Kompozitlerin üretiminde öncelikle, ön-işlemleme, yani ilk
(primer) proseslerden önce yapılan hazırlık aşaması yer alır; örneğin,
kompozite konulacak malzemelerin yüzey işlemleri veya infiltrasyon prosesi için
gerekli preform hazırlanması gibi. MMC’lerin prosesleri en az iki aşamada gerçekleşir;
primer prosesler denilen, konsolidasyon veya sentezleme (matrise takviyenin
konulması) ve takiben de sekonder prosesler olan şekillendirme işlemleri.
Primer prosesler matris ve takviye malzemenin bir araya
getirilerek kompozitin oluşturulmasıdır (örneğin, toz metal ile seramik
partiküller, veya ergimiş metalle fiber preform gibi). Bu aşamada malzemeye son
şekli veya mikroyapısı verilemez. Primer prosesi takiben kompozite uygulanan
çeşitli prosesler, sekonder prosesler olarak tanımlanır; bunlar, malzemeyi
şekillendirme ve mikroyapıyı oluşturma aşamalarıdır; dökme, dövme, ekstruzyon,
ısıl işlem gibi. Sekonder proseslerle kompozitin bileşenleri (faz, şekil)
değiştirilebilir.
Tanecik takviyeli MMC (P), kısa fiber takviyeli MMC (SF), sürekli fiber
takviyeli MMC (CF) ve monofilament MMC (MF)’lerin üretilmesinde çeşitli
sıvı-hal, katı-hal ve gaz-hal (depozisyon) prosesleri uygulanır; proseslerde
genellikle, önce ön-işlemleme, takiben de kompozitin üretilmesi, şekillendirme
ve son ürün sırası izlenir.
Metal matris kompozitlerin üretim prosesleri üç grup altında
toplanabilir: Katı hal prosesleri, sıvı hal prosesleri, gaz hal (veya
depozisyon) prosesleri (Şekil-11).
Şekil-11: Metal matris kompozit (MMC) prosesleri
(Takviye malzemeler: P: partiküller, SF: kısa fiberler, CF: sürekli fiberler,
MF: monofilamentler)
Katı Hal Prosesleri
Katı faz prosesleri, toz malzemelerin (matris ve takviye) karıştırılıp
çeşitli aşamalardan geçirilmesiyle istenilen şekilde konsolide edilmiş partikülat
(P), kısa fiberli (SF), sürekli fiberli (CF) ve monofilament (MF) takviyeli
MMC’lerin elde edilmesinde uygulanan proseslerdir.
Metal matris kompozitlerin katı hal proseslerle üretiminde
metal matris ve dispers faz (takviye) birbirleriyle, aralarında oluşan ortak
difüzyonla bağlanırlar. İşlem katı halde, uygun sıcaklıklarda ve basınç atında
yapılır. Proses sıcaklığının fazla yüksek olmaması (sıvı hal MMC’ler
üretimleriyle kıyaslandığında), matris ve takviye fazlar arasındaki sınırda
istenmeyen reaksiyon oluşmasını azaltır veya engeller.
Metal matris kompozitler, haddeleme, dövme, presleme, çekme
veya ekstruzyon gibi sinterleme işlemlerinden sonra da deforme olabilirler.
Deformasyon işlemi soğuk (re-kristallenme sıcaklığının altında) veya sıcak (re-kristallenme
sıcaklığının üstünde) olabilir. Şekil-12’de genel bir katı hal prosesi akım
şeması verilmiştir.
Kısa-fiberlerle takviyeli sinterlenmiş metal matris
malzemelerin deformasyonuyla istenilen fiber oryantasyonu ve malzeme anizotropisi
(fiber oryantasyonu yönünde kuvvetlilik artışı) sağlanır.
Toz metal proses rotası partikül veya whisker takviyeli
metal matris kompozitlere uygulanır. Proseste, seramik takviyeler dahil, adapte
edilmiş metalik alaşımların toz sinterleme standart aşamaları izlenir.
Öncelikle, takviye partiküller veya whiskerler ile matrisin
(toz) homojen dispersiyonu hazırlanır; bu işlemde bilyeli değirmen, bir sıvıda
ultrases dispersiyon metodu, veya bir bağlayıcı ilave yöntemi kullanılabilir.
