METAL MATRİSLİ KOMPOZİTLER

• Metal matrisli kompozit malzemeler, istenen ve gerekli

özellikleri sağlamak üzere en az biri metal olan iki veya daha fazla farklı malzemenin sistematik bileşimiyle

üretilen yeni malzemelerdir.• Metal matrisli kompozit

malzemeler tek bileşenli alaşımlarla elde edilemeyen

özellikleri sağlamak amacıyla bir metal matris içinde sürekli veya kısa fiber veya partikül şeklinde

takviye fazı içerir. • Matris, takviye fazını bir arada

tutmaya yarayan bağlayıcı gibi davranır ve asıl işlevi katkı fazına

yükü iletmektir.

SiC partikül takviyeli biyel kolu

Grafit ve alümina takviyeli Alüminyum

metal matrisli kompozit motor bloğu

• Partikül Takviyeli• Kısa Fiber Takviyeli • Sürekli Fiber Takviyeli

• Partikül esaslı metal matrisli kompozitler, düşük maliyetli, rijit ve izotropik özellikler gösterirler. Ancak kopmadaki şekil değişimi ve kırılma tokluğu değerleri düşüktür• Kısa fiber takviyeli kompozitler partikül esaslı olanlara göre daha pahalı ancak daha mukavemetlidir• Sürekli fiber takviyeli metal matrisli kompozitler ise en yüksek mukavemet ve elastiklik modülüne sahiptirler ancak anizotropik özellik gösterirler ve üretim maliyetleri yüksektir.

Metal Matrisli Kompozitlerde Kullanılan Matris Malzemeleri

• Metal matrisli kompozit malzemeler için matris malzemesi olarak genellikle hafif metaller tercih edilir.• Matris malzemesi olarak düşük yoğunluk ve ergime sıcaklıkları nedeniyle alüminyum ve alaşımları ilk sırayı almaktadır.• Yüksek aşınma dayanımı ve düşük sürtünme değerleri için Al-Si alaşımları, düşük yoğunluk ve yüksek termal iletkenlik için Al-Mg ve Al-Cu alaşımları matris olarak kullanılabilir.• Alüminyum ve alaşımları dışında en çok titanyum ve magnezyum alaşımları,elektronik sistemlerde bakır alaşımları kullanılır.

Metal Matrisli Kompozitlerde Kullanılan Takviye Elemanları

• Kullanım yerine bağlı olarak metal matrisli bir kompozitte takviye elemanından beklenen temel özellikler; yüksek modül ve dayanım, düşük yoğunluk, matris ile kimyasal uyumluluk, üretim kolaylığı ve yüksek sıcaklıkta dayanımını muhafaza etmesidir.• Metal matrisli kompozitlerde en çok kullanılan takviye elemanları Al2O3 , SiC, TiC, bor ve karabondur.• Uygulamada mukavemetin yüksek olması gerektiği durumlarda kısa fiberlerli kompozitler kullanılır. Rijitlik ve mukavemetin en iyi kombinasyonu ise anizotropik özelliklere ve en önemlisi de yüksek maliyete sahip sürekli fiber katkılı metal matrisli kompozitler verir.

Metal Matrisli Kompozitlerin Avantajları

• Yüksek mukavemet / yoğunluk oranı ( spesifik mukavemet )• Yüksek elastik modülü / yoğunluk oranı ( spesifik modül )• Yüksek yorulma direnci• Birçok ortamda korozyon dayanımlarının yüksek oluşu• Şekillendirilebilme özelliklerinin iyi olması• Yüksek sıcaklıklarda mukavemetini koruyabilme ve düşük sürünme oranı gibi iyi yüksek sıcaklık özellikleri • Kaynak ve diğer yöntemlerle kolaylıkla birleştirilebilmeleri

Metal Matrisli Kompozitlerin Dezavantajları

• Sürekli fiber takviyesinin söz konusu olduğu durumlarda zor ve karmaşık üretim prosesleri

• Metallere göre sünekliğin belli oranda azalması

• Yüksek maliyetli üretim sistemi ve teçhizat

• Yeni gelişen bir teknoloji olması nedeniyle firma ve üreticilerin deneyimsiz oluşu.

