Fabricating Graphene-Titanium (<30μm) Composites by Powder Metallurgy Method: Microstructure and Mechanical Properties

Abstract

Titanium has the most useful properties of the metal are corrosion resistance strength-to-density ratio, the highest of any metallic element. In its unalloyed condition, titanium is as strong as some steels but less dense. Due to its good features titanium can be used in the composite as a matrix material. Titanium matrix composites (TiMCs) can be used in various industries such as automotive, airplanes and especially biomaterials. Today, as carbon reinforcing material carbon nanotube (CNT), graphite and graphene are used as reinforcing materials. The graphene has the most remarkable properties in this reinforced material due to its extraordinary mechanical features, low friction and high abrasion resistance. Composite materials produced by using titanium and graphene may have remarkable mechanical and microstructural properties. This is conspicuous subject in recent years.

In the present study, graphene (Gr) reinforced titanium composites were produced by powder metallurgy method. The effect of various percentages of graphene (0-0,15-0,30-0,45-0,60 wt.%) on the microstructure, density, hardness and compressive strength of Ti composites have been investigated. From the mechanical tests after sintering at 1100^oC for 120min. The highest hardness and the greatest compressive strength were obtained for 0,30 wt.% Gr reinforced composites (520.2 HV and 1137 MPa) when compared to pure titanium (419.8 HV and 780 MPa). The crystal phase and microstructure of the composites were detected by scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffractometer (XRD). Better mechanical properties were observed for Ti-Gr composite materials when compared pure Ti. These kinds of composites promise the future for using especially the field of biomaterials.

Keywords

• Titanium,graphene,powder metallurgy,composite

Grafen-Titanyum (<30μm) Kompozitlerin Toz Metalurjisi Yöntemiyle Üretilmesi: Mikroyapi ve Mekanik Özellikler

Abstract

Titanyum, metalin en kullanışlı özelliklerine sahip olup, korozyon direnci ve mukavemet-yoğunluk oranı diğer metalik elementlere göre yüksektir. Alaşımsız durumda, titanyum bazı çelikler kadar güçlü ama daha az yoğundur. Bu gibi özellikleri nedeniyle titanyum kompozit malzeme içinde matris malzemesi olarak kullanılabilir. Titanyum matrisli kompozitler (TMK'ler) otomotiv, uçak endüstrileri ve özellikle biyomalzemeler gibi çeşitli endüstrilerde kullanılabilir. Bugün karbon takviye malzemesi olarak karbon nanotüp (KNT), grafit ve grafen takviye malzemesi olarak kullanılmaktadır. Grafen, olağanüstü mekanik özellikleri, düşük sürtünme ve yüksek aşınma direnci nedeniyle bu takviyeli malzemeleri içinde en dikkat çekici özelliklere sahiptir. Titanyum ve grafen kullanılarak üretilen kompozit malzemeler, dikkate değer mekanik ve mikroyapısal özelliklere sahip olabilir. Bu son yıllarda göze çarpan konulardan biridir.

Bu çalışmada grafen katkılı titanyum kompozit malzemeler toz metalürjisi yöntemiyle üretilmiştir. Farklı oranlarda (%ağ.0-0,15-0,30-0,45-0,60) katkılanmış olan grafenin titanyum kompozitin yoğunluğunda, sertliğinde, basma dayanımında ve mikroyapısında meydana getirdiği etkileri incelenmiştir. 1100^oC ve 120dk. sinterleme süresinden sonra en yüksek sertlik ve basma dayanımı değerleri (520,2HV ve 1137MPa) saf titanyum ile karşılaştırıldığında (419,8HV ve 780MPa) %ağ. 0.30 grafen katkılanmış kompozit numunede elde edilmiştir. Kompozitlerin kristal fazı ve mikroyapıları taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve X-ışını difraktometresi (XRD) ile tespit edilmiştir. Ti-Gr kompozit malzemelerin saf titanyumdan daha iyi mekanik özellikler gösterdiği gözlenmiştir. Bu tür kompozitler, özellikle biyomalzeme alanlarını kullanmak için gelecek vaat etmektedir.

