Aluminum and its alloys have been used effectively in the aerospace and automotive
industries because of their useful properties, such as high strength-to-weight ratio,
low density, high thermal conductivity, and corrosion resistance. However, low outer
part features, such as hardness and wear resistance, are some of the disadvantages for
usage in those industries. Aaluminum matrix composites (AMCs) been manufactured
by incorporating ceramic particles as reinforcement in the metal matrix has been
used to enhance surface characteristics. In addition, Metal-matrix composite
materials are finding a variety of applications in sectors of engineering fields due to
their crucial properties. Hybrid composite materials are advanced composite
materials reinforced with more than one element so as to produce a uniquely
combined effect. This permits a more high degree of flexibility in the design of the
material. The necessity for light-weight and high-performance materials increases
by the day due to an increase in its usage professional fields such as automotive,
aerospace, deep-ocean, nuclear-energy-generation, structural applications, etc., that
has consequently brought about the invention of hybrid materials in terms of
composites.
This thesis concentrates on the fabrication of Al6061/ Al2O3-Tib2 hybrid metal
matrix composite using friction stir processing. Al6061 and Al2O3-Tib2 nano powder
were utilized as the fundamental material and reinforcement particles, respectively.
The influence of a number of FSP passes and tool pin profiles were studied on the
distribution of Al2O3-Tib2 particles in aluminum matrix, microstructure, hardness,
and wear properties of specimens. Also relation between process parameters
iv
(rotational speed, feed rate, number of passes) and hardness behavior of the
composite layer was studied using mathematical models such as artificial neural
network (ANN) and response surface methodology (RSM).
Friction stir processing was conducted using different tool pin profiles, different
rotation and traverse speeds, and a number of passes. Microstructural
characterization done using optical microscopy, (SEM) and (TEM). Wear resistance
analysis and hardness (H) were obtained. It was presented that fine grains formed in
the stir zone due to the dynamic re crystallization. It was confirmed that refinement
of these particles can increase the effective pining of the grain boundaries and reduce
grain growth.
The outcomes showed that increase in the number of passes led to a more uniform
dispersion of composite particles thereby decreasing the particles clustering.
Additionally, an increase in the number of FSP passes was found to reduce the
matrix grain size (minimum grain size 0.7 µm) of the outer surface hybrid composite.
With an increasing number of FSP passes, the hardness of the composite layer
increases significantly as result of the pinning effect and the presence of hard Al2O3-
Tib2 particles. The peak hardness for the composite layer was 175 HV while that the
hardness of received AL6061 was 110 HV. Also, at higher number of passes, the
outer surface hybrid composite wear rate increased.
In addition, the distribution of Al2O3-Tib2 particles in the specimens produced using
square and triangular tool pin profiles was more aligned due to their tool geometry,
which resulted in a better stirring of the material and good material flow.
A greater reduction of particle clustering was noted consequently, and thus the
mechanical properties were improved. Moreover, the samples made utilizing square
and triangular pin profiles showcased more grain refinement (minimum grain size
1.1 µm) than the other samples. More uniform structure, less clustering, and finer
grains produced by square and triangular pin profiles caused a higher hardness
(maximum hardness 160 HV) and wear resistance.
The artificial neural networks and response surface methodology have been
effectively utilized to predict the hardness behavior of the friction stir processed
Al6061/Al2O3-Tib2 nano composite. ANN was found a better tool to model the
hardness performance of the FSPed composite layer. The trained ANN proved
acceptable results when compared with the experimental results. Similarly, Response
surface methodology could be employed to model the hardness of the processed
composite layer. The error of both model was less than 1.5% which was satisfactory.
Keywords: Friction stir processing, hybrid composite layer, Al2O3-Tib2, number of
passes, tool pin profile, rotational speed and feed rat
ÖZ:
Alüminyum ve alaşımları, havacılık ve otomotiv sanayisinde,
yüksek güç / ağırlık oranı, düşük yoğunluk, yüksek ısı iletkenliği ve korozyon
direnci gibi faydalı özelliklerinden dolayı etkin bir şekilde kullanılmıştır. Bununla
birlikte, sertlik ve aşınma direnci gibi düşük dış kısım özellikleri, bu endüstrilerde
kullanım için dezavantajlardan bazılarıdır. Alüminyum kompozitler (AMK), metal
matrikse takviye olarak seramik partiküllerin katılmasıyla üretilmiş ve yüzey
özelliklerini arttırmak için kullanılmıştır. Ek olarak, Metal-matris kompozit
malzemeleri, önemli özelliklerinden dolayı mühendislik sektörlerde çeşitli
uygulamalar bulmaktadır. Hibrit kompozit malzemeler, benzersiz bir şekilde
birleştirilmiş bir etki üretmek için birden fazla elemanla takviye edilmiş ileri
kompozit malzemelerdir. Bu, malzemenin tasarımında daha yüksek derecede
esneklik sağlar. Hafif ve yüksek performanslı malzemelere duyulan gereksinim,
otomotiv, havacılık, derin okyanus gibi kullanım alanlarındaki artış nedeniyle gün
geçtikçe artmaktadır.
Bu çalışma, Al6061 / Al2O3 - TiB2 hibrit metal matris kompozitin sürtünme
karıştırma işlemi kullanılarak imal edilmesine odaklanmaktadır. Al6061 / Al2O3 -
TiB2 hibrit metal matris kompozit ve onun üretim tekniği bu çalışmanın yeniliği
sayılır. Al6061 ve Al2O3 – TiB2 Nano tozu sırasıyla temel malzeme ve takviye
partikülleri olarak kullanılmıştır. sürtünme karıştırma işlemi diğer komposit üretme
teknolojilerile kıyaslandığı zaman çok daha iyi bir performans ortaya koymaktadır.
Bir dizi FSP geçişinin ve takım pimi profillerinin etkisi, Al2O3 / TiB2 partiküllerinin
alüminyum matriks, mikro yapı, sertlik ve numunelerin aşınma özelliklerinde
dağılımı üzerinde çalışılmıştır. Ayrıca yapay sinir ağı (ANN) ve yanıt yüzey
metodolojisi (RSM) gibi matematiksel modeller kullanılarak proses parametreleri
(dönme hızı, ilerleme hızı, geçiş sayısı) ve kompozit katmanının sertlik davranışı
arasındaki ilişki incelenmiştir.
Sürtünme karıştırma işlemi, farklı takım pimi profilleri, farklı dönme ve travers
hızları ve birkaç geçiş kullanılarak gerçekleştirildi. Optik mikroskopi, taramalı
elektron mikroskobu (SEM) ve TEM kullanılarak mikroyapısal karakterizasyon
incelenmiştir. Aşınma direnci analizi ve sertliği (H) elde edildi. Dinamik yeniden
kristalleşme nedeniyle karıştırma bölgesinde ince tanelerin oluştuğu gösterilmiştir.
Bu parçacıkların rafine edilmesinin, tahıl sınırlarının etkili bir şekilde çivilenmesini
artıracağı ve tane büyümesini azalttığı doğrulandı.
Sonuçlar, geçiş sayısındaki artışın kompozit partiküllerin daha homojen bir
dağılımına yol açtığını ve böylece partikül kümelenmesini azalttığını göstermiştir.
Buna ek olarak, FSP geçiş sayısında bir artışın dış yüzey hibrid kompozitinin matris
tanecik boyutunu (minimum minimum tane büyüklüğü 0.7 µm) düşürdüğnü
göstermiştir. Sabitleme etkisinin ve sabit Al2O3 / TiB2 partiküllerinin varlığının bir
sonucu olarak geçiş sayısı arttıkça maksimum sertliğin 175 HV kadar arttığı da
gözlenmiştir. Ayrıca, daha yüksek sayıda geçişte, dış yüzey hibrid kompozit aşınma
direnci artmıştır.
Ek olarak, Al2O3 – TiB2 partiküllerinin kare ve üçgen takım pimi profilleri
kullanılarak üretilen numunelerdeki dağılımı, takım geometrileri nedeniyle daha iyi
hizalandı, bu da malzemenin daha iyi bir şekilde karıştırılmasıyla sonuçlandı.
Sonuç olarak daha büyük bir partikül kümelenmesi azalması kaydedildi ve böylece
mekanik özellikler geliştirildi. Ayrıca, kare ve üçgen pim profilleri kullanılarak
yapılan numuneler diğer numunelere göre daha fazla tane inceltme (minimum tane
büyüklüğü 1.1 µm) sergilemiştir. Kare ve üçgen pim profillerinin ürettiği daha
düzgün yapı, daha az kümelenme ve daha ince taneler, numunelerin daha yüksek
sertlik (maksimum sertlik 160 HV) ve aşınma direncine neden olmuştur.
Yapay sinir ağları ve tepki yüzeyi metodolojisi, işlenmiş Al6061 / Al2O3-TiB2 nano
kompozitin sertlik davranışının öngörülmesinde etkili bir şekilde kullanılmıştır.
ANN, kompozit katmanının sertlik performansını modellemek için daha iyi bir
araçtır. Eğitimli ANN, deneysel değerleri karşılaştırırken kabul edilebilir sonuçlar
verir. Benzer şekilde, işlenmiş kompozit katmanın sertliğini modellemek için Tepki
yüzey metodolojisi kullanılabilir. Her iki modelde de hata oranı 1.5 % den daha
azdır ve tatmin edicidir.
Anahtar Kelimeler: Sürtünme karıştırma işlemi, hibrit kompozit katman, Al2O3-
Tib2, geçiş sayısı, takım pimi profili, dönme hızı ve ilerleme hızı