Metal Matrisli Kompozit MalzemelerinUygulama Alanları

• 80’li yılların başında belli sektörlerdeki gelişmeler, özellikle gelişmiş motorlar ile havacılık ve uzay araçları üretimi için yüksek sıcaklık malzemelerine olan gereksinim, metal matrisli kompozitmalzemelere olan ilginin artmasında başlangıç noktası oluşturmuştur.• Metal matrisli kompozit malzemeler halen pahalı olmalarına karşın, metaller veya plastik matrisli kompozitlerle karşılanamayan yüksek teknolojiye dayalı gereksinimler bu malzemelerle karşılanabilmektedir.• Dünya pazarında en büyük payı alüminyum metal matrisli kompozit malzemeler almaktadır.

Karbon fiber katkılı Mg matrisli kompozit uydu destek parçaları

Uzay mekiği gövdesinde kullanılan bor fiber takviyeli alüminyum tüpler

• P100 karbon fiber katkılı 2024 Al alaşımı kompoziti , 1000 ısıl çevrim sonrası bileşekil değişimi göstermemektedir. Bu metal matrisli kompozitler özel işlem süreçlerisonrasında, boyutça kritik uzay yapıları için mükemmel malzemeler halinegelmişlerdir.

• Jet motorları, fan kanatları, uçak kanatlarının yüzeyleri ve yapı destekleri, iniş takımıparçaları, bisiklet iskeleti ve golf sopaları gibi alanlar sürekli bor fiber katkılı metalmatrisli kompozitlerin diğer uygulama alanlarıdır.

• Otomotiv endüstrisinde metal matrisli kompozit malzemelerin üretiminde veuygulanmasında öncü olan Japon Toyota firması alümina fiber katkılı dizelmotor pistonlarını yaklaşık olarak 20 yıldır üretmektedir. Bilineceği gibi buuygulamada hafiflik, spesifik modül ve mukavemet, yorulma özellikleriylebirlikte aşınma direnci önemlidir. Bu konu üzerinde yoğun araştırmalaryapan diğer bir firmada Honda firmasıdır .

Partikül, Kısa Fiber ve Whisker Takviyeli Metal Matrisli Kompozit Malzeme Uygulamaları

• Savaş uçaklarının gövde, kanat ve kuyruklarında kullanılabilecek SiC whisker katkılı metal matrisli kompozit malzemeler bazı firmalar tarafından üretilmektedir. Askeri amaçlı yapı, örneğin güdümlü füze uygulamalarında parçalarda hafiflik, boyut kararlılığı ve gövdedeki parçaların birbiri ile birleştirilmesinde ısıl genleşme katsayılarının uyumluluğu gerekli olduğu için malzeme seçimi çok önemlidir.

• Metal matrisli partikül veya kısa fiber takviyeli kompozit malzemeler otomotiv endüstrisinde önemli bir konuma sahiptir. Yüksek spesifik modülleri ve yorulma dayanımları, aşınma dirençleri, düşük ısıl genleşme katsayıları bu alanda kullanımlarını sağlayan özelliklerden bir kaçıdır. Metal matrisli kompozitler açısından bir başka önemli husus araç ağırlığındaki % 10-20’lik azalmanın beraberin-de yakıt tüketiminde % 5-10 gibi bir iyileşmeyi getirmesidir. Bu özellikler, günümüz otomobillerinde metal matrisli kompozitlerin kullanımını arttırmaktadır.

SiC partikül takviyeli Al metalmatrisli kompozit silindir gömleği

Partikül takviyeli MMK kompozitfren elemanları

Titanyum matrisli F-16 iniş takımları

Grafit ve alümina takviyeli MMK motor bloğu

Metal Matrisli Kompozit Malzemelerin Üretim Yöntemleri

A ) Katı Faz Üretim Yöntemleri• Toz Metalurjisi Teknikleri• Difüzyon Bağı YöntemiB ) Sıvı Faz Üretim Yöntemleri• Sıvı Metal İnfiltrasyon• Sıkıştırma Döküm• Sıvı Metal Karıştırma• Plazma Püskürtme

• Metal matrisli bir kompozit malzemenin üretim tekniği; üretilecek parçanın şekline, istenilen mekanik ve fiziksel özelliklere, matrise, takviye elemanı şekli ve türüne göre belirlenir.

