KÖPÜK MALZEME ÜRETİMİ
Halil KARAKOÇ
YÜKSEK LİSANS TEZİ METAL EĞİTİMİ
GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
HAZİRAN 2012 ANKARA
ALÜMİNYUM ESASLI KÖPÜK MALZEME ÜRETİMİ” adlı bu tezin Yüksek Lisans Tezi olarak uygun olduğunu onaylarım.
Prof.Dr. Ramazan ÇITAK ……….…………
Tez Yöneticisi, Metal Eğitimi Ana Bilim Dalı
Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Metal Eğitimi Anabilim Dalında Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmiştir.
Prof.Dr. Mehmet TÜRKER ………
Metal Eğitimi A.B.D. Gazi Üniversitesi
Prof.Dr. Ramazan ÇITAK ………
Metal Eğitimi A.B.D. Gazi Üniversitesi
Prof.Dr. Çetin KARATAŞ ………
Makine Eğitimi A.B.D. Gazi Üniversitesi
Tarih: 12/06/2012
Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans derecesini onamıştır.
Prof.Dr. Bilal TOKLU
Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü ………
Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm.
Halil KARAKOÇ
SICAK PRESLEME YÖNTEMİ İLE ALÜMİNYUM ESASLI KÖPÜK MALZEME ÜRETİMİ
(Yüksek Lisans Tezi)
Halil KARAKOÇ
GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
Haziran 2012
ÖZET
Bu tez çalışmasında, toz metalurjisi yöntemiyle sıcak presleme işlemi uygulanarak alüminyum esaslı metalik köpük malzeme üretimi gerçekleştirilmiştir. Alüminyum esaslı metalik köpük malzeme üretiminde presleme sıcaklığı, presleme basıncı ve köpürtme sıcaklığının etkileri araştırılmıştır. Yapılan deneysel çalışmada Alumix 231 tozlarına ağırlıkça %1 oranında TiH2 ilave edilerek 60 dakika karıştırılmıştır. Karışım tozlar kalıp içersinde tek yönlü olarak 50MPa yük altında preslenerek blok numuneler elde edilmiştir. Blok numuneler farklı sıcaklıklarda (350-450-550 oC) ve farklı basınçlarda (100-200-300 MPa) 30 dakikalık sabit süre boyunca sıcak presleme işlemine tabi tutularak köpürtülebilir toz tablet numuneler haline getirilmiştir.
Elde edilen köpürtülebilir toz tablet numuneler yüksek sıcaklığa dayanıklı saydam cam kalıpta fırın içersine konularak farklı köpürtme sıcaklıklarında (670-690-710 oC) köpürtme işlemine tabi tutulmuştur. Köpürtülen toz tablet numuneler cam kalıp içerinde gözlemlenerek maksimum lineer genleşme oranında fırın içersinden çıkarılmıştır. Üretilen metalik köpüklerde en uygun presleme sıcaklığı, presleme basıncı ve köpürtme sıcaklığı belirlenmiştir.
Deneysel çalışmalar sonucunda presleme basıncına ve presleme sıcaklığına bağlı olarak köpürebilir TM numunelerin yoğunluklarında artış meydana gelmiştir.
Maksimum yoğunluğa (%99,54) 550 oC sıcaklıkta yapılan presleme işlemlerinde ulaşılmıştır. En düşük lineer genleşme oranı 350 oC’de 100 MPa’da preslenen
numunelerin 670 oC sıcaklıkta köpürtülmesi ile elde edilmiştir. En yüksek lineer genleşme oranları 690 ve 710 oC köpürtme sıcaklıklarında 450 oC’de 200 MPa’da preslenen numunelerde elde edilmiştir.
Bilim Kodu : 710.1.092
Anahtar Kelimeler : Toz Metalurjisi, Al Köpük, Sıcak Presleme
Sayfa Adedi : 89
Tez Yöneticisi : Prof. Dr. Ramazan ÇITAK
PRODUCTION OF THE AL BASED FOAM BY HOT PRESSING METHOD
(M.Sc. Thesis)
Halil KARAKOÇ
GAZI UNIVERSTY
INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY June 2012
ABSTRACT
Aluminum based foam was produced by applying of hot pressing process with powder metallurgy method. Effects of pressure and temperature of pressing were determined in production of aluminum-based metallic foam. In addition, the effects of foaming temperature was investigated. 1% (by weight) TiH2 was added to Alumix 231 powders and these mixed powders were blended in an atritor for 60 min. By using one directional press, these blended powders were pressed after the pre-load (50 MPa) at the different temperatures (350-450-550 0C) and under the different pressures (100-200-300 MPa) for 30 min. In this way, the compact samples for foaming process have been obtained. The compact samples in the high-temperature resistant transparent glass mold was put into the furnace at the different foaming temperatures (670-690-710 oC) for the foaming process for 7 min. The foamed tablet samples in the high-temperature resistant transparent glass mold were observed until reaches the highest rate of expansion and removed from the furnace. The optimum pressing temperature, pressing pressure and the foaming temperature for metallic foams were determined. As results of experimental studies, the densities of foamable P/M samples were increased depend on pressing pressure and pressing temperature. The maximum density (99.54 %) was reached in the pressing process at 550 oC. The lowest linear expansion ratio was obtained with foaming at 670 ºC of pressed samples under 100 MPa, at 350 oC. The highest rates of linear expansion were obtained with
foaming at 690-710 oC foaming temperatures of pressed samples under 200 MPa, at 450 oC.
