi, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi 26(4), 594-598, 2020.
23. Pandey K. K., Singh S., Choudhary S., Zhang C., Agarwal A., Li L. H., Chen Y., Keshri A. K., Microstructural and Mechanical Properties of Plasma Sprayed Boron Nitride Nanotubes Reinforced Alumina Coating, Ceramics International 47(7), 9194-9202, 2021.
24. Pariyar A., Perugu C. S., Toth L. S., Kailas S. V., Microstructure and Mechanical Behavior of Polymer-Derived İn-Situ Ceramic Reinforced Lightweight Aluminum Matrix Composite, Journal of Alloys and Compounds 880, 160430, 2021.
25. Peng X., Zhu D., Li Y., Zhou J., Lv Z., GUO P., Fabrication and property of AlN-BN composites by hot isostatic pressing. J. Inorg. Mater, 31, 535-541, 2016.
26. Pillari L. K., Umasankar V., Elamathi P., Chandrasekar G., Synthesis and Characterization of Nano Hexagonal Boron Nitride Powder and Evaluating The İnfluence on Aluminium Alloy Matrix, Materials Today Proceedings 3(6), 2018-2026, 2016.
27. Radhika E., Dobbidi P., XPS and dielectric studies of phase pure AlN-BN composite ceramics using powder bed. Materials Science and Engineering: B 297, 116783, 2023.
28. Sekar P., Panigrahi S. K., Understanding the corrosion and bio-corrosion behaviour of Magnesium composites–a critical review, Journal of Magnesium and Alloys, 12, 890-939, 2024.
29. Şenel M., Gürbüz M., Koç E., Grafen Takviyeli Alüminyum Matrisli Kompozitlerde Sinterleme Sıcaklığının Kompozitlerin Yoğunluğuna, Gözenekliliğine, Sertliğine ve Mikroyapısına Olan Etkisinin İncelenmesi, SETSCI-Conference Proceedings, Vol. 3, 2018.
30. Thomas S., Menachery N., Thomas L. P., N S., Kumar P. G. S., Hebbar G. S., Influence of Nano Hexagonal Boron Nitride on The Wear Properties of Aluminium Alloy, Advances in Materials and Processing Technologies 10(3), 2483-2499, 2024.
31. Tosun G., Kurt M., SiC Takviyeli Al-Mg Kompozitlerin Yoğunluğunun ve Mikro yapısının İncelenmesi, Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi 9(1), 589-597, 2020.