Combination of cold spray and micro-arc oxidation methods to fabricate a wear resistant multilayer coating on AZ31 alloy
AZ31 alaşımı üzerinde soğuk sprey ve mikro-ark oksidasyon yöntemlerinin kombinasyonuyla aşınmaya dayanıklı çok katmanlı kaplama fabrikasyonu
- Tez No: 997097
- Danışmanlar: PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU, DOÇ. DR. SEZGİN CENGİZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Magnezyum, Dünya üzerinde yaygın olarak bulunan, yer kabuğundaki cevher miktarının yaklaşık %2,77'sini kapsayan bir elementtir. Türkiye, Dünya'daki en büyük dördüncü magnezyum rezervine sahip olmasıyla, küresel pazarda üretim gücü yüksek ve stratejik bir oyuncu olarak yer almaktadır. Magnezyum alaşımları, otomotiv ve havacılık endüstrilerinde ilgi çekici özellikleri nedeniyle sıklıkla kullanılmaktadır. Yüksek spesifik mukavemetleri sayesinde yeni çıkarılan yönergelere uygunluk sağlanabilmesi (sürdürülebilirlik, yeşil mutakabat) adına ağırlık azaltımına ve böylelikle yakıt tüketimi ve CO2 emisyonunun azaltılmasına katkıda bulunmaktadırlar. Otomotiv alanında motor kapaklarından jantlara, şase ve yapısal elemanlara kadar yayılan uygulamaları bulunmaktadır. Havacılıkta ise dişli kutuları ve elektronik şaseleri gibi elemanlar örnek kullanım alanlarından sadece birkaçıdır. Magnezyum alaşımlarının daha da yaygınlaşmalarının önündeki büyük engellerden biri potansiyel kullanım alanlarında talep edilen mukavemet ve aşınma özelliklerini karşılayamaması ve düşük mekanik ve yüzey özellikleri göstermesidir. Bu sebeplerden ötürü aşınma ve oksidasyon magnezyum alaşımlarında yaygın olarak gözlenmektedir. Bu alaşımların yüzey özelliklerinin iyileştirilmesi amacıyla yüzey modifikasyon teknikleri en sık başvurulan çözüm yöntemlerindendir. Magnezyum alaşımlarına uygulanan yüzey modifikasyon yöntemleri arasında soğuk spreyleme prosesi, altlık malzemenin mikroyapısını termal etkilerden koruyarak maliyet etkin ve fonksiyonel çözümler sunmaktadır. Bu teknolojinin bir türevi olan düşük basınçlı soğuk spreyleme yöntemi; herhangi bir gaz ısıtıcıya gereksinim duymadan, sıkıştırılmış hava aracılığıyla Al ve Cu gibi sünek elementleri yüksek hızlarda yüzeye çarptırarak biriktirme sağlamaktadır. Bu yöntem; karmaşık ekipman kurulumu gerektirmemesi, ekonomik işletme maliyetleri ve uygulanabilirliği ile öne çıkmaktadır. Diğer taraftan elektrokimyasal bir işlem olan mikro-ark oksidasyon (MAO), oda sıcaklığında alaşımları kendi oksitleriyle ve kaplama elektroliti içerisinde bulunan yapılar ile birleştirerek karmaşık oksitli bileşikler oluşturabilmektedir. MAO yöntemi, hafif metaller üzerinde sert ve aşınmaya dayanıklı ve korozyona dirençli oksit tabakaların geliştirilmesi adına çevre dostu bir alternatif olarak dikkat çekmektedir. Altlık malzeme üzerinde olumsuz etkilere sebep olmayışı da çekici özellikleri arasında bulunmaktadır. Literatürde hafif metaller üzerinde aşınma uygulamaları için MAO yöntemini kapsayan çalışmalar git gide popülerite kazanmaktadır. MAO işlem parametreleri (elektrolit bileşimi, potansiyel, süre vb.) optimize edilerek üretilen kaplamaların sergilediği mekanik, yapısal ve fonksiyonel özelliklerin incelenmesi literatürde önemli yer almaktadır. Ayrıca MAO işlemi ile soğuk spreyleme işlemlerinin ardışık olarak uygulanması da sert oksit tabakasının altında yüksek yük taşıma kabiliyetine sahip bir katman oluşturularak aşınma dayanımının arttırılmasına olanak sağlayarak yüksek yüzey mekanik dayanımı gerektiren