Katı Faz Üretim Yöntemleri

Toz Metalurjisi Bu teknikte genel olarak partikül formunda takviye elemanlarıile toz haldeki metal kullanılarak, metal matrisli kompozit malzemeoluşturulur. Yaygın kullanılan takviye elemanları silisyum karbür, grafit, titanyum karbür, en çok kullanılan matris malzemeleri ise alüminyum, titanyum ve bakırdır

• Toz metalurjisi (T/M) ile üretilen metal matrisli kompozit malzemelerinüretimi daha düşük sıcaklıklarda gerçekleştirilmektedir. Bunun sonucundamatris ve takviye elemanı arasında daha az etkileşim olmaktadır.• Takviye elemanının matris içinde homojen dağılımının sağlanabilmesiancak T/M yöntemiyle gerçekleştirilebilmektedir.• Yüksek takviye hacim oranının elde edilmesi mümkün olmaktadır. Bundandolayı da yüksek modüllü, düşük termal genleşme katsayısına sahipkompozitler üretilebilmektedir.

Difüzyon Bağı Yöntemi

Difüzyon bağı yönteminde, takviye elemanları metal folyolar üzerineistenilen açıda ve miktarda yerleştirilebilmekte ve bu işlemlertamamlandıktan sonra ergime sıcaklığına yakın bir sıcaklık altında basılarakveya haddelenerek matris ile takviye arasında bir bağ oluşturulmak suretiylekompozit malzeme üretilmektedir.Ancak yöntem oldukça pahalı bir yöntem olup sınırlı malzeme formu veçeşidi ile gerçekleştirilmektedir.

Sıvı Faz Üretim Yöntemleri

Sıvı Metal İnfiltrasyon Yöntemiİlk işlem olarak istenilen profilde ön şekillendirme yapılmakta, fiberlerin yönlendirilmesi ve hacimsel oranı bu aşamada ayarlanmaktadır. Ön şekiller kalıba bir bağlayıcı ile tutturulduktan sonra kalıp içerisine ergimiş metal emdirilmekte ve katılaşmaya bırakılmaktadır.Hızlı ve yüksek üretim kapasitesine sahip olması ve son ürün şekline yakın üretim imkanısağlaması gibi avantajları nedeniyle bu teknik, metal matrisli kompozit malzeme üretiminde önemli bir yer edinmiştir.

Sıkıştırma Döküm YöntemiSıkıştırma döküm yöntemi; metal bir kalıp içerisine yerleştirilen, ön ısıtma yapılmış, seramik fiber veya başka bir takviye malzemesinden oluşmuş ön şekle, kuvvet yardımıyla ergiyik metalin emdirilmesi ve böylece sıkıştırılan ergiyik metale yüksek basınç uygulanarak katılaştırılması işlemidir.

Sıvı Metal Karıştırma Teknikleri Sıvı metal karıştırma tekniklerinde, ön ısıtma yapılmış veya ön işlemlerden geçerek hazırlanmış takviye malzemeleri, sürekli karıştırılan ergimiş metal içerisine değişik yöntemlerle katılmakta ve daha sonra döküm işlemi yapılmaktadır.

Plazma Püskürtme (Metal Püskürtme ) YöntemiÖzellikle parçacık takviyeli MMK malzemelerin üretiminde kabul görmüş bir yöntemdir. Plazma püskürtme, atomize edilmiş ergimiş metal parçacıklarının takviye elemanları üzerine istenilen kalınlıkta püskürtülmesi işlemidir. Püskürtülen ergiyik metal parçacıkları, takviye elemanlarına yapışmakta ve hızla katılaşmaya başlamaktadır. Bu tip üretim yöntemi alüminyum gibi ergime sıcaklığı düşük olan metallerde uygulanır.

Kaynaklar1. http://www.yildiz.edu.tr/~akdogan/lessons/

imalattakompozit/MMK_son2. http://web.itu.edu.tr/~arana/IML212-N9.pdf

UFUK DAĞ1311080045

MEHMET ALİ TEKİN1311110074