Yoğunluk ayarlamasında soğuk izostatik presleme yöntemi kullanılır; bu yolla
maksimum yoğunluğa ulaşılabilir; proses gaz giderme işlemiyle bir arada
yürütülür. Sinterleşme zamanını düşürmek ve poröziteyi en aza indirmek için,
basınç uygulanarak ergime sıcaklığının altındaki sıcaklıklarda birleştirme
yapılır.
Yüksek hacım fraksiyonunda partiküller homojen olarak
dağılabilir. Sıcaklık ve zaman sınırlandırıldığından yüzey arası reaksiyonlar
sınırlıdır. Nanometre boyutta oksit partiküllerin varlığı yüksek sıcaklık
özelliklerini geliştirir. Ürün, net-son ürün şekline yakındır.
Katı hal prosesleri
pahalıdır, komponent büyüklüğü sınırlıdır, süreksiz prosestir, uzun
fiberlerle kullanılamaz (fiber kırılması olur). Ayrıca porözite önemli bir
sorundur, takviye malzemenin dizilişinde de zorluklarla karşılaşılır.
Toz Konsolidasyon:
Toz konsolidasyon bir difüzyon bonding (primer) prosestir. Matris toz halindedir;
takviye malzemeyle karıştırılır veya yanına konulur ve yüksek sıcaklıkta
basınçla veya basınçsız bir yöntemle birleştirilir.
MMC Sıcak Presleme:
Kompoziti oluşturan bileşenler difüzyon bağlanmayla biraraya getirilir; işlem,
matrisin sinterleşmesini sağlayabilecek bir sıcaklıkta bir pistonla (sıcak
pres) basınç atında yapılır. Metal matrislerde sıcaklık genellikle matris
re-kristallenme sıcaklığının üzerindedir.
MMC Sıcak İzostatik
Presleme (HIP): Bileşenlerin difüzyonla bağlanması için karışıma
hidrostatik basınç uygulanır. Sıcak preslemede olduğu gibi, matrisin
sinterleşmesini sağlayabilecek (genellikle matris re-kristallenme sıcaklığının
üzerinde) bir sıcaklıkta bir gaz basıncı uygulanır.
Folyo-Fiber-Folyo
Metodu: Bu metoda folyo-fiber metodu da denir; primer bir kompozit üretim
metodudur. Proseste metal folyo tabakalar ve seramik monofilament fiberler
alternatif olarak istiflenerek öncü malzeme hazırlanır, sıcak preslemeyle
malzemelerin difüzyonla bağlanması sağlanır.
MMC Difüzyon
Bağlanma: Difüzyon bağlanma primer bir katı hal MMC fabrikasyon prosesidir;
matrisin folyolar (foil) ve takviye malzemenin uzun fiberler olduğu bir katı
hal prosesidir. Matris ve takviye fazlar özel bir sırada dizilirler ve yüksek
sıcaklıkta mekanik basınç uygulanarak vakumlandıktan sonra preslenirler, birbirlerine
difüzyonla bağlanır.
Elde edilen laminat kompozit çok-tabakalı bir yapıdadır.
Difüzyon bağlanma, genellikle SiC veya B monofilamentler
(çap < 100 nm) ile takviyelendirilmiş matrislere uygulanan standart proses
rotasıdır. Roll bonding ve tel/fiber sarma değişik difüzyon bonding
prosesleridir. Difüzyon bağlanmada fiber/matris
reaksiyonu sınırlı olduğundan fiberler tahrip olmaz, iyi özellikler sergiler.
Ancak pahalı bir prosestir, laminatlar sınırlıdır ve süreksiz bir proses
rotasıdır. Difüzyon bağlanma genellikle
Ti/SiC, Al/SiC kompozitlerin ve basit parçaların (levhalar, tüpler gibi)
üretiminde kullanılan bir yöntemdir. Şekil-13 ve Şekil-14’de difüzyon bağlanma
ve difüzyon bağlanmayla bir kompozit üretimi akım şeması verilmiştir.