mühendsilik uygulamalarına bir çözüm sunmaktadır. Bu kapsamda gerek monolitik Al, gerek Al matrisli kompozit soğuk sprey tabakalarının MAO prosesine tabi tutulmasıyla oluşan oksit kaplamaların yüzey özelliklerinin hedeflenen amaca yönelik optimizasyonu ve çok fazlı oksit katmanlarının sentezi öne çıkmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında magnezyum alaşımlarının yüzey özelliklerini iyileştirmek amacıyla soğuk spreyleme ve MAO işlemleri ardıl olarak uygulanmıştır. Soğuk spreyleme işlemi için seçilen Al matrisli Al2Zr intermetalik takviyeli kompozit sistem, geleneksel seramik takviyeli kaplamalara göre stratejik avantajlar sunmaktadır. SiC, TiB2 veya Al2O3 gibi yaygın seramik parçacıkların alüminyum matris ile olan zayıf ıslanabilirliği, arayüzeyde bağlanma sorunlarına ve yapısal süreksizliklere yol açarken; Al2Zr intermetaliğinin metalik karakteri matris ile mükemmel bir kimyasal ve kristalografik uyum sağlamaktadır. Bu uyum, seramik takviyelerde zorunlu olan ve süreci karmaşıklaştıran ikincil yüzey aktivasyon işlemlerine duyulan ihtiyacı ortadan kaldırarak, yöntemi daha ekonomik, uygulaması daha basit ve erişilebilir kılmaktadır. Soğuk spreyleme esnasında yüksek hızla yüzeye çarpan bu intermetalik fazlar, matris içinde homojen dağılarak altlık malzemenin mikroyapısını bozmadan fonksiyonel bir tabaka oluşturmaktadır. Sürecin devamında uygulanan MAO işlemi açısından Al2Zr seçimi, nihai kaplamanın mekanik karakteristiği üzerinde belirleyici bir rol oynamaktadır. MAO sonucunda oluşan Al2O3 esaslı seramik tabaka doğal olarak yüksek sertliğe ancak düşük tokluğa sahip olup çatlak ilerlemesine karşı hassastır. Kaplama yapısına dahil edilen Al2Zr intermetaliğinin oksitlenmesi ile elde edilecek yapılar, seramik matris içerisinde tokluğu (çatlakların ilerlemesini engelleyerek) ve yapının aşınma direncini iyileştirici iyileştirici etkiye sahip olacaktır. Bu sinerjiyle, hem üretim aşamasındaki teknik handikaplar aşılmakta hem de magnezyum alaşımlarının yüzey sertliğini ve aşınma direncini artıracak çok katmanlı, yüksek performanslı bir yüzey modifikasyonu gerçekleştirilmektedir. Literatürde Al2Zr intermetalik bileşiğinin soğuk sprey ve MAO davranışı üzerine odaklanan çalışmalar ile karşılaşılmamıştır. Bu çalışmada, düşük basınçlı soğuk sprey yöntemiyle Al matris içerisine sert takviye faz olarak Al2Zr intermetalik partikülleri hacimce %0, %20 ve %40 oranlarda takviye edilmiş, ikincil işlem olarak MAO uygulanmasıyla AZ31 alaşımının aşınma direncini arttırmak ve zirkonya ile toklaştırılmış alümina (ZTA) bölgeleri oluşturmak hedeflenmiştir. Ticari Al ve laboratuvarda vakum ark ergitme yöntemiyle sentezlenmiş Al2Zr tozları soğuk spreyleme yöntemiyle AZ31 üzerinde biriktirilmiş, alüminat esaslı elektrolit içerisinde MAO yöntemine tabi tutulmuştur. Ayrıca soğuk sprey kaplamanın ve MAO modifikasyonunun kademeli olarak etkilerini kıyaslayabilmek adına işlemsiz AZ31 ve MAO uygulanmış AZ31 numuneleri de hazırlanmıştır. Üretilen numunelerin yapısal karakterizasyonu optik mikroskop, X-ışını difraktometresi ve enerji dağılım spektroskopisi donanımlı taramalı elektron mikroskobu (SEM EDS) ekipmanlarıyla çalışılmıştır. Mekanik karakterizasyon adımları, kesit numunelerinden alınmış Vickers mikro sertlik ölçümlerini ve kuru ortamda gerçekleştirilmiş, alümina bilyaya karşı lineer kuru kaymalı aşınma testlerini içermektedir. İleri-geri salınım hareketi yapan, düz yüzeyde (ball-on-flat) sürtünmeli hareket konfigürasyonundaki