3. METALİK KÖPÜK ÜRETİM YÖNTEMLERİ
3.3. Gaz Enjeksiyon Yöntemi İle Metalik Köpük Üretimi
Ergiyiğe doğrudan gaz ilavesi ile metalik köpük üretim yöntemi 1980-1990 yılları arasında Hydro Aluminium (Norveç) ve Alcan firmaları tarafından ilk defa alüminyum ve alaşımlarının köpürtülmesinde kullanılmıştır [20]. Bu yöntemin açıklayıcı şematik resmi Şekil 3.3’te verilmiştir.
Bu yöntemde silisyum karbür, alüminyum oksit veya magnezyum oksit parçacıkları drenaj etkisini azaltmak için kullanılır. Bu nedenle öncelikli olarak bu oksit parçalardan birini içeren ergiyik Alüminyumu oluşturmak gerekir. Partiküllerin ergiyik metal içersindeki homojen dağılımını sağlamak için geliştirilmiş karıştırma teknikleri uygulamak gerekir. Bu yöntemde üretilen metalik köpüklerde karşılaşılan sorun, sıradan bir metal matrisli kompozitin (MMK) üretiminde karşılaşılan takviye parçacıkların ıslatma sorunu ve parçacıkların homojen dağılması sorunu ile aynıdır.
Bu yöntemde çeşitli Al alaşımlı metalik köpük üretimi gerçekleştirilir örneğin:
döküm alaşımı AlSi10Mg (A359) veya dövme alaşımı olarak bilinen 1060, 3003, 6016, 6061 serileri [3].
İkinci aşamada ergiyik metal içerisine, özel olarak tasarlanmış pervane veya titreşimli bir nozul yardımı ile gaz (hava, karbon, azot) enjekte edilir. Bu sayede ince gaz kabarcıkları yapı içersinde homojen bir şekilde dağıtılmış olur. daha sonra ergiyik metal ve gaz karışımından oluşan viskoz bileşim ergiyik metalin yüzeyinde yüzmeye başlar. Ergiyik metal içersinde bulunan seramik partiküller köpüğün
yüzeyde stabil olmasını sağlar. Daha sonra ergiyik metalin üzererinde duran ergiyik metal ve gaz karışımından oluşan stabil viskoz bileşim (yani metalik köpük) taşıyıcı bir konveyör yardımı ile ergiyik metalin yüzeyinden dışarı doğru taşınarak soğutulması ve katılaşmasına yardımcı olur böylelikle katı metalik köpük elde edilir [3].
Şekil 3.4. Gaz enjeksiyon yöntemi ile sürekli köpüğün üretimi [3]
Takviye parçacıklarının hacimsel oranı genellikle %10 ila %20 ve partikül büyüklüğü de 5 ila 20 mikron arasında değişmektedir. Parçacık boyutu ve içeriğinin seçimi deneysel olarak araştırılmış ve Şekil 3.5’te gösterildiği gibi, çok yüksek veya çok düşük parçacık içeriği veya parçacık boyutları çeşitli sorunlar çıkardığı görülmektedir [3].
Şekil 3.5. Tercih edilebilir oran ve boyuttaki parçacıklar [3]
Bu yöntemle üretilen köpüklerin ortalama yoğunlukları 0,069-0,54 g/cm3, ortalama gözenek boyutu 3-25 mm, hücre duvarı kalınlığı ise 50-85 μm arasında değişiklik göstermektedir. Bu üretim yönteminde ortalama hücre boyutu, ortalama hücre duvarının kalınlığı ve yoğunluğu, sistemdeki gaz akış, pervane hızı, meme titreşim frekansı ve diğer parametrelerden etkilenmektedir [3].
Ergiyik metal içersindeki katkı maddelerinin bazı istenmeyen yan etkilerini (ör:
kırılganlık) önlemek amacıyla enjeksiyon gazı olarak metal asal gazlar önerilmektedir. Aynı zaman da köpürtme sürecinde viskoziteyi düşük tutmak için sıcaklığı ergime noktasına çok yakın tutmak gerekir [3,4].
Kanada da ALCAN firması bu yöntemi kullanarak köpürtülmüş alüminyum plakalar üretmektedir. Resim 3.1’ de Norveç de bulunan Hydro - Aluminium firması tarafında bu yöntem ile üretilmiş metalik köpük görülmektedir [4,24].
Resim 3.1. Gaz enjeksiyon yöntemi ile üretilen farklı yoğunluklara sahip metalik köpük levhalar (örnek: Hydro aluminium, Norveç)
Cymat firması tarafından 1,5 m genişliğinde, 25-150 mm kalınlığında köpük parçalar bu yöntemle üretilmektedir (Resim 3.2). Fakat parçalarda üretim esnasında çekimsel drenaj etkisi görülmektedir. Büyük boyutlarda köpüklerin üretilmesi yöntemin en büyük avantajı olarak göze çarpmaktadır. Bunun dışında diğer üretim yöntemlerine oranla daha ekonomiktir [29,30]. Seramik parçacıkların köpük yapıyı gevrek hale getirmesi ise en önemli dezavantajı olarak görülmektedir [29].
Üretim kolaylığı sayesinde Cymat firması bu yöntemle 25–150 mm kalınlık aralığında 1,5 m genişliğinde tek parça halinde ortalama 900 kg/h ile köpük paneller üretmektedir. Bu veriler gerçekten basit ve uygulanabilir bir yöntem olduğunun göstergesidir [31]. Resim 3.2’de firmanın ürettiği alüminyum köpük görülmektedir.
Resim 3.2. Gaz enjeksiyon yöntemi ile üretilmiş Cymat köpüğün makro yapıları a) Homojen olmayan gözenek yapısı (yaklaşık yoğunluk 0,3 g/cm3), b) Köpük yüzey (yaklaşık yoğunluk 0,05 g/cm3) [20]
Saf olan ergiyik metal (partikül takviye edilmemiş) içersine gaz enjekte ettiğimizde kabarcıklar yapı içersinde kolay bir şekilde meydana gelmez. Ergiyik sıvı içersinde oluşan baloncukların oluşması ve bu baloncuğun duvarının çökmesi çok çabucak olmaktadır bu nedenle ergiyik içersindeki kabarcığın stabil kalarak hemen katılaştırılması gerekmektedir. Eğer ergiyik metal içersine %10-30 arası bir oranda alüminyum oksit, silisyum karbür gibi küçük, çözünmeyen veya yavaşça çözünebilecek parçacıklar katılılması ergiyik metalin viskozitesini artırır ve kabarcık zarındaki drenajı engelleyerek köpüğün stabil olmasını sağlar. Gaz enjeksiyonla metalik köpük üretiminin Al ve alaşımları için uygulaması oldukça kolay bir yöntemdir. Çünkü onlar hem düşük yoğunluğa sahip hemde ergiyik halde bulunduklarında oksijen içeren hava veya diğer gazlarla temas ettiklerinde aşırı oksitlenmeye maruz kalmazlar.
Üretimi Şekil 3.4’te gösterilmiştir. Öncelikli olarak saf Al veya Al alaşımı ergiyik sıvı hale getirilir ve daha sonra %5 ila %15 arasında köpüğün satabil olmasını sağlamak için seramik parçacıklar eklenir. İlave parçacık olarak genellikle çapı 0,5-25 μm arasında değişen alümina, silisyum karbür, zirkonyum ve titanyumdiboride kullanılmaktadır [32].
Sıvı haldeki Al içersinde baloncuklar oluşturmak için çeşitli gazlar kullanılmaktadır.
Bu gazlar içersinde hava en sık kullanılan gazdır fakat havanın haricinde karbondioksit, oksijen, asal gazlar ve hatta su bile sıvı Al içersinde kabarcık oluşturmak için kullanılmaktadır. Bu işlemle oluşturulan baloncuklar ergiyik sıvı üzerinde yüzer ve daha sonra katılaşmaya başlar. Gaz enjeksiyon yöntem sürecini kontrollü bir şekilde uyguladığında ve köpüğün soğutma hızını ayarlandığında düşük yoğunluklarda kapalı gözenekli metalik köpükler üretilebilmektedir [32].