Science Code : 710.1.092
Key Words : Powder metalurgy, Al Foam, Hot Pressing Page Number : 89
Adviser : Prof. Dr. Ramazan ÇITAK
TEŞEKKÜR
Engin bilgi ve tecrübelerinden faydalandığım desteğini hiçbir zaman eksik etmeyen danışman hocam Prof. Dr. Ramazan ÇITAK’a, yine yardımlarını esirgemeyen, kıymetli tecrübelerinden faydalandığım hocam Prof. Dr. Mehmet TÜRKER’e, Prof.
Dr. Yusuf ÖZÇATALBAŞ’ a teşekkür eder saygılarımı sunarım.
Gazi üniversitesi metal eğitimi laboratuar çalışmalarım esnasında desteklerini esirgemeyen bana öncülük eden başta hocam Yrd. Doç. Dr. Hanifi ÇİNİCİ olmak üzere, Öğr. Gör. Arif UZUN’a, Öğr. Gör. Uğur GÖKMEN’e, Öğr. Gör. Ersin BAHÇECİ’ye, Yrd. Doç. Dr. Ulaş MATİK’e ve Yrd. Doç. Dr. Hasan KARABULUT’a, teşekkür ederim.
Metalografik incelemelerde bilgi ve tecrübelerinden faydalandığım hocam Yrd. Doç.
Dr. Volkan KILIÇLI’ya, numunelerin mikro ve SEM çalışmalarında bana yardımcı olan Öğr. Gör. Sinan AKSÖZ’e ve Sadullah UĞUR’a ayrıca tezimin yazım safhasında bilgilerinden faydalandığım Ahmet İYİGÖR’e teşekkür ederim.
Tez çalışmamda bilimsel araştırma kapsamında 07/2010-58 numaralı proje ile destek sağlayan Gazi Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimine teşekkür ederim.
Son olarak her daim yanımda olan Babama, Anneme, her iki kardeşime ve benim üzerimde emeği olan değerli yakınlarıma sonsuz şükranlarımı ve sevgilerimi sunarım.
İÇİNDEKİLER
Sayfa
ÖZET... iv
ABSTRACT ... vi
TEŞEKKÜR ... viii
İÇİNDEKİLER ... ix
ÇİZELGELERİN LİSTESİ ... xii
ŞEKİLLERİN LİSTESİ ... xiii
RESİMLERİN LİSTESİ ... xv
SİMGELER VE KISALTMALAR ... xviii
1. GİRİŞ ... 1
2. METALİK KÖPÜKLER ... 3
3. METALİK KÖPÜK ÜRETİM YÖNTEMLERİ ... 11
3.1.Ergiyik Metalden Direkt Köpürtme ... 13
3.2. Metalik Preform Malzemelerin Köpürtülmesi ... 14
3.3. Gaz Enjeksiyon Yöntemi İle Metalik Köpük Üretimi ... 15
3.4.Ergiyik Metal İçerisine Köpürtücü Madde İlavesi İle Metalik Köpük Üretimi ... 20
3.5. FORMGRIP Yöntemi ... 23
3.6. Toz Metalurjisi ... 25
3.7. Sıcak Presleme İle Metalik Köpük Üretimi ... 30
4. METALİK KÖPÜKLERİN KULLANIM ALANLARI ... 33
4.1. Köpük Metallerin Yapısal Uygulamaları ... 35
4.1.1. Otomotiv endüstrisi ... 35
4.1.2. Hafif yapı uygulamaları ... 41
Sayfa
4.1.3. Ariane 5 roket adaptör prototipi ... 43
4.1.4. Makine gövde imalatı ... 44
4.1.5. Bisiklet krank kolu prototipi ... 45
4.1.6. Pişirme tavası ... 46
4.1.7. İntegral zırh malzemesi ... 47
4.2. Köpük Metallerin Fonksiyonel Uygulamaları ... 49
4.2.1. Filtreler ... 49
4.2.2. Susturucular... 49
4.2.3. Isı değiştiriciler (Esanjör) ... 50
5. MATERYAL VE METOT ... 51
5.1. Malzemeler ... 51
5.2. Alüminyum Köpük Üretimi ... 51
5.2.1. Karışım tozların hazırlanması ... 51
5.2.2. Karışım tozların preslenmesi ... 52
5.2.3. Preslenen tozların köpürtülmesi ... 54
5.3. Üretilen Metalik Köpük Numunelerinin Karakterizasyonu ... 57
5.3.1. Yoğunluk ölçümü ... 57
5.3.2. Lineer genişleme oranın belirlenmesi ... 56
5.3.3. Gözeneklilik oranının belirlenmesi ... 57
5.3.4. Makro ve metalografik muayene ... 57
6. DENEYSEL SONUÇLAR ... 58
6.1. Presleme Sonrası Yoğunluk Değişimi ... 58
