Mekanik alaşımlama yöntemiyle mxene ve bor karbür takviyeli alüminyum metal matris kompozit malzeme geliştirilmesi ve karakterizasyonu
| dc.authorid | 0000-0002-3912-5607 | |
| dc.contributor.advisor | Ekrem, Mürsel | |
| dc.contributor.author | Yılmaz, Musa | |
| dc.date.accessioned | 2026-08-21T11:54:28Z | |
| dc.date.available | 2026-08-21T11:54:28Z | |
| dc.date.issued | 2025 | |
| dc.date.submitted | 2025 | |
| dc.department | NEÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı | |
| dc.description | Doktora Tezi | |
| dc.description.abstract | Bu çalışmada, doğadan ilham alınarak dış kısmı sert, iç kısmı ise daha yumuşak olan böylece yüksek tokluk sergileyen aynı zamanda dış kısmındaki sertlik sayesinde yüksek aşınma dayanımı gösteren hibrit kompozit malzemelerin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu doğrultuda, matris malzeme olarak A7075 alüminyum alaşımı seçilmiş ve takviye fazı olarak B4C (bor karbür) seramiği ağırlıkça %5, %10 ve %15 oranlarında ve Ti3C2TX MXene fazı ise ağ. %1, %3 ve %5 oranlarında kullanılmıştır. Takviye ile matris malzeme, mekanik alaşımlama yöntemiyle üç farklı sürede (1, 2 ve 3 saat) karıştırılmıştır. Elde edilen toz karışımları, fonksiyonel geçişli malzeme (FGM) prensibine uygun olarak üç farklı katman yapısında (3, 5 ve 7 katman) istiflenmiş ve toz metalurjisi yöntemiyle hibrit kompozitler üretilmiştir. Toz metalurjisi sürecinde üç farklı sıkıştırma basıncı (300, 400 ve 500 MPa), üç farklı sinterleme süresi (1, 2 ve 3 saat) ve üç farklı sinterleme sıcaklığı (550 °C, 570 °C ve 590 °C) olmak üzere çeşitli üretim parametreleri kullanılmıştır. Literatürde ayrı ayrı araştırılan tüm bu üretim parametreler ve değişkenler dikkate alınarak, Minitab yazılımı ve Taguchi yöntemi vasıtasıyla deneysel süreç planlanmıştır. Böylece tek bir çalışmada tüm bu parametrelerin birbiriyle etkileşiminin de değerlendirilebileceği kapsamlı sonuçlar hedeflenmiştir. Üretilen kompozitlerin mekanik ve fiziksel özellikleri ASTM E9 standardına göre basma, ASTM G99 standardına göre aşınma, sertlik ve yoğunluk testleri ile değerlendirilmiştir. Mikroyapısal özellikler ise SEM, XRD ve parçacık boyutu analizleriyle gerçekleştirilmiştir. Elde edilen veriler Taguchi yöntemiyle analiz edilerek üretim parametrelerinin mekanik ve fiziksel özellikler üzerindeki etkileri ve önem düzeyleri belirlenmiştir. Taguchi deney tasarımı ile kurgulanan ilk aşama test ve analizler sonucunda en yüksek basma dayanımı ve tokluğun 3 saat mekanik alaşımlama (MA), 3 katmanlı FGM yapı, 500 MPa sıkıştırma basıncı ve 590 °C’de 3 saat sinterleme ile elde edilebileceği belirlenmiştir. En yüksek sertlik ise 3 saat MA, 7 katman, 400 MPa sıkıştırma basıncı ve 550 °C’de 2 saat sinterleme ile 170 HB olarak ölçülmüştür. Ayrıca basma dayanımı ile sinterlenmiş yoğunluk değerlerinin benzer bir eğilim gösterdiği belirlenmiş ve en yüksek yoğunluk değeri 2,6957 g/cm³ olarak belirlenmiştir. Kompozit tozların SEM, XRD ve parçacık boyut analizleri sonucunda, mekanik alaşımlamanın başlangıcında aglomerasyon eğiliminin olduğu ancak ilerleyen sürelerde parçacık boyutunun azaldığı ve B₄C fazının matris içerisinde daha homojen bir şekilde dağıldığı belirlenmiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında ise, Taguchi analizleri ile belirlenen optimum parametreler kullanılarak yeni nesil bir takviye olarak Ti3C2TX MXene fazının etkisi incelenmiştir. 