Şekil-13: Difüzyon bağlanma
Şekil-14: Difüzyon bağlanmayla kompozit
üretimi
Metal matris kompozitlerin sinterleme prosesinde, toz metal
matris, toz dispers fazla (tanecik veya kısa-fiberler) karıştırılır,
sıkıştırılır ve sinterlenir; işlem genellikle katı halde yapılır. Sinterleme,
ayrı ayrı tanecikler, komşu toz taneciklere difüzlendiğinde, karışımın (toz
malzemeler) ergime noktasının altında kalacak bir sıcaklığa kadar ısıtılarak
tanelerin birleştirilmesi işlemidir.
MMC’ler sıvı hal üretim proseslerinin tersine, sinterleme
metoduyla, %50’ye kadar takviye faz içeren MMC’ler elde edilebilmektedir.
Sinterleşme zamanını düşürmek ve poröziteyi en aza indirmek için, basınç
uygulanarak ergime sıcaklığının altındaki sıcaklıklarda birleştirme
(konsolidasyon) yapılır (Şekil-15). Sinterleme, bir deformasyon işlemiyle
birleştirildiğinde MMC’lerin üretiminde uygulanan prosesler:
Sıcak Presleme
Prosesi: Bir sıcak presle tek-yönlü basınç altında sinterlemedir.
Sıcak İzostatik
Presleme Prosesi: Bu yöntemde yoğun (kompakt) malzeme sıvı veya gaz ortamla
sarılmıştır; sisteme her yönden basınç uygulanırken sıcaklık yükseltilerek
sinterleme yapılır.
Sıcak Toz Ekstruzyon
Prosesi: Bir ekstruderde yüksek sıcaklıkta basınç uygulanarak yapılan
sinterleme işlemidir.
Şekil-15: Sinterleme
prosesleri; (a) sıcak presleme, (b) sıcak izostatik presleme, (c) sıcak toz direkt ekstruzyon, (d) sıcak
toz indirekt ekstruzyon
Sıvı Hal Prosesleri
Sıvı faz proseslerinde seramik partikülatlar çeşitli yöntemlerle
ergitilmiş metalik matrisle birleştirilir, ve karıştırılır. Elde edilen
kompozit karışımı katılaştıktan sonra istenilen şeklin üretimi için diğer proseslere
gönderilir (Şekil-16).
Şekil-16: Metal matris
kompozit (MMC)sıvı hal prosesleri akım şeması
Sıvı faz proseslerinde matris ve takviye malzemelerin seçimi çok önemlidir; takviyenin matrisle uyumlu olması gerekir. Kompozitin yüksek mekanik özelliklerde olabilmesi için dispers faz ve sıvı matris arasında iyi bir yüzey arası bağlanma (ıslanma) sağlanmalıdır.
Seramik malzemelerin çoğu ergimiş alaşımlar tarafından ıslatılamazlar;
bu nedenle ergiyiğe ya bir ıslatma ajanı konulur veya takviye partikülatlar
karıştırılmadan önce uygun bir malzemeyle kaplanır. Kaplama yüzey arası
enerjiyi azaltır ve takviye ile matris arasında kimyasal etkileşimi önler.
Preformlar genellikle kısa fiberler/partiküllerin sıvı
süspansiyonlardan çöktürülmesiyle hazırlanır. Hazırlanan preformun bütünlüğünü
ve formu koruması için çoğu kez bir bağlayıcı kullanılır. Yüksek sıcaklık
bağlayıcılar olarak kullanılan çeşitli silika ve alumina bazlı karışımlar
hazırlanır.
Bağlayıcı, süspansiyon sıvıyla injekte edilir, dolayısıyla
fiberlerin üzerinde çökelir. Preformun boşlukları veya çatlakları içine sıvı
metal injekte edilir. Preformlar, genellikle elde edilecek kompozit şekline
yakın bir formda hazırlanır.
Spreyle şekillendirme sprey dökme depozisyonu ve in-situ
kompaksiyon olarak da tanımlanabilir. Bu proses, şekillendirilmiş bir malzeme
üzerine püskürtülen yarı-katı haldeki damlacıkların depozisyonuyla homojen
mikro yapıların oluşturulduğu bir dökme metodudur. Elde edilen ürün, malzemenin
net şekline çok yakın bir formdadır. Sprey şekillendirmede alaşım önce bir
indüksiyon fırında ergitilir, sonra küçük delikleri olan konik bir seramik
nozula aktarılır (Şekil-17).