6.2. Presleme Sonrası Numunelerin Metalografik İncelenmesi ... 59
Sayfa 6.3. Köpürebilir Toz Tabletlerin SEM İncelenmesi ... 64 6.4. Köpürtme Sıcaklığının Lineer Genleşmeye Etkisi ... 66
6.5. Köpürtme Sıcaklığının Yoğunluğa Etkisi ... 73 6.6. Köpürtme Sıcaklığının Gözenek Yapısına ve Boşluk Miktarına Etkisi .. 76 7. SONUÇLAR VE ÖNERİLER ... 82 KAYNAKLAR ... 84 ÖZGEÇMİŞ ... 89
ÇİZELGELERİN LİSTESİ
Çizelge Sayfa Çizelge 2.1. Olası sekiz kategoride toplanmış ve her biri şirket, ticaret veya
işlem adı ile yazılmış metal köpük yapım işlemlerinin
sınıflandırılması ... 7
Çizelge 3.1. Metalik köpük oluşum aşaması ve işlemi kullanan firmaların üretmiş olduğu alüminyum alaşımlı metalik köpükler ve verdikleri isimler ... 13
Çizelge 3.2. Toz metalurjsi yönteminin özellikleri ... 29
Çizelge 5.1. Karışım tozlarının fiziksel özellikleri ... 50
Çizelge 5.2. Tozların preslenme parametreleri ... 52
ŞEKİLLERİN LİSTESİ
Şekil Sayfa
Şekil 2.1. Metalik köpüklerin araştırılma alanları ... 6
Şekil 2.2. Çeşitli metal köpüklerin makro yapısı; a) Metcomb Al-köpüğü, b) Formgrip Al-köpük, c) Alporas Al-köpük, d) VFT Mg-köpük, e) Alulight Al-köpük, f) Alporas alaşım (gaz enjeksiyon köpüğü), g) gaz enjeksiyon ile toz ergitme, h) Pd-esaslı amorf metalik köpük, ... 7
Şekil 2.3. Köpüğün oluşumunun sistematiği, a) dahili gaz enjeksiyonu ile üretilen metalik köpük b) harici gaz kaynağı yardımı ile oluşan köpük ... 8
Şekil 2.4. Köpük kararlılığına sınırlayıcı bazı etkenler ... 9
Şekil 2.5. Saf Al köpürebilir numune ergime noktasının üzerindeki bir sıcaklığa ısıtılmış ve orada beklenmiştir. Isıtma başladıktan sonra (a) 0 S, (b) 48 S, (c) 60 S, (d) 72 S, (e) 92 S and (f) 200 S köpürme süresinde oluşan yapılar. ... 10
Şekil 3.1. Metalik köpüklerin üretim yöntemleri ve aldığı ticari isimler ... 11
Şekil 3.2. Alüminyum esaslı seramik partikül takviyeli metalik köpük üretimi ... 14
Şekil 3.3. TM yönteminde boşlukların oluşma ve büyüme evreleri ... 15
Şekil 3.4. Gaz enjeksiyon yöntemi ile sürekli köpüğün üretimi ... 16
Şekil 3.5. Tercih edilebilir oran ve boyuttaki parçacıklar ... 17
Şekil 3.6. Köpürtücü madde ilavesi ile ergiyik metalin doğrudan köpürtülmesi ... 20
Şekil 3.7. Karıştırma zamanına bağlı olarak viskozitedeki değişim ... 21
Şekil 3.8. FORMGRIP yöntemi ... 24
Şekil 3.9. 750°C sıcaklıkta köpürtme işlemine tabi tutulan Al/TiH2 karışımının lineer genişleme davranışı (Köpürme öncesi numune boyutu 9 mm, köpürme sonrası maksimum boy 32 mm) ... 26
Şekil 3.10. Toz metalurjisi yöntemi ile farklı işlemler uygulanarak metalik köpük malzeme üretilmesinin şematik olarak gösterimi ... 30
Şekil 3.12. Metalik köpüklerin toz metalurjisi ile üretimi ... 32
Şekil Sayfa Şekil 4.1. Metal köpüklerin kullanım alanlarının gözenek ve uygulama türüne
göre gruplandırılması ... 33
Şekil 4.2. Metalik köpükleri uygulamanın faydaları ... 36
Şekil 5.1. Sıcak presleme yöntemi ile metalik köpük üretim sırası ... 51
Şekil 6.1. Presleme basıncına ve sıcaklığına bağlı olarak yoğunluktaki değişim ... 58
Şekil 6.2. 450 oC sıcaklıkta ve 200 MPa basınç altında preslenen numunenin EDX analizi ... 65