Keywords

• Titanyum,grafen,toz metalürjisi,kompozit

References

1. [1] H. Attara, S. Hooyar Ehtemam-Haghighia, D. Kent and M.S. Darguscha, “Recent developments and opportunities in additive manufacturing of titanium-based matrix composites: A review,” International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 133, pp. 85–102, 2018.
2. [2] D. Banerjee and J.C. Williams, “Perspectives on titanium science and technology”, Acta Mater. vol. 61, pp.844–879, 2013.
3. [3] F. Yastımoğlu ve A. Özkan, “Tekrarlanan Yükler Altında Kompozit Malzemelerin Yapılarının İncelenmesini Amaçlayan Deney Aygıtı Tasarımı”, Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, vol. 5, pp. 56-66, 2017.
4. [4] V.M. Imayev, R.A. Gaisin and R.M. Imayev, “Microstructure and mechanical properties of near a titanium alloy based composites prepared in situ by casting and subjected to multiple hot forging”, Journal of Alloys and Compounds, vol. 762, pp. 555-564, 2018.
5. [5] C. Chunxiang, H. BaoMin, Z. Lichen and L. Shuangjin, “Titanium alloy production technology, market prospects and industry development”, Materials & Design, vol. 32, pp.1684-1691, 2011.
6. [6] M.G. Elkhateeb and Y.C. Shin, “Molecular dynamics-based cohesive zone representation of Ti6Al4V/TiC composite interface”, Materials and Design, vol. 155, pp.161–169, 2018.
7. [7] G. Lütjering and J.C. Williams, Titanium, Second Edition, Springer, pp. 367-382.
8. [8] A. Nieto, A. Bisht, D. Lahiri, C. Zhang and A. Agarwal, "Graphene reinforced metal and ceramic matrix composites: a review”, International Materials Reviews, vol. 62, pp. 241-302, 2016.

9. [9] M.C. Şenel and M. Gürbüz, E. Koç, “Fabrication and characterization of synergistic Al-SiCGNPs hybrid composites”, Composites Part B, vol. 154, pp.1–9, 2018.
10. [10] M.Rashad, F. Pan, A.Tang, Y.Lu, M. Asif, S. Hussain, J. She, J. Gou and J. Mao, “Effect of graphene nanoplatelets (GNPs) addition on strength and ductility of magnesium-titanium alloys”, Journal of Magnesium and Alloys, vol. 1, pp.242-248, 2013.
11. [11] Z. Cao, X. Wang, J. Li, Y. Wu, H. Zhang, J. Guo and S. Wang, “Reinforcement with graphene nanoflakes in titanium matrix composites, Journal of Alloys and Compounds”, vol. 696, pp.498-502, 2017.
12. [12] Y. Song, Y. Chen, W.W. Liu, W.L. Li, Y.G. Wang, D. Zhao and X.B. Liu, “Microscopic mechanical properties of titanium composites containing multi-layer graphene nanofillers”, Materials and Design, vol. 109, pp.256–263, 2016.
13. [13] M. Gürbüz and T. Mutuk, “Effect of process parameters on hardness and microstructure of graphene reinforced titanium composites”, Journal of Composite Materials, vol. 52, pp.543-551, 2017.
14. [14] X. Liu, J. Li, X. Yu, H. Fan, Q. Wang, S. Yan, L. Wang, “Graphene nanosheet/titanium carbide composites of a fine-grained structure and improved Mechanical Properties”, Ceramics International, vol. 42, pp.165–172, 2016.
15. [15] X.N. Mu, H.M. Zhang, H.N. Cai, Q.B. Fan, Z.H. Zhang, Y.Wu, Z.J. Fu and D.H. Yu, “Microstructure evolution and superior tensile properties of low content Graphene nanoplatelets reinforced pure Ti matrix composites.” Materials Science and Engineering A, vol. 687, pp.164–174, 2017.