Şekil-17: Sprey dökme
prosesi
Sprey dökme hızlı bir katılaştırma tekniğidir; dolaysıyla matris ve fiberler arasında kimyasal reaksiyonlar çok azalır. Ancak malzeme kalıntı porözite içerir (%5-10); gidermek için ekstruzyon prosesine gerek olur.
Karıştırmayla dökme, bir primer kompozit üretim prosesidir.
Çok basittir, çok etkindir ve ucuzdur; takviye faz (seramik tanecikler, kısa
fiberler) ergimiş metalik matrisle mekanik yöntemlerle karıştırılır (Şekil-18).
Oluşan sıvı karışıma (kompozit) konvensiyonal dökme ve metal şekillendirme prosesleri
uygulanır.
Şekil-18: Karıştırmayla
dökme prosesi
Karıştırarak dökme, partikül takviyeli MMC kütüklerin
üretiminde kullanılan en ekonomik üretim rotasıdır. Elde edilen ürün, yeniden
ergitilmeye ve/veya ikincil proseslerden (dövme, ekstruzyon, v.s.) geçirilmeye
hazır bir malzemedir. Dispers faz (seramik partiküller, kısa fiberler) ergimiş
matrisle, mekanik olarak karıştırılır. Karıştırmayla dökme metodunun tipik
karakteristikleri:
·
Takviye fazın miktarı genellikle en fazla %30
(hac.) dolayında olabilir.
·
Takviye fazın matris fazda dağılımı tam olarak
homojen değildir; kompozitte lokal bulanıklıklar (fiber demetleri) oluşabilir,
veya matris ve takviyeler arasındaki yoğunluk farklılığı nedeniyle takviye
fazda ayrılmalar gözlenebilir.
Matris yarı-katı halde olduğunda takviye fazın dağılımı daha
homojendir. Yarı-katı
matris koşullarında yapılan karıştırmayla metal kompozitleri prosesine
‘reokasting’ denilmektedir. Yarı-katı matris malzemenin viskozitesi yüksektir;
bu durum takviye malzemenin matrisle daha iyi karışmasını sağlar.
Karıştırmayla
dökme ucuz bir prosestir. Geleneksel dökme yöntemine benzer. İkincil
proseslerle farkı amaçlı malzemeler elde edilmesi mümkündür. Ancak viskozite nedeniyle takviye hacim fraksiyonu
sınırlıdır (< %30), takviye dağılımı homojen olmayabilir (toplu), kalıntı porözite
önemli seviyede olabilir. Matris ve takviyeler arasında kimyasal reaksiyon
olabilir.
Tipik
örnekler olarak SiC, Al2O3 partiküller ile takviyeli
Al-Si alaşım kütükler, fren diski verilebilir.
İnfiltrasyon, bir primer kompozit üretimimi sıvı hal
metodudur. Preform bir takviye malzeme (seramik tanecikler, fiberler, dokuma
türleri) ergitilmiş matris metale daldırılır; ergiyik dispers fazdaki (takviye)
boşlukları doldurur. İnfiltrasyon prosesinde itici kuvvet, ya takviye fazın
kapiler etkisi olabilir (kendiliğinden infiltrasyon), veya sıvı matris faza
uygulanan bir dış basınçla (gaz, mekanik, elektromagnetik, santrifüj veya
ultrasonik) sağlanabilir. Tam bir infiltrasyon bir pres veya gaz basıncı
uygulamasıyla yapılır (Şekil-19).
Şekil-19: (a)
Reaktif sıvı metal infiltrasyon prosesi, (b) Gaz basınçlı infiltrasyon prosesi
İnfiltrasyon
prosesiyle yüksek kompozit hacim fraksiyonları elde edilebilir (%50’ye
kadar). Proses süresi kısadır, yüzey arası reaksiyonlar sınırlıdır. Ürünün porözitesi
düşük olur, dolayıyla mekanik özellikleri iyidir. Prosesin dezavantajları
olarak pahalı olması, pres büyüklüğü ve kapasitesi nedeniyle üretilebilecek
ürünlerin sınırlı olması sayılabilir.
İnfiltrasyon
prosesinin uygulama alanları çeşitlidir; mikro elektroniklerde termal
kontrol malzemeleri, yüksek sıcaklık/aşınmaya maruz motor pistonlarında takviye
malzeme, güç transmisyon hatları için Al/Al2O3 kablolar,
bağlantı çubukları, v.s. gibi alanlarda kullanılabilir.