Şekil 6.3. 450 oC’de, 200 MPa basınç altında preslenen numunelerin 670 oC’de köpürtülmesi esnasında süreye bağlı olarak boylarındaki değişim ... 67
Şekil 6.4. 450 oC’de, 200 MPa basınç altında preslenen numunelerin 690 oC’de köpürtülmesi esnasında süreye bağlı olarak boylarındaki değişim ... 68
Şekil 6.5. 450 oC’de, 200 MPa basınç altında preslenen numunelerin 710 oC’de köpürtülmesi esnasında süreye bağlı olarak boylarındaki değişim ... 69
Şekil 6.6. 450 oC’de, 200 MPa basınç altında preslenen numunelerin farklı sıcaklıklarda köpürtülmesi esnasında süreye bağlı olarak boylarındaki değişim ... 69
Şekil 6.7. 670 oC’de köpürtülen numunelerin % lineer genleşme oranları ... 70
Şekil 6.8. 690 oC’de köpürtülen numunelerin % lineer uzama oranları... 72
Şekil 6.9. 710 oC’de köpürtülen numunelerin % lineer uzama oranları... 73
Şekil 6.10. 670 oC’de köpürtülen numunelerin yoğunlukları ... 74
Şekil 6.11. 690 oC’de köpürtülen numunelerin yoğunlukları ... 75
Şekil 6.12. 710 oC’de köpürtülen numunelerin yoğunlukları ... 75
Şekil 6.13. 670 oC’de köpürtülen numunelerin % boşluk miktarları ... 77
Şekil 6.14. 690 oC’de köpürtülen numunelerin % boşluk miktarları ... 79
Şekil 6.15. 710 oC’de köpürtülen numunelerin % boşluk miktarları ... 79
RESİMLERİN LİSTESİ
Resim Sayfa
Resim 2.1. a)AlMgCu alaşımlı metalik köpüğün X-ray tomogrofik görüntüsü
b) Her bir gözeneğin bilgisayarda oluşturulan çizimi ... 4 Resim 2.2. Metalik köpüklerin makro fotografları (a) Kapalı gözenekli köpük
(Alporas), (b) Açık gözenekli köpük (ERG) ... 4 Resim 2.3. Farklı tip hücresel metaller ... 5 Resim 3.1. Gaz enjeksiyon yöntemi ile üretilen iki farklı yoğunluklara sahip
metalik köpük levhalar ... 18 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) ... 19 Resim 3.3. TiH2 eklenerek yapılan Al metalik köpüğün gözenek yapısı
(80x80mm2 boyutlarında) ... 22 Resim 3.4. FORMGRIP yöntemi ile üretilmiş Al-9Si alaşımlı köpükte SiC
parçacıklarının hücre duvarındaki dağılımı a) hüre duvarı, b) plateu sınırı ... 24 Resim 3.5. Farklı koşullar altında FORMGRIP yöntemi ile üretilmiş
numunelerin gözenek yapıları ... 24 Resim 3.6. IFAM toz metalurjisi işlem parametresi ... 25 Resim 3.7. Toz metalurjisi yöntemi ile üretilen kurşun köpük ... 28 Resim 3.8. Toz metalurjisi yöntemi ile kalıpta köpürtülerek üretilen alüminyum
köpük parçalar ... 28 Resim 3.9 Gazi üniversitesi metal eğitimi laboratuarında TM yöntemi ile üretilen
Al esaslı kapalı gözenekli metalik köpük malzemeler (en alttaki köpük levha hacmi 25x25x20 mm3) ... 29 Resim 4.1. a) Metalik köpük malzemenin otomobillerde kaza anında darbe
enerjisini sönümlemesi b) Metalik köpüklerin otomobillerde
uygulanması ... 37 Resim 4.2. Audi A8 üzerinde kullanılan yapısal köpük malzemeler ... 38
Resim Sayfa Resim 4.3. Almanya, Stralsund teknoloji üniversitesinde öğrenciler tarafından
inşa edilmiş bir model yarış araba çarpışma koruyucusu, a) ön panel
takılmadan önceki Al köpük bloğun görüntüsü, b) tam görünüm... 38
Resim 4.4. Darbe tanponu yanında gözüken çarpışma kutusunun pozisyonu ... 39
Resim 4.5. Çarpışma kutusu örnekleri a) çöken bir çarpışma kutusu b) kare ve silindirik çarpışma kutusu ... 39
Resim 4.6. Eksenel olarak deforme edilmiş boş ve köpük doldurulmuş tüp resimleri ... 40
Resim 4.7. (a) COMBINO araç sistemi için yapılan darbe enerji emicisi ... 40
Resim 4.8. LKR ve BMW tarafından geliştirilmiş motor blok örneği, soldan sağa; bos döküm, alüminyum köpük çekirdek içeren yekpare parça, kesit görüntü ... 41
Resim 4.9. Karman tarafından üretilmiş alüminyum köpük sandviç ... 42
Resim 4.10. Alüminyum sandviç köpük malzemeden yapılmış olan Teupen EURO B25T kaldırıcı kol destekli araç ... 43
Resim 4.11. Arine 5 roketinin AFS den yapılan koni prototipi, soldaki parçanın roketteki konumu ... 44
Resim 4.12. Çelik-alüminyum sandviç köpükten imal edilmiş freze makinesinin enine kirişi ... 45
Resim 4.13. Dövme AFS den elde edilen bisiklet krank kolu prototipi, (a) numune ve kesiti, (b) iç kısmın tomogrofisi ... 46
Resim 4.14. (a) ve (b) Alüminyum sandviç köpük tabanlı tavada su kaynatma testi, (c) tabanın ısı iletim prensibi ... 47
Resim 4.15. 20 mm’lik alüminyum köpük levha kullanılarak üretilen hafif zırh malzemesinin U.S. ordusu için balistik testi sonrası enine kesiti ... 48
Resim 4.16. Farklı gözenek boyutuna sahip alüminyum sünger ... 48
Resim 4.17. Alüminyum köpükten yapılmış susturucular ... 49
Resim 4.18. Köpük metal ısı değiştirici ... 50
Resim 5.1. Turbula T2 F tipi üç boyutlu toz karıştırıcı ... 52
Resim Sayfa Resim 5.2. Sıcak presleme ünitesi... 53 Resim 5.3. Sıcak presleme kalıbının detaylı görünümü ... 53 Resim 5.4. Köpürtme işlemi için tasarlanmış özel fırın düzeneği ... 54 Resim 5.5. Metalik köpüğün oluşumu; a) Köpürebilir toz metal kompakt
numune, b) Kalıp içersine konulması, c) Köpürtüldükten sonraki
hali, d) Köpüğün arakesiti ... 55 Resim 6.1. 350 oC’de, faklı basıçlarda üretilen numunelerin mikro yapıları.
a) 100 MPa, b) 200 MPa, c) 300 MPa ... 61 Resim 6.2. 450 oC’de, faklı basıçlarda üretilen numunelerin mikro yapıları.
a) 100 MPa, b) 200 MPa, c) 300 MPa ... 62 Resim 6.3. 550 oC’de, faklı basıçlarda üretilen numunelerin mikro yapıları.
a) 100 MPa, b) 200 MPa, c) 300 MPa ... 63 Resim 6.4. 450 oC sıcaklıkta ve 200 MPa basınç altında preslenen numunenin
SEM görüntüsü ... 64 Resim 6.5. 450 oC sıcaklıkta ve 200 MPa basınç altında preslenen numunenin
haritalaması ... 65 Resim 6.6. 450 oC’de, 200 MPa basınç altında preslenen numunelerin 670 oC’de
köpürtülmesi esnasında zamana bağlı olarak köpürebilirliğindeki
değişim ... 66 Resim 6.7. 450 oC’de, 200 MPa basınç altında preslenen numunelerin 690 oC’de
köpürtülmesi esnasında zamana bağlı olarak lineer genleşme oranları .... 67 Resim 6.8. 450 oC’de, 200 MPa basınç altında preslenen numunelerin 710 oC’de
köpürtülmesi esnasında zamana bağlı olarak lineer genleşme oranları .... 68 Resim 6.9. 670 oC’de köpürtülen numunelerin gözenek yapıları ... 78 Resim 6.10. 690 oC’de köpürtülen numunelerin gözenek yapılar ... 80 Resim 6.11. 710 oC’de köpürtülen numunelerin gözenek yapıları ... 81
SİMGELER VE KISALTMALAR
Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur.
Simgeler Açıklama
ρ Köpük yoğunluğu, g/cm3
m Köpüğün havadaki ağırlığı, g
Vy Yaş ağırlık (g)
Vs Su içerisindeki ağırlık (g) LG Lineer genleşme
P Gözeneklilik miktarı ps Köpürtme öncesi yoğunluk P* Köpürtme sonrası yoğunluk
Kısaltmalar Açıklama
AFS Alüminyum Sandviç Köpük
IFAM Fraunhofer Malzeme Araştırma Enstitüsü
MMK Metal Matrisli Kompozit
TM Toz Metalurjisi
1. GİRİŞ
Çağımızda gelişen teknolojiye bağlı olarak birbirinden farklı mekanik özellikleri bir arada bulunduran yapısal ve fonksiyonel mühendislik malzemelerine ihtiyaç duyulmuştur. Bu bağlamda son zamanlarda metalik köpükler, mühendislik malzemeleri arasında önemli bir yer edinmiştir. Metalik köpüklerin sahip olduğu, düşük yoğunluk, yüksek dayanım, titreşim, ses ve darbe sönümleme gibi özellikleri onları diğer mühendislik malzemelerinden ayıran ve önemli kılan en belirgin özelliklerdir [1-3]. Bu özelliklerinden dolayı fonksiyonel olarak otomotiv, demir yolu taşımacılığı, uçak ve uzay sanayi, gemi ve askeri uygulamalarda endüstriyel olarak ise sandiviç yapılarda, panellerde, darbe sönümleyicilerde, ısı değiştiricilerde v.b.
yerlerde kullanılmaktadır [4].
Metalik köpükler darbe enerjisini sönümleyici bir özelliğe sahiptir ve darbe enerjisini deformasyon enerjisine çevirerek köpük ihtiva etmeyen metallerden daha fazla enerjiyi kendi içersinde sönümleyebilmektedir [5-7].
Metalik köpükler, süngerler gibi gözenekli yapıya sahiptir. Doğal bir ürün değildir.
Gözenekli yapı, bazı işlemler uygulandıktan sonra meydana gelir. Doğal köpük ile hiçbir ilgisi olmamasına rağmen görünüm ve bazı özelliklerinden dolayı "metalik köpük" diye adlandırılırlar [8].
Metalik köpüklerle ilgili çalışmayı ilk defa Sosnik, 1948 yılında alüminyum içerisinde civa buharlaştırarak yapmış daha sonra Elliot 1951 yılında aynı metodu tekrarlayarak metalik köpüğü üretmiştir. Daha sonraki yıllarda metalik köpüklerin veya diğer gözenekli metalik yapıların üretim imkânları yeniden gözden geçirilmiştir [9].
Kurşun, çinko, altın ve alüminyum gibi bazı metal ve alaşımlarından metalik köpük malzemeler üretilmektedir [10]. Bu metalik köpük malzemeler arasında alüminyum köpük malzemeler düşük yoğunluk, yüksek süneklik, yüksek termal iletkenliğe sahip olmaları ve düşük maliyetlerinden dolayı diğer metalik köpüklere göre daha fazla ilgi
çekmiştir [11]. Metalik köpük malzemelerin birbirinden farklı üretim yöntemi vardır.
Endüstriyel olarak, ergiyik metal içerisine gaz enjektesi, ergiyik metal içerisine köpürtücü madde ilavesi ve toz metalurjisi (TM) yöntemi en fazla kullanılan üretim yöntemleri arasında yer almaktadır [12].
Yapılan çalışmada, toz metalurjisi yöntemini kullanarak, sıcak presleme işlemi ile Alumix 231 esaslı metalik köpük malzemelerin üretimi gerçekleştirilmiştir. Presleme sıcaklığı, presleme basıncı ve köpürtme sıcaklığı değiştirilerek köpürebilirliğe, gözenek morfolojisine, lineer genişlemeye ve yoğunluğa etkisi araştırılmıştır.
2. METALİK KÖPÜKLER
Metalik köpüklerin geçmişi 1940’lara kadar uzanmaktadır [13]. Hatta metalik köpükler hakkında 1950’lerin sonlarından 1970’lere kadar birçok patent yayımlanmıştır [14]. 1943 yılında Benjamin Sosnick civa yardımı ile alüminyum köpük üretimi girişiminde bulunmuştur. Bunun için Sosnick [15], ilk olarak alüminyum ve civa karışımını kapalı bir kapta, yüksek basınç altında ergitmiş daha sonra basıncı kaldırılınca civa, alüminyumun ergime sıcaklığına yakın bir sıcaklıkta buharlaşarak köpük oluşumunu sağlamıştır. 1956 yılında ise J.C. Elliot [16] hidrür, karbonat, sülfat, hidroksit v.b. gibi köpürtücü maddeler sıvı metaller içersinde ayrıştırarak köpük malzeme üretimine katkıda bulunmuştur. Elliot yapmış olduğu çalışmada sıvı alüminyum içersine köpürtücü madde ajanı olarak TiH2 veya ZrH2 ilavesi ile ilk metalik köpük malzeme üretimini sağlamıştır. 1960 yılında ise Pahsak [17] altarnatif bir yol olarak ‘katı köpük hali’ adı altında ilave bir fikir geliştirmiştir.
Pahsak alüminyum veya magnezyum metal tozunu, MgCO3 veya CdCO3 tozları ile ilk olarak karıştırmış daha sonra ise presleyip ekstrüze etmiş ve bu yapıyı ergime noktasının altındaki bir sıcaklıkta ısıtarak hücresel yapılı malzemeyi üretmiştir.
1987 yılında ise ticari olarak Japon Shinko Wire Şirketi tarafından Alporas olarak adlandırılan tescilli ilk alüminyum metalik köpük malzeme üretilmiştir. Bu yöntem basit olarak ergiyik saf Al, viskozitesini artırmak amacıyla Ca karıştırılmış ve daha sonrasında son olarak içersine köpürtücü madde olarak (gaz meydana getiren madde) TiH2 eklenmesinden meydana gelmektedir [18,19].
1980-1990 yılları arasında da Hydro Aluminium (Norveç) ve Alcan firmaları tarafından ilk defa gaz enjeksiyon yöntemi ile alüminyum ve alüminyum alaşımlı metalik köpük malzemeler üretilmiştir [20]. Günümüzde ise metalik köpükler üzerindeki araştırmalar bilim adamları aracılığıyla devam etmektedir.
Metalik köpükleri en basit şekilde içersinde %70 ile %90 oranında gözenek olan gaz ve katı halde bulunan maddelerin bir birleşimi şeklinde tanımlayabiliriz (Resim 2.1).
Resim 2.1. a) AlMgCu alaşımlı metalik köpüğün X-ray tomogrofik görüntüsü b) Her bir gözeneğin bilgisayar destekli bölümleme ile oluşturulan görüntüleri [21]
Metalik köpükler yapısal olarak sahip oldukları gözeneğin; şekline, boyutuna, yoğunluğuna, anizotropik özelliklerine, açıklık ve kapalılık özelliklerine göre karakterize edilir. Bu bağlamda sahip oldukları gözeneğin yapısına göre sınıflandırıldıklarında açık veya kapalı gözenekli olmak üzere ikiye ayrılırlar. [22].
Metalik köpük malzemelerinin içersinde oluşan gözenekler (hücreler) birbirinden izole edilmiş biçimde ise kapalı hücreli metalik köpük malzeme eğer hücreler birbiri ile bağlantılı ise de açık gözenekli metalik köpük malzemeler denir (Resim 2.2).
Resim 2.2. Metalik köpüklerin makro fotografları (a) Kapalı gözenekli köpük (Alporas), (b) Açık gözenekli köpük (ERG) [23]
a) b)
Literatürde ve pratik kullanımda “metalik köpük” terimi ile alakalı bir anlam karışıklığı vardır. Metalik köpüklerin tam manasıyla ne oldugunu daha iyi anlayabilmemiz için aşağıdaki ifadeleri açıklamak daha yol gösterici olacaktır:
Hücresel Metaller: En kapsamlı kullanılan terimdir. Herhangi bir gazın metalik gövde içerisinde dağılarak boşluk oluşturduğu yapıdır.
Gözenekli Metaller: Genel bir terim olmasına rağmen metalik yapı çok sayıda özel gözeneklerden meydana gelmiştir. Gözenekler genellikle küreseldir ve birbiri ile bağlantısı yoktur.
Metalik Köpükler (Katı): Hücresel metallerin özel bir sınıfıdır. Metalik gövde içersindeki hücreler kapalı, küresel veya çokyüzlü (polihedral) ve her biri birbirinden ince bir filmle ayrılmış halde bulunabilir.