3 katmanlı ağ. %3 MXene içeren numunenin basma dayanımı MXene'siz muadiline kıyasla %38’lik bir artış ile 421 MPa'a ulaşmıştır. Birim şekil değişimi ise %15’ten %35’e çıkmış ve toklukta üç katlık bir artış elde edilmiştir. Yüksek MXene oranları (ağ. %3 ve %5), üretim prosesini zorlaştırarak numunelerin merkez bölgelerinde sertliğin 65±5 HB seviyelerine gerilemesine neden olmuştur. Tribolojik testlerde ise MXene'nin etkisi, hibrit takviye durumuna göre ya da takviyenin miktarına bağlı olarak farklı sonuçlar vermiştir. A7075 matrisine ağ. %1 MXene ilavesi kütle kaybının 61,1 mg'dan 36,6 mg'a düşmesini sağlamıştır. Ancak B₄C+MXene içeren hibrit yapılarda ve ağ. %1 MXene ilavesinin üzerindeki oranlar ise adhezif ve abrazif aşınma mekanizmalarını tetiklenerek kütle kaybını artırmıştır. Elde edilen sonuçlar, hedeflenen yüksek dayanım, tokluk ve aşınma dayanımı gibi özelliklerin parametre optimizasyonu, FGM yapı ve MXene ilavesi ile elde edilebileceğini göstermiştir. Bu bulgular ışığında geliştirilen malzeme fren diskleri gibi uygulamalar için değerlendirilebilir. Bununla birlikte çalışma, farklı takviyeler, katkı oranları ve parametrelerle üretilen kompozitlerin kapsamlı analizlerle karakterizasyonu sayesinde gözlenen performans değişkenlikleri ile ileri malzeme geliştirme süreçlerine katkı sunmakta ve ilerleyen çalışmalarda katkıların dağılımı, arayüzey etkileşimleri ve sinterleme davranışı gibi parametrelerin daha detaylı incelenmesi açısından önemli bir referans oluşturmaktadır. | |
| dc.description.abstract | This study aims to develop hybrid composite materials that exhibit high toughness due to their hard outer layer and softer inner layer, while also demonstrating high wear resistance thanks to the hardness of their outer layer. In this regard, A7075 aluminum alloy was selected as the matrix material, and B4C (boron carbide) ceramic was used as the reinforcement phase at 5%, 10%, and 15% by weight, while the Ti3C2TX MXene phase was used at 1%, 3%, and 5% by weight. The reinforcement and matrix materials were mixed using mechanical alloying for three different durations (1, 2, and 3 hours). The resulting powder mixtures were stacked in three different layer structures (3, 5, and 7 layers) according to the functional gradient material (FGM) principle, and hybrid composites were produced using powder metallurgy. Various production parameters were used in the powder metallurgy process, including three different compaction pressures (300, 400, and 500 MPa), three different sintering times (1, 2, and 3 hours), and three different sintering temperatures (550 °C, 570 °C, and 590 °C). Considering all these production parameters and variables, which have been studied separately in the literature, the experimental process was planned using Minitab software and the Taguchi method. Thus, comprehensive results were targeted in a single study, where the interaction of all these parameters with each other could also be evaluated. The mechanical and physical properties of the produced composites were evaluated by compression tests according to the ASTM E9 standard, abrasion according to the ASTM G99 standard, hardness, and density tests. Microstructural properties were determined using SEM, XRD, and particle size analysis. The data obtained were analyzed using the Taguchi method to determine the effects and significance levels of production parameters on mechanical and physical properties. The initial phase tests and analyses designed using Taguchi experimental design determined that the highest compressive strength and toughness could be achieved with 3 hours of mechanical alloying (MA), a 3-layer FGM structure, 500 MPa compression pressure, and 3 hours of sintering at 590°C. The highest hardness was measured as 170 HB with 3 hours of MA, 7 layers, 400 MPa compression pressure, and 2 hours of sintering at 550 °C. It was also determined that the compressive strength and sintered density values showed a similar trend and the highest