Effect of Boron and ZrB2 Additives on Structural and Mechanical Properties of Elemental Boron and ZrB2 Doped Al2024 Composites

Abstract

In this study, composite materials with superior mechanical properties were synthesized by adding Zirconium diboride (ZrB2) and elemental boron (B) into Al2024 aluminum alloy and the effects of additives on the structural, morphological and mechanical properties of composite samples were investigated. Synthesis experiments were carried out by mechanical alloying and powder metallurgy methods. Microstructure examinations and elemental distribution analyses of composite materials were determined by SEM microscope and EDX, and phase structures were determined by XRD analysis. In addition, microhardness and compressive strengths of composite structures were determined. Peaks belonging to Al, Al2MgO4, CuAl2 and MnO phases were detected from XRD analysis after sintering process. It was determined that ZrB2 and B reinforcement materials did not form any intermetallic phase in the structure. It was determined from SEM analysis that the samples were produced homogeneously, but there were low pores in B-added samples due to the increase in B ratio. In addition, it was determined that the samples containing ZrB2 showed a more homogeneous distribution compared to the samples containing B, but more porous regions were formed compared to the structures containing B. The highest microhardness and compressive strength values were reached in the samples added with 12% ZrB2.

Keywords

• Composite material
• Al2024
• ZrB2
• Ceramic materials
• Powder metallurgy
• Mechanical properties

Elementel Bor ve ZrB2 katkılı Al2024 Kompozitlerde Bor ve ZrB2 Katkılarının Kompozitin Yapısal ve Mekanik Özelliklerine Etkisi

Öz

Bu çalışmada Al2024 alüminyum alaşımı içerisine, Zirkonyum diborür (ZrB2) ve elementel bor (B) katkılanarak üstün mekanik özelliklere sahip kompozit malzemeler sentezlenerek katkı malzemelerinin kompozit numunelerin yapısal, morfolojik ve mekanik özelliklerine etkileri araştırılmıştır. Sentez deneyleri mekanik alaşımlama ve toz metalürjisi yöntemleri ile gerçekleştirilmiştir. Kompozit malzemelerin mikroyapı incelemeleri ve elementel dağılım analizleri SEM mikroskobu ve EDX ile, faz yapıları ise XRD analizleriyle belirlenmiştir. Ayrıca kompozit yapıların mikrosertlikleri ve basma dayanımları tespit edilmiştir. XRD analizlerinden, sinterleme işleminden sonra yapı içerisinde Al, Al2MgO4, CuAl2 ve MnO fazlarına ait pikler tespit edilmiştir. ZrB2 ve B’nin takviye malzemelerinin yapı içerisinde herhangi bir intermetalik faz oluşturmadığı belirlenmiştir. SEM analizlerinden numunelerin homojen bir şekilde üretildiği, ancak B katkılı numunelerde B oranının artışına bağlı olarak düşük oranda gözenekler olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca, ZrB2 içeren numunelerin B içeren numunelere oranla daha homojen dağılım gösterdiği, ancak B içeren yapılara göre daha fazla gözenekli bölgelerin oluştuğu belirlenmiştir. En yüksek mikrosertlik ve basma dayananımı değerlerine %12 ZrB2 katkılanmış numunelerde ulaşılmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Kompozit malzeme
• Al2024
• ZrB2
• Seramik malzemeler
• Toz metalürjisi
• Mekanik özellikler

Kaynakça

1. [1]Arunkumar, S., Sundaram, S.M., Sukethkanna, K.M., & Vigneshwara, S. A review on aluminium matrix composite with various reinforcement particles and their behaviour. MaterialsToday: Proceedings, 33, (484-490), (2020). doi.org/10.1016/j.matpr.2020.05.053
2. [2] Pul, M. Karbon Nanotüp (CNT) ve NanoGrafen (G) Takviyeli Al2024 Kompozitlerin Vorteks Yöntemiyle Üretilerek Aşınma ve İşlenebilme Özelliklerinin İncelenmesi. International Journal of Engineering Research and Development, 11, 370-382, (2019). doi.org/10.29137/umagd.493868
3. [3] Izadi, H., Nolting, A., Munro, C., Bishop, D. P., Plucknett, K. P. & Gerlich, A. P. Friction stir processing of Al/SiC composites fabricated by powder metallurgy. The Journal of Materials Processing Technology, 213, 1900–1907, (2013). doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2013.05.012
4. [4] 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 Internationl, 47(11)15147-15154, (2021). doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.02.073
5. [5] Carneiro, Í., Fernandes, J.V., Simões, S. Strengthening Mechanisms of Aluminum Matrix Nanocomposites Reinforced with CNTs Produced by Powder Metallurgy. Metals 11, 1711, (2021). https://doi.org/10.3390/met11111711
6. [6] Kimpson, M.G. & Scott, T.E. Processing and properties of metal matrix composites containing discontinuous reinforcement, Materials Science and Engineering: A, 93-106, (1989). doi.org/10.1016/0921-5093(89)90378-X
7. [7] Chou, S.N., Huang, J.L., Lii, D.F. & Lu, H.W. The mechanical properties and microstructure of Al2O3/aluminum alloy composites fabricated by squeeze casting. Journal of Alloys and Compounds, 436, 124-130, (2007). /doi.org/10.1016/j.jallcom.2006.07.062
8. [8] Lai, S.W. & Chung, D.D.L. Fabrication of particulate aluminium-matrix composites by liquid metal infiltration. Journal of Material Science, 29, 3128–3150, (1994). doi.org/10.1007/BF00356655

