Study on Production of Functionally Graded TiB2/Al Composites

Abstract

In this study, it is aimed to investigate the production and properties of functional grade TiB2/Al composites by centrifugal casting technique. TiB2 particles were spontaneously formed in the aluminum matrix by in-situ technique. Centrifugal casting technique has been used in functional grading and final shapes of composites. The properties of the composites were detailed using optical microscopy, SEM, XRD, density and hardness analysis. It has been seen that TiB2 boride structures can be synthesized by in-situ technique in aluminum matrix using a Al-Ti-B system. At the same time, it has been determined that the microstructure properties of composite materials change into the centrifugal force direction. In addition, a significant change in density and hardness values of composites has been determined. The results also showed that the hardness of aluminum matrix increased by 83% with the addition of 19wt. % TiB2 and 50% with the addition of 12wt.% TiB2.

Keywords

• Functionally graded material
• in-situ TiB2
• Composite

Fonksiyonel Derecelendirilmiş TiB2/Al Kompozitlerin Üretimi Üzerine Bir Çalışma

Abstract

Bu çalışmada, Fonksiyonel derecelendirilmiş TiB2/Al kompozitlerin savurma döküm tekniği ile üretimi ve özelliklerinin araştırılması amaçlanmıştır. TiB2 takviye fazı, sıvı alüminyum içerisinde in-situ tekniği ile kendiliğinden oluşturulmuştur. Savurma döküm tekniğinden faydalanılarak kompozitler fonksiyonel olarak derecelendirilmiş ve son şekilleri verilmiştir. Üretilen kompozitlerin özellikleri, optik mikroskobu, SEM, XRD, yoğunluk ve sertlik analizleri kullanılarak detaylandırılmıştır. Çalışmada Al-Ti-B sistemi kullanılarak alüminyum matris içerinde in-situ tekniği ile TiB2 borür yapılarının sentezlene bildiğini görülmüştür. Aynı zamanda kompozit malzemelerin savurma kuvveti yönünden mikro yapı özelliklerinin değiştiği ve bu değişime bağılı olarak kompozitlerin yoğunluk ve sertlik değerlerinde önemli bir değişim tespit edilmiştir. Sonuçlar aynı zamanda alüminyum matrise %19 TiB2 ilavesi ile %83’lük, %12 TiB2 ilavesi ile de %50’lik sertlik artışı sağladığını göstermiştir.

Keywords

• Fonksiyonel derecelendirilmiş malzeme
• in-situ TiB2
• Kompozit

References

1. [1] D. B. Miracle, “Metal Matrix Composites – From Science to Technological Significance,” Composites Sci. and Tec., vol. 65, pp. 2526–2540, 2005.
2. [2] M. Rosso, “Ceramic and Metal Matrix Composites: Routes and Properties,” J. Mater. Process. Technol., vol. 175, no. 1–3, pp. 364–375, 2006.
3. [3] F. Aydın ve M. A. Erden, “Fe Matrisli Kompozitlerin Oda ve Yüksek Sıcaklıklardaki Elektrokimyasal Korozyon Davranışının İncelenmesi,” Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknol. Derg., c. 8, ss. 418–427, 2020.
4. [4] S. C. Tjong ve Z. Y. Ma, “Microstructural and Mechanical Characteristics of In-Situ Metal Matrix Composites,” Mater. Sci. Eng. R Reports, vol. 29, no. 3, pp. 49–113, 2000.
5. [5] M. Naebe ve K. Shirvanimoghaddam, “Functionally Graded Materials: A Review of Fabrication and Properties,” Appl. Mater. Today, vol. 5, pp. 223–245, 2016.
6. [6] R. Singh, V. Bhavar, P. Kattire, S. Thakare, S. Patil, ve R. K. P. Singh, “A Review on Functionally Gradient Materials (FGMs) and Their Applications,” IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng., vol. 229, no. 1, pp. 0–9, 2017.
7. [7] T. P. D. Rajan ve B. C. Pai, “Processing of Functionally Graded Aluminium Matrix Composites by Centrifugal Casting Technique,” Mater. Sci. Forum, vol. 690, pp. 157–161, 2011.
8. [8] Y. Watanabe, Q. Zhou, H. Sato, T. Fujii ve T. Inamura, “Microstructures of Al-Al3Ti Functionally Graded Materials Fabricated by Centrifugal Solid-Particle Method and Centrifugal In-Situ method,” Jpn. J. Appl. Phys., vol. 56, no. 1, pp. 0–11, 2017.