density value was determined to be 2.6957 g/cm³. As a result of SEM, XRD, and particle size analyses of the composite powders, it was determined that there was a tendency for agglomeration at the beginning of mechanical alloying, but that the particle size decreased over time and the B₄C phase was distributed more homogeneously within the matrix In the second stage of the study, the effect of the Ti3C2TX MXene phase as a new generation reinforcement was investigated using the optimum parameters determined by Taguchi analyses. The compressive strength of the sample containing 3% MXene by weight in three layers reached 421 MPa, a 38% increase compared to its MXene-free counterpart. The strain increased from 15% to 35% and a threefold increase in toughness was achieved. High MXene ratios (3% and 5% by weight) complicated the production process and caused the hardness in the central regions of the samples to decrease to 65±5 HB levels. In tribological tests, the effect of MXene yielded different results depending on the hybrid reinforcement condition or the amount of reinforcement. The addition of 1 wt% MXene to the A7075 matrix reduced mass loss from 61.1 mg to 36.6 mg. However, in hybrid structures containing B₄C+MXene and at MXene content levels above 1 wt%, mass loss increased due to the triggering of adhesive and abrasive wear mechanisms. The results obtained demonstrate that the targeted properties, such as high strength, toughness, and wear resistance, can be achieved through parameter optimization, FGM structure, and MXene addition. In light of these findings, the developed material can be evaluated for applications such as brake discs. Furthermore, the study contributes to advanced material development processes by characterizing composites produced with different reinforcements, additive ratios, and parameters through comprehensive analyses, thereby revealing performance variations. It also serves as an important reference for further studies involving detailed investigations of parameters such as additive distribution, interface interactions, and sintering behavior. | |
| dc.description.sponsorship | Bu tez çalışması Necmettin Erbakan Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri (BAP) Koordinatörlüğü tarafından 24YDR19001 numaralı proje ile desteklenmiştir. | |
| dc.identifier.citation | Yılmaz, M. (2025). Mekanik alaşımlama yöntemiyle mxene ve bor karbür takviyeli alüminyum metal matris kompozit malzeme geliştirilmesi ve karakterizasyonu. (Yayımlanmamış doktora tezi). Necmettin Erbakan Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, Konya. | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/20.500.12452/20322 | |
| dc.language.iso | tr | |
| dc.publisher | Necmettin Erbakan Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü | |
| dc.relation.publicationcategory | Tez | |
| dc.rights | info:eu-repo/semantics/openAccess | |
| dc.subject | Alüminyum Matris Kompozit | |
| dc.subject | Fonksiyonel Dereceli Malzeme | |
| dc.subject | Mekanik Alaşımlama | |
| dc.subject | Taguchi Analiz | |
| dc.subject | Ti3C2TX Mxene | |
| dc.subject | Toz Metalurjisi | |
| dc.subject | Aluminum Matrix Composite | |
| dc.subject | Functionally Graded Material | |
| dc.subject | Mechanical Alloying | |
| dc.subject | Taguchi Analysis | |
| dc.subject | Powder Metallurgy | |
| dc.title | Mekanik alaşımlama yöntemiyle mxene ve bor karbür takviyeli alüminyum metal matris kompozit malzeme geliştirilmesi ve karakterizasyonu | |
| dc.title.alternative | Development and characterization of mxene and boron carbide reinforced aluminum matrix composite material using the mechanical alloying method | |
| dc.type | Doctoral Thesis |