Basınçsız İnfiltrasyon:
Basınçsız infiltrasyon prosesinde fiber towlar bir sıvı metal banyosundan
geçirilir; towdaki her fiber ergimiş haldeki metali emer, metal fazlası
tarafından kurutulur ve kompozit bir tel meydana gelir. Bu teller demetinin
ekstruzyonla bir araya getirilerek konsolide edilmesiyle bir kompozit elde
edilir. Diğer bir basınçsız sıvı metal infiltrasyon prosesinde seramik preformlar
bazı reaktif metal alaşımlarla (Al-Mg gibi) infiltre edilir. Al-Mg alaşımlarla
çalışıldığında proses 750-1000 0C’de, nitrojence zengin atmosferde
yapılır; tipik infiltrasyon hızı <25 cm/saat’dir.
Gaz
Basınçlı İnfiltrasyon: Gaz basınçlı infiltrasyon, metal matris
kompozitlerin üretiminde kullanılan kuvvet uygulamalı bir infiltrasyon
metodudur; basınçlı gazla kuvvet uygulanarak ergimiş metalin preform takviyeye
giriciliği sağlanır. Bu proses genellikle büyük kompozit parçaların üretiminde
kullanılır. Fiberlerin sıcak mealle temas süresi kısa olduğundan, gaz basınçlı
infiltrasyon metodu kaplanmamış fiberlerin kullanılması mümkün kılar. Mekanik
kuvvet uygulanmadığından fiberlerin tahrip olma olasılığı da azdır.
Squeeze (Sıkma) Dökme İnfiltrasyon: Squeeze dökme
infiltrasyon kuvvet uygulamalı bir infiltrasyon metodudur.
Ergimiş metal üzerine hareketli bir kalıp parçası (ram) ile
basınç uygulanır ve sıvı metal bastırılarak, alttaki sabit kalıp parçası
içindeki preform dispers faz (takviye) içine girişim yapması sağlanır. Metal
alaşımları dökmede de benzer bir teknik kullanılır.
Squeeze dökme infiltrasyonda takviye preform faz
(tanecikler, fiberler) sistemdeki alt sabit kalıp parçasına konulur, üzerine
belirli miktardaki ergimiş metal dökülür. Kalıbın hareketli üst parçası aşağı
doğru hareket ettirilerek sıvı metal preforma infiltre edilir ve infiltre
edilen malzeme basınç altında katılaştırılır. Oluşan parça ejektör pin
vasıtasıyla kalıptan çıkarılır (Şekil-20).
Squeeze dökme infiltrasyon metodu basit ve küçük parçaların
üretiminde kullanılır. Örneğin, otomotiv pistonları alumina kısa fiberlerle
takviyeli aluminyum alaşımlarından yapılır.
Şekil-20: Squeeze dökme
veya basınçlı infiltrasyon prosesi
Şekil-21: Basınç kalıp (die) infiltrasyon
Basınçlı
Kalıp (Die) İnfiltrasyon: Metal
matris kompozitlerin üretimlerinde kullanılan sıvı faz metotlarından biri de
basınçlı die infiltrasyondur. İşlemde preform takviye faz (tanecikler,
fiberler) bir die için konulur, ergimiş metal bir basınç odacığı yoluyla döküm
deliğinden ayni die içine, hareketli bir pistonla (plunger) bastırılarak
doldurulur (Şekil-21).
Proseste takviye
malzemenin hacim fraksiyonu %50’ye kadar çıkabilir. Proses süresi kısadır, dolayısıyla
yüzey arası reaksiyonlar sınırlıdır. Porözite düşüktür, mekanik özellikler
iyidir. Ancak, pres boyutu ve kapasitesi nedeniyle malzeme boyutları
sınırlıdır.
Basınçlı kalıp
infiltrasyon mikro elektroniklerde ısıl kontrol uygulamalarında, yüksek
sıcaklık ve aşınmaya karşı motor pistonlarının kuvvetlendirilmesinde, güç transmisyon
hatları için Al/Al2O3 kablolar ve bağlantı çubukları
üretiminde kullanılır.