9. [9] Kök, M., Production and mechanical properties of Al2O3 particle- reinforced 2024 aluminium alloy composites. Journal of Materials Processing Technology, 161:381–387.(2005). doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2004.07.068
10. [10] Ramachandra, M., Abhishek, A., Siddeshwar, P. & Bharathi, V. Hardness and Wear Resistance of ZrO2 Nano Particle Reinforced Al Nanocomposites Produced by Powder Metallurg. Procedia Materials Science, 10, 212 – 219, (2015). doi.org/10.1016/j.mspro.2015.06.043
11. [11] Suresh, S.M., Mishra, D., Srinivasan, A., Arunachalam, R. M. & Sasikumar, R. Production and characterization of micro and nano Al2O3 particle-reinforced LM25 aluminium alloy composites, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 6, 6, (2011).
12. [12] Karabulut, H., Karacif, K. & Türkmen, M. Sıcak Presleme Yöntemi ile Üretilen AA2024 ve AA7075 Esaslı %5 SiC Takviyeli Kompozit Malzemelerin Mikroyapı, Sertlik ve Korozyon Özelliklerinin İncelenmesi, International Journal of Engineering Researchand Development, 13 (1), (2021). doi.org/10.29137/umagd.7338[[[755
13. [13] Gündoğan, K. &. Özsarı, A.R.B. Basınçlı İnfiltrasyon Yöntemiyle Üretilen AA2024 ve AA6061 Matrisli, B4C ve SiC Takviyeli Kompozit Malzemelerin Mikroyapı, Mekanik ve Isıl İletkenlik Özelliklerine Basıncın Etkisi. International Journal of Engineering Research and Development, 11 (2), 657-669, (2019). doi.org/10.29137/umagd.540610
14. [14] Azad, A.M., Hamdan, B., Mohammad, A., Mazli, M., Masood, Y. M., Marode, F., Sapuan, R. V., Ansari, S.M. & Husain, A. Advancements in aluminum matrix composites reinforced with carbides and graphene: A comprehensive review. Nanotechnology Reviews, 12 (1) 20230111, (2023). https://doi.org/10.1515/ntrev-2023-0111
15. [15] Khoshsima, S., Mertdinç, S., Motallebzadeh, A., Altıntaş, Z., Ağaoğulları, D., Çağıran, Ö.B. Enhanced hardness and wear resistance of Al-based hybrid MMCs by using of composite metal boride reinforcement particles, Materials Chemistry and Physics, 288, 126377, (2022). https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2022.126377.
16. [16] Süzer, İ., Özçakıcı, Y.E., Tekinşen, A.S., Bayrak, K.C., Ülküseven, S.M., Çağıran, Ö.B., Öveçoğlu, M.L., Ağaoğulları, D. High entropy (HfTiZrVNb)B2 ceramic particulate reinforced Al matrix composites: Synthesis, mechanical, microstructural and thermal characterization, Ceramics International, 50 (15), 26583-26595, (2024). https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.04.386.
17. [17] Akçay, B., Varol, T., Güler, o., Aks, H.C. Bor Karbür Takviyeli Al Esaslı Kompozitlerin Özellikleri Üzerine Bor Karbür Takviye Miktarının Etkisi, El-Cezerî Fen ve Mühendislik Dergisi, 9 ( 2), (869-881), 2022, DOI : 10.31202/ecjse.1023910
18. [18] Pul, M. Alüminyum 7075 Matrisli Kompozitlerde SiC, B4C Ve TiB2 Takviye Elemanlarının Mekanik Özelliklere Etkilerinin Karşılaştırılması, Duzce University Journal of Science and Technology, 7 (1), pp. 180-93, (2019). doi:10.29130/dubited.431573.