9. [9] L. Bin Niu, J. M. Zhang ve X. L. Yang, “In-situ Synthesis of Al3Ti Particles Reinforced Al-Based Composite Coating,” Trans. Nonferrous Met. Soc. China (English Ed.), vol. 22, no. 6, pp. 1387–1392, 2012.
10. [10] Ö. Savaş ve M. S. Başer, “Investigation of Abrasive Wear Behaviour of Functional Grade Al3Ti Reinforced Aluminium Matrix Composites by Taguchi Approach" Bayburt Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, c. 2, s. 2, 2019.
11. [11] X. Wang, R. Brydson, A. Jha ve J. Ellis, “Microstructural Analysis of Al Alloys Dispersed with TiB2 Particulate For MMC Applications,” J. Microsc., vol. 196, no. 2, pp. 137–145, 1999.
12. [12] N. Engin ve Z. Erman, “Doğadan Esinlenen Optimizasyon Algoritmaları ve Optimizasyon Algoritmalarının Optimizasyonu,” Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknol. Derg., c. 4, ss. 293–304, 2016.
13. [13] L. Lu, M. O. Lai ve F. L. Chen, “Al-4 wt% Cu Composite Reinforced with In-situ TiB2 Particles,” Acta Mater., vol. 45, no. 10, pp. 4297–4309, 1997.
14. [14] S. Suresh ve N. S. V. Moorthi, “Aluminium-Titanium Diboride (Al-TiB2) Metal Matrix Composites: Challenges and Opportunities,” Procedia Eng., vol. 38, pp. 89–97, 2012.
15. [15] K. L. Tee, L. Lu ve M. O. Lai, “In situ Stir Cast Al–TiB2 Composite: Processing and Mechanical Properties ,” Mater. Sci. Technol., vol. 17, no. 2, pp. 201–206, 2010.
16. [16] Ö. Savaş ve Ö. Demirok, “Fonksiyonel Derecelendirilmiş TiB2/Al Kompozitlerin Abrasif Aşınma Davranışları Üzerine Deneysel Bir Çalışma,” Eur. J. Sci. Technol., s. 17, ss. 972–981, 2019.
17. [17] S. Kumar, V. Subramaniya Sarma ve B. S. Murty, “Functionally Graded Al Alloy Matrix In-Situ Composites,” Metall. Mater. Trans. A Phys. Metall. Mater. Sci., vol. 41, no. 1, pp. 242–254, 2010.
18. [18] M. F. Forster, R. W. Hamilton, R. J. Dashwood ve P. D. Lee, “Centrifugal Casting of Aluminium Containing In-Situ Formed TiB2,” Mater. Sci. Technol., vol. 19, no. 9, pp. 1215–1219, 2003.
19. [19] İ. Arslan, E. Gavgalı ve M. Çolak, “Kum Kalıba Dökülen Farklı Alüminyum Alaşımlarının Dökümünde Al5Ti1B ve Al10Sr İlavesinin Mikroyapı Özelliklere Etkisinin İncelenmesi,” Acad. Platf. J. Eng. Sci., c. 7, s. 2, ss. 237–244, 2019.
20. [20] M. Çolak ve R. Kayıkcı, “Alüminyum Dökümlerinde Tane İnceltme,” SAÜ Fen Bilim. Enstitüsü Derg. Fen Bilim. Enstitüsü Derg., c. 13, s. 1, ss. 11–17, 2009.
21. [21] J. Hashim, L. Looney ve M. S. J. Hashmi, “Particle Distribution in Cast Metal Matrix Composites - Part I,” J. Mater. Process. Technol., vol. 123, no. 2, pp. 251–257, 2002.
22. [22] C. S. Ramesh, S. Pramod ve R. Keshavamurthy, “A study on Microstructure and Mechanical Properties of Al 6061-TiB2 In-situ Composites,” Mater. Sci. Eng. A, vol. 528, no. 12, pp. 4125–4132, 2011.
23. [23] S. Lakshmi, L. Lu ve M. Gupta, “In-situ Preparation of TiB2 Reinforced Al Based Composites,” J. Mater. Process. Technol., vol. 73, no. 1–3, pp. 160–166, 1998.
24. [24] M. Emamy, M. Mahta ve J. Rasizadeh, “Formation of TiB2 Particles During Dissolution of TiAl3 in Al-TiB2 Metal Matrix Composite using an In-Situ Technique,” Compos. Sci. Technol., vol. 66, no. 7–8, pp. 1063–1066, 2006.
25. [25] S. J. Zhu ve T. Iizuka, “Fabrication and Mechanical Behavior of Al Matrix Composites Reinforced with Porous Ceramic of In-Situ Grown Whisker Framework,” vol. 354, pp. 306–314, 2003.
26. [26] S. Chatterjee, A. Ghosh ve A. Basu Mallick, “Understanding the Evolution of Microstructural Features in the In-Situ Intermetallic Phase Reinforced Al/Al3Ti Nanocomposite,” Mater. Today Proc., vol. 5, no. 3, pp. 10118–10130, 2018.
27. [27] S. Kumar, M. Chakraborty, V. Subramanya Sarma and B. S. Murty, “Tensile and Wear Behaviour of In-Situ Al-7Si/TiB2 Particulate Composites,” Wear, vol. 265, no. 1–2, pp. 134–142, 2008.
28. [28] V. K. V. Meti, S. Shirur, J. Nampoothiri, K. R. Ravi, ve I. G. Siddhalingeshwar, “Synthesis, Characterization and Mechanical Properties of AA7075 Based MMCs Reinforced with TiB2 Particles Processed Through Ultrasound Assisted In-Situ Casting Technique,” Trans. Indian Inst. Met., vol. 71, no. 4, pp. 841–848, 2018.