Depozisyon Prosesleri
MMC’lerin depozisyon teknikleriyle üretiminde bir tow içindeki fiberler
matris malzemeyle kaplanır, sonra difüzyon bonding prosesi uygulanır. Kompozit
özdeş ünitelerden oluştuğu için mikroyapısı çok homojendir. Çeşitli depozisyon
teknikleri vardır (Şekil-22).
Kaplama Prosesleri: Takviye
malzemeler üzerinin matrisinle kaplanması primer bir prosestir (örneğin, buhar
depozisyon veya elektrolitik kaplama gibi), bu işlemden sonra konsolidasyon
prosesi uygulanır.
Ko-depozisyon, depozisyon tekniklerinden biriyle matris metalinin
dispers fazla beraber çöktürüldüğü bir prosestir. Metal matris kompozit
üretiminde uygulanan üç tip ko-depozisyon tekniği vardır; buhar
ko-depozisyon, sprey ko-depozisyon, ve elektrolitik ko-depozisyon.
Şekil-22: Metal matris
kompozit (MMC) depozisyon prosesleri akım şeması
Buhar depozisyon kaplama takviye malzeme üzerinde matrisin
buhar fazda çöktürülmesine (depozisyon) dayanan primer metotlardır.
Buhar ko-depozisyon maddelerin buhar (vapor) halde
kullanıldığı bir grup metotlardır; fiziksel buhar depozisyon (PVD), kimyasal
buhar depozisyon (CVD), direkt buhar depozisyon (DVD).
Bu metotlarda, bir substrat yüzeyi üzerinde buhar
kondensasyonu veya kimyasal reaksiyonla, kaplanmış katı malzeme elde edilir.
Buhar ko-depozisyon fiberlerin kaplanmasında kullanılan bir metottur;
çok-tabakalı depozisyonlar, nanoyapılı kompozitler üretilebilir.
Sprey ko-depozisyon, sıvı metal damlacıkların ve seramik
partiküllerin bir substrat üzerinde ko-depozisyonudur. İki şekilde yapılabilir;
damlacıklar akımı ergimiş bir metal banyodan sağlanabilir, veya soğuk metal
sürekli olarak süratle ısıtılan bir bölge içine sürekli beslenir.
Hızlı bir katılaştırma tekniğidir; kimyasal bileşimine bağlı
olmaksızın matris ve fiberler arasındaki kimyasal reaksiyonlar sınırlıdır.
Kalıntı porözite (%5-10) ekstruzyon işlemiyle giderilir.
Plazma sprey,
foil-fiber-foil metodunun başka bir tipidir. Bu yöntemde tek tabakalı
monofilament fiberler veya sürekli fiber towlar matris metalle spreylenir
(plazma sprey) ve sonra istiflenir ve difüzyonla-bağlanır, uygun bir biçimde
sıcak presleme yapılır. Ergimiş metal matrisin atomizasyonu termal sprey
tekniğiyle yapılır. Plazma sprey metoduyla net-şekle çok yakın formda MMC’ler
üretilebilir.
Sprey ko-depozisyonun tipik uygulamaları arasında, silikon
karbid (SiC) takviyeli aluminyum matris malzemeler ve tungsten karbid-kobalt
(WC-Co) kompozitler (yüksek hız oksifuel sprey, HVOS) sayılabilir. Geleneksel
metotlarla üretilen WC-Co kompozitlere kıyasla sprey ko-depozisyon yöntemi daha
ucuzdur.
Elektrolitik Kaplama:
Primer bir kompozit prosesidir; matrisin çözeltiden elektrokimyasal yöntemlerle
takviye malzemeler üzerinde çöktürülmesidir.
Elektrolitik
Ko-depozisyon: Primer bir kompozit proses metodudur; matris metali takviye
bileşenlerini içeren bir çözeltiden elektrolitik olarak çöktürülür; bu durumda
takviye malzeme çökelen metal tabaka içinde tutulur.
İki-Faz (Katı-Sıvı) Prosesleri
İki-faz proseslerinde seramik ve matris, faz diyagramının
matrisin hem katı ve hem de sıvı halde olduğu bir bölgesinde karıştırılırlar.
MMC’lere uygulanan iki-faz prosesleri: Osprey depozisyon, Reokasting ve Çok
fazlı malzemelerin değişken ko-depozisyonu (VCM)’dur.
Bu proseste partikülat takviye malzemeler ergimiş bir metal
alaşımı akımı içine konulur, sonra inert gazla atomize edilir. Püskürtülen
karışım, çubuk formdaki takviyeli bir metal matris malzeme üzerinde toplanır
(Şekil-23). (Proses MMC toz proses harmanlama ve konsolidasyon aşamalarına
benzer.)
Şekil-23: Osprey
depozisyon prosesi
Kompokasting (kompozisyon dökme), karıştırmayla dökme
metodunun bir başka tipidir; bu proseste metal yarı-katı halde bulunur.
İnce seramik partikülatlar, metalik alaşıma, alaşımın
katı-sıvı halde olduğu bir sıcaklık aralığında ilave edilir ve karışım
viskozitesi düşük bir slurry forma gelinceye kadar çalkalanır. Seramik partiküller,
matris katı faz d içerdiğinden birbirlerine yapışmadan ve çökelmeden mekanik
olarak dağılır, sıvı matrisle bağlanacak etkileşime girer. Bu metot süreksiz
fiberli kompozit üretiminde uygulanan en ekonomik fabrikasyon prosesidir.
Proses, dökümcülükte uygulanan sıcaklıklardan daha düşük
sıcaklıklarda yapılır, dolayısıyla takviye malzeme yüzeyinin termokimyasal
parçalanması azaltılır. Konvensiyonal dökümcülük metotları kullanılabilir. Ancak, fiberler arasındaki kalıntı
gözenekler tamamen giderilemez.
Çok fazlı malzemelerin değişken ko-depozisyonu prosesinde
matris malzeme, yüksek-hızlı inert gaz jetiyle ince damlacıklar şeklinde
dağıtılır. Bu atomize edilmiş dispersiyonun içine bir veya aha fazla jetle
kuvvetlendirici takviye fazlar injekte edilir.
Sistem, takviye partikülatların kısmen katı matrisle temas
süresini ve termal etkileşimini en aza düşürecek ve kontrol edilebilecek
şekilde dizayn edilir. Ayrıca proses süresince çevresel etkiler kontrol altında
tutularak matrisin oksidasyonu en aza düşürülür.
In Situ (Yerinde) Prosesler
In-situ metal matris kompozit prosesinde takviye malzemenin
faz veya şekli değişir. Örneğin, TiBr2, bazı metallerin içinde
karbon ilave edildiğinde reaksiyona girerek TiC’e dönüşür. Şekli ve/veya
kompozisyonu değişse bile bileşenler takviye ve matris özelliklerini korur.
MMC in situ proseslerde, takviye malzeme (dispers faz)
matris içinde şekillendirilir; takviye faz, soğuyup katılaşan ergiyikten
çökelir. İn situ metotlarıyla çeşitli metal matris kompozitler üretilebilir:
Partikülat In Situ MMC: In situ
sentezlenmiş taneciklerle takviyeli partikülat kompozittir. Örnek: Titanyum
borid (TiB2) takviyeli aluminyum matris ve Mg2Si
taneciklerle takviyeli magnezyum matris kompozitler.
Kısa-Fiber Takviyeli In Situ MMC:
Kısa-fiberli kompozitlerdir; takviye faz in situ sentezlenmiş kısa-fiberler
veya whiskerlerdir (kısa fiber şeklinde tek kristaller).
Örnek: Titanyum borid (TiB2) whiskerlerle
takviyeli titanyum matris ve titanyum aluminyum (TiAl3) whiskerlerle
takviyeli aluminyum matris kompozitler.
Uzun-fiber takviyeli in situ MMC:
Uzun-fiberli kompozitlerdir; takviye faz in situ sentezlenmiş uzun-fiberlerdir.
Örnek: Mo (NiAl-9Mo alaşım) uzun fiberlerle takviyeli nikel-Aluminyum (NiAl)
matris kompozit. In situ metal matris kompozitlerdeki dispers fazlar intermetalik
bileşikler, karbidler, boridler, oksitler, eutektik bileşenlerin biri olabilir.
Şekil-24: Tek-yönlü
katılaştırmayla in situ MMC üretimi
In situ sentezlenmiş tanecikler ve
fiberler, diğer metotlarla sentezlenen takviye fazlardan daha küçüktür; küçük
tanencikler daha iyi kuvvetlendirme etkisi gösterirler. Takviye faz
taneciklerin daha homojen dağılmasını sağlar. In situ şekillendirilen takviye
faz tanecikler ve matris arasında oluşan bağlanma (adezyon) daha iyidir. Üretim
cihazları ve teknolojisi daha ucuzdur.
Takviye fazın seçiminin, partiküler matriste çökelmesinin
termodinamik olarak yönlenmesi nedeniyle sınırlıdır ve tanecik boyutları
ergiyiğin katılaşma koşullarına göre değişir.
Bir
Eutektik Alaşımın Tek-Yönlü (Unidirectional) Katılaştırılması: Bu işlemle, komponentlerden birinin
uzun-sürekli filamentler şeklinde olduğu eutektik yapı meydana gelir. Eutektik
alaşımın bulunduğu kröze aşağı doğru hareket eder (veya alternatif olarak
indüksiyon sarımlar yukarı çıkabilir). Bu hareket, tekrar-ergimeye neden olur;
takiben, kontrollü soğutma koşulları altında alaşım tekrar-katılaştırılır.
Takviye Malzemesi
|
|||||
Sürekli
|
Süreksiz
|
||||
Yöntem
|
Mono-filament
|
Multi-filament
|
Staple fiber
|
Whisker
|
Partikülat
|
Squeeze infiltrat preform
|
az geçerli
|
geçerli
|
geçerli
|
geçerli
|
az geçerli
|
Sprey kaplama, ko-depozit
|
geçerli
|
geçerli
|
U.D.
|
U.D.
|
geçerli
|
Karıştırma ve dökme
|
U.D.
|
U.D.
|
az geçerli
|
az geçerli
|
geçerli
|
Toz premiks ve ekstrud
|
U.D.
|
U.D.
|
geçerli
|
geçerli
|
geçerli
|
Slurry kaplama, sıcak pres
|
az geçerli
|
geçerli
|
U.D.
|
U.D.
|
U.D.
|
Yarılma arası (intercleave) ve difüzyon bağlanma
|
geçerli
|
U.D.
|
U.D.
|
U.D.
|
U.D.
|
U.D. = uygun değil
Tablo-12: Metal Matris Kompozit
Tekniklerinin Kıyaslanması
Yöntem
|
Uygulama
|
Açıklama
|
Difüzyon bağlanma
|
Levhalar, bıçaklar, vana şaftları, yapısal
komponentler
|
Folyo veya levha matris, filament takviye
|
Toz metalürji
|
Özellikle küçük malzemeler (genellikle yuvarlak),
kemerler, pistonlar, valfler, yüksek-kuvvette ve ısıya dirençli malzemeler
|
Matris ve takviye tozdur. Partikülat takviye için
en iyisi yöntemdir. Ergime olmadığından reaksiyon yoktur, kompozitlerin
kuvveti yüksektir.
|
Sıvı metal infiltrasyon
|
Çubuklar, tüpler, uniaksiyal yönlü kirişler gibi
yapısal şekiller
|
Filament takviye kullanılır
|
Squeeze dökme
|
Otomotiv endüstrisi: Pistonlar, bağlantı
çubukları, kavrama kolu, silindir kafaları, v.s.
|
Genellikle herhangi bir tip takviyeye
uygulanabilir ve büyük boyutlu malzemelerin üretiminde kullanılabilir.
|
Sprey dökme
|
Sürtünme malzemeleri, elektrikli fırçalar ve
kontaklar, kesme ve öğütme aletleri
|
Partikülat takviye kullanılır. Çok yoğun
malzemeler yapılabilir.
|
Kompdökme-Reodökme
|
Otomotiv, uzay, endüstriyel, spor malzemeleri,
yatak (bearing) malzemeleri
|
Süreksiz fiberler için uygundur, özellikle
partikülat takviye kullanılır.
|
Sürekli ve süreksiz takviyeli metal matris kompozitlerin
üretiminde kullanılan proseslerden difüzyon prosesleri, depozisyon prosesleri
ve sıvı prosesler Şekil-25’de şematik olarak gösterilmiştir.
Şekil-25: Metal matris kompozit üretiminde kullanılan prosesler