Metalik Süngerler: Genellikle birbirine bağlı gözeneklerin oluşturmuş olduğu hücresel metallerin özel bir yapısıdır [3,10,24]
Resim 2.3. Farklı tip hücresel metaller a) alüminyum metalik köpük
b) hücrelerin tek boyutta genleştiği demir esaslı hücresel metal c) metal sünger formu temsil eden sinterlenmiş bronz tozu d) alüminyum sünger
e) nikel sünger [25].
Metalik köpük araştırmalarını genel olarak iki ana katogoride sınıflandırabiliriz. İlk olarak köpürmenin fiziği, ikinci olarak ise yapı ve özelliklerin karektirezasyonu gelmektedir. Daha iyi metalik köpük üretmek maksadıyla metal köpük oluşumu ve kararlılık ilkesinin temelini anlamak için köpürebilmenin fiziğini çalışmak gereklidir.
Diğer taraftan özelliklerin karekterizasyonu köpük niteliklerinin değerlendirilmesine olanak sağlar ve uygulama alanları açılmış olur. Köpüklerin özelliklerinin araştırılması hususunda Şekil 2.1’de genel bir şablon oluşturulmuştur [26].
Şekil 2.1. Metalik köpüklerin araştırılma alanları [26]
Metalik köpüklerin birbirinden farklı üretim yöntemleri vardır ve farklı şekillerde sunıflandırma yapılabilir. Bu incelemenin amacı doğrultusunda Çizelge 2.1’de verilen sınıflandırma özellikleri yararlı olacaktır. Gözenek oluşumu kullanılan gaz kaynağının çeşidine göre dâhili veya harici olabilir [27].
Çizelge 2.1. Olası sekiz kategoride toplanmış ve her biri şirket, ticaret veya işlem adı ile yazılmış metal köpük yapım işlemlerinin sınıflandırılması [27]
Gaz kaynağının
çeşidi Saf ergiyik
Ergiyiğin çeşidi
Ön şekillendirme ile üretilen Partikül
eklenmiş
in-situ ile oluşturulan
partiküller Dahili
Pötschke AMF Gasar / Lotus
Formgrip Foamcast
LOR, Ethyl Alporas VFT DCP
Alulight/Foaminal Thixofoam
Harici denenmekte
Alcan Hydro Metcomb
denenmekte denenmekte
Şekil 2.2. Çeşitli metal köpüklerin makro yapısı; a) Metcomb Al-köpüğü, b) Formgrip Al-köpük, c) Alporas Al-köpük, d) VFT Mg-köpük, e) Alulight Al-köpük, f) Alporas alaşım (gaz enjeksiyon köpüğü), g) Gaz enjeksiyon ile toz ergitme, h) Pd-esaslı amorf metalik köpük
Köpürebilir terimi bir ergiyikten ne kadar iyi köpük edilebilirliğinin karşılığıdır.
Köpüğün oluşumundan çökene kadar olan zamana köpük oluşumu zamanı denir.
Köpüğün oluşum aşamasında çeşitli stratejiler (örneğin dahili veya harici gaz enjeksiyonu) seçilebilir. Köpükleşme esnasındaki sıcaklık, ısıtma, tutma soğuma aşaması içerir. Temel aşamaları Şekil 2.3’te gösterilmiştir.
(a)
(b)
Şekil 2.3. Köpüğün oluşumunun sistematiği, a) dahili gaz enjeksiyonu ile üretilen metalik köpük b) harici gaz kaynağı yardımı ile oluşan köpük [27]
Metalik köpüklerin oluşum safhasındaki değişimler için Şekil 2.4’te belirtilen terimler daha açoklayıcı olacaktır.
Şekil 2.4. Köpük kararlılığını sınırlayıcı bazı etkenler [14]
Gözenek hareketleri: Köpürme esnasında dış kuvvetlerin etkisi veya iç gaz basıncının değişimi gibi faktörlerden dolayı gözeneklerin birbirine doğru hareketleri ile meydana gelir.
Drenaj: Ergiyik metalin kapilar ve yerçekimi kuvvetlerinden dolayı üç gözeneğin birleştiği plato sınırlarına doğru akmasıdır
Kırılma veya birleşme: Bir köpük duvarının kaybolmasına yol açan ani bir kararsızlıktır.
Gözenek irileşmesi: Oluşan gazın küçük gözenekten büyüğüne doğru basınç farkı ile yavaşça difüzyonu ile gerçekleşir.
Şekil 2.5’de Al esaslı metalik köpüğün X-ray radyoskopide çekilen köpürme oluşumları verilmektedir. Burada fırında tutma süresine bağlı olarak gözeneklerin oluşum morfolojisi gözükmektedir. İlk