aşınma cihazıyla oda sıcaklığında 3 N yükte gerçekleştirilerek numunelerin aşınma davranışı incelenmiştir. Aşınma izleri SEM ve 2 boyutlu yüzey profilometresi kullanılarak incelenmiş, aktif aşınma mekanizması ve spesifik aşınma hızı değerleri belirlenmiştir. Soğuk spreyle kaplanmış numunelerin yapısal karakterizasyonu sonucunda çift fazlı Al/Al2Zr kaplamaların empürite ve kontaminasyon bulunmadan başarıyla biriktirildiği tespit edilmiştir. Soğuk sprey içerisine karıştırılan sert takviye partiküllerin porozite miktarının düşürülmesine yol açtığı görülmüştür. Kesit incelemeleri sonucunda Al2Zr partiküllerinin biriktirme esnasında gevrek yapısı nedeniyle kırıldığı ve ufalandığı gözlenmiştir. Soğuk spreylenmiş numunelerin ortalama sertlik ölçümleri %40 hacim oranında takviye içeren numunede 96 HV0.3, %20 hacim oranında takviye içerende 69 HV0.3 ve takviye içermeyen tek fazlı alüminyum kaplamada ise 59 HV0.3 olarak sonuçlanmıştır. Soğuk spreyle kaplanmış hacimce %40 takviye parçacık içeren numunenin, aşınma esnasında yüzeyde meydana gelen plastik deformasyonu azaltarak işlem görmemiş AZ31 alaşımına kıyasla 4 kat daha yüksek aşınma direnci sergilediği belirlenmiştir. Öte yandan takviyesiz ve hacimce %20 takviye edilen soğuk sprey numunelerinin tamamen aşındığı ve aşınma direncini arttırmakta başarısız olduğu görülmüştür. Karşı yüzeye gerçekleşen malzeme transferi ve aşınmış yüzey görünümleri düşünüldüğünde, hem takviyesiz hem de Al2Zr takviyeli kompozit soğuk sprey kaplamalarının gösterdiği aşınma davranışının adhezif aşınma olduğu tespit edilmiştir. MAO prosesi sonrasında AZ31 üzerinde oluşan oksit katmanının MgO ve MgAl2O4 spinel oksit yapılarından oluştuğu, partikül takviyesiz numunenin alümina (-Al2O3, -Al2O3) fazlarını, partikül takviyeli soğuk sprey numuneleri üzerinde oluşan oksit katmanının ise Al ve Zr esaslı oksit yapılarını (-Al2O3, -Al2O3, t-ZrO2 ve m-ZrO2) içerdiği görülmüştür. Yüzey ve kesit EDS çalışmaları Al oksitlerin Al matris üzerinde, Zr oksitlerin ise Al2Zr partikülleri üzerinde büyüdüğü belirlenmiştir. MAO kaplama yapısına katılan Zr miktarının artması ile oksit tabakasının yüzey pürüzlülüğünün ve porozitesinin azalma eğiliminde olduğu tespit edilmiştir. Öte yandan, Zr miktarının artması MAO kaplama yüzeyinde mikro-çatlakların miktarını arttırmıştır. Aşınma testleri, partikül takviyesiz soğuk sprey numunenin üzerinde oluşturulan MAO kaplamanın aşındığını, Zr takviyeli MAO numunelerinin ve AZ31 MAO numunelerinin ise bütünlüğünü koruduğunu ortaya çıkarmıştır. Bütünlüğünü koruyan MAO kaplanmış numunelerin soğuk spreylenmiş numunelere kıyasla AZ31 alaşımının aşınma direncini 1000 kattan daha fazla arttırdığı gözlenmiştir. MAO kaplanmış numunelerin aşınma testlerinde kullanılan karşıt yüzey incelendiğinde herhangi bir malzeme transferi tespit edilememiş, abrazif aşınmaya işaret eden çizikler görülmüştür. Bütünlüğünü koruyan MAO kaplanmış numunelerin aşınma yüzeylerinde ise mikro-çatlaklar ve bölgesel dökülmelerin varlığı dikkat çekmektedir. Bu doğrultuda MAO kaplanmış numunelerde baskın aşınma mekanizması yorulma aşınması (mikro-çatlama) olarak belirlenmiştir. AZ31 alaşımının üzerinde oluşturulan MAO kaplamanın aşınma yüzeyinde Zr içeren MAO kaplamalara kıyasla daha yoğun çatlama bölgeleri görülmüştür. Bununla uyumlu olarak soğuk spreyle üretilmiş Al/Al2Zr kompozit katmanları üzerinde oluşturulan Zr içeren MAO kaplamalar Mg esaslı MAO kaplamaya kıyasla %30'dan daha yüksek aşınma direnci sergilemiştir.
Özet (Çeviri)
Magnesium alloys are widely used in automotive and aerospace industries. Owing to their high specific strength, weight reductions in order to decrease CO2 emmissions are possible. Applications range from engine covers to wheels and structural members in the automotive industry and gearboxes and electronic housings in aerospace can be given as examples. However, main problems inhibiting the adoption of magnesium alloys further is their low mechanical and surface properties. Due to these, wear and oxidation is prevalent in magnesium alloys. In order to increase these properties, surface modification techniques are widely studied. Among the various surface treatment methods, cold spray process allows the deposition of metallic or metal matrix composite coatings on the substrate without altering the microstructural properties of the substrate material and offers a cheap and functional solution to surface modification. There are various studies in the literature employing hard particles within a ductile matrix in order to improve wear resistance of the substrate. Micro arc oxidation (MAO) method offers an environmentally friendly solution to hard and wear resistant coatings by forming an oxide layer on the substrate. Studies on MAO for wear related applications are increasingly becoming popular. Among these studies, applications of MAO on a cold spray deposited surface is emerging as a new trend. Subsequent applications of cold spray and MAO enables a hard coating with an underlayer with increased load carrying capability. In this study, subsequent applications of cold spray and MAO has been conducted in order to increase the surface properties of magnesium alloys. The chosen composite coating system for cold spray process consisted of Al as a matrix and Al2Zr intermetallic compound as the reinforcing particle. This system presents strategic advantages over conventional ceramic reinforced coatings such as SiC, TiB2 or Al2O3. Low wetting characteristics of these particles leading to interfacial bonding problems and structural discontinuities in the Al matrix whereas Al2Zr particle posess a metallic character that enables excellent chemical and crystallographic coherency with Al matrix. This coherency eliminates any secondary surface activation step that is mandatory for ceramic reinforcements and makes the process more cost efficient, simpler and available. The intermetallic phases which impact the surface with high velocity during cold spraying, homogenously distribute within the Al matrix and form a functional layer on the surface without altering the substrate microstructure. The choice of Al2Zr for the MAO process also plays a determining role over the coating's mechanical characteristics. Al2O3 based ceramics formed by MAO naturally posess high hardness and low fracture toughness. This makes the Al2O3 susceptible to crack propagation. The structure to be achieved through the oxidation of Al2Zr intermetallic compound, especially ZrO2, is expected to increase the toughness within the ceramic matrix and improve wear resistance. This multiple coating synergy can be a promising technical solution to improve surface hardness and wear resistance of magnesium alloys. To the best knowledge of the author, no studies have been encountered in the literature focusing on the investigation of Al2Zr intermetallic compound's cold spraying and MAO behaviour. In this study, Al2Zr has been incorporated into the cold spray Al matrix as a hard reinforcing phase with 0 vol. %, 20 vol. % and 40 vol. % ratios and subsequently MAO process has been successfully applied with the aim of increasing wear resistance of the AZ31 magnesium alloy and fabricating zirconia toughened alumina (ZTA) regions with the MAO process. Commercial Al and laboratory synthesized Al2Zr powders via vacuum arc melting method were used with cold spray deposition while the MAO process is applied in an aluminate based electrolyte. In order to compare the structural and mechanical behaviours of cold spray coating and MAO modification, AZ31 alloy was also subjected to the MAO process in same condition. Structural characterization of the fabricated samples was done by optical microscope, X-ray diffractometer and an energy dispersive spectroscopy equipped scanning electron microscope (SEM EDS). Mechanical characterization steps involved Vickers micro hardness measurements on cross sectional cold sprayed samples and dry sliding wear tests, which were conducted on a linear reciprocating ball-on-flat tribometer against alumina ball counterface. The tests were conducted at room temperature under testing load of 3 N. After wear tests, wear tracks of the samples were examined with an SEM and a 2-D surface profilometer in order to determine the active wear mechanism and specific wear rates, respectively. Structural characterization of the cold sprayed samples revealed that the single phased Al and dual phased Al/Al2Zr composite coating was successfully deposited without impurities and contamination. Hard Al2Zr particles enabled the reduction of porosity within the cold spray coating. Through cross sectional examinations, Al2Zr particles has been found to fracture and crumble upon impact due to their brittle nature. Average hardness values of the composite cold sprayed coatings was measured as 96 HV0.3 for the 40 vol.% reinforced one and 69 HV0.3 for the 20 vol.% reinforced one while the single phase Al cold spray coating has a hardness of 59 HV0.3. Wear behaviour of the cold spray coatings showed that the 40 vol. % reinforced sample increased the wear resistance by 4-times through reducing the plastic deformation on the surface. On the other hand, unreinforced and 20 vol. % reinforced cold spray samples have been completely worn and failed to increase the wear resistance of AZ31 alloy. Considering the material transfer towards the counterface and the worn surface appearance; dominant wear mechanism was determined as adhesive wear for unreinforced and Al2Zr reinforced cold spray samples. After the MAO process, the resultant oxide layer on AZ31 alloy consisted of MgO and MgAl2O4 spinel oxides, oxide layer of the unreinforced cold spray sample consisted of alumina (-Al2O3, -Al2O3) phases and oxide layer of the particle reinforced cold spray samples consisted of Al and Zr based oxide structures (-Al2O3, -Al2O3, t-ZrO2 and m-ZrO2). Surface and cross sectional EDS studies revealed that the Al oxide is grown from the Al matrix and the Zr oxides evolved from the Al2Zr particles. With the increasing contribution of Zr into the MAO oxide, the resulting surface roughness and porosity exhibited a decreasing trend. On the other hand, surface micro-cracking of the MAO layer increased with increasing content of Zr. The wear test results revealed that while the MAO coating formed on the unreinforced cold spray layer was worn, Zr reinforced MAO samples and the AZ31 MAO sample retained their integrities under sliding contact. MAO samples which retained their integrity during wear tests increased the wear resistance of AZ31 alloy more than 1000-times when compared with cold sprayed samples. When the contact surfaces of the counterfaces slid against MAO coated samples were investigated, no material transfer has been found while scratches indicating abrasive wear have been identifed. MAO coated samples with sound integrity showed micro-cracking and local superficial spallation in the wear track. In this respect, the dominant wear mechanism of MAO coated samples was determined as fatigue wear (micro-cracking). MAO coating formed on AZ31 alloy exhibited more cracking in the wear track when compared with Zr containing MAO coatings. In accordance with this observation, MAO coatings formed on cold spray processed Al/Al2Zr composite layers showed more than 30% increase in wear resistance when compared with Mg based MAO coating.
Benzer Tezler
- Makro besin elementlerinin (NPK) İzmir'de Mayıs ayında açığa dikilen 4-6 cm çevre büyüklüğündeki Gladiolus cinsine ait“hunting song”ve“Novalüx”kültür çeşitlerinin yumrularının gelişmeleri üzerine etkileri
Başlık çevirisi yok
TAHA ALİ AMEN
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
ZiraatEge ÜniversitesiPeyzaj Mimarlığı Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ADNAN HATİPOĞLU
- Dokuma kumaşlarda örgü tipinin ham kumaşın boyutları ve geometrik özellikleri üzerindeki etkilerinin araştırılması
Başlık çevirisi yok
EMEL ÖNDER
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
Tekstil ve Tekstil MühendisliğiEge ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜNGÖR BAŞER
- İki katlı pamuk ipliklerinden dokunan kumaşlarda örgüye bağlı olarak maksimum atkı sıklığının değişimi üzerinde bir araştırma
Başlık çevirisi yok
MELTEM ASLI NARTER
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
Tekstil ve Tekstil MühendisliğiEge ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜNGÖR BAŞER
- Karıştırıcılar ve karıştırma kabındaki akım olaylarının incelenmesi
Başlık çevirisi yok
NADİR İLTEN
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
Makine MühendisliğiUludağ ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. ÖMER SAMİH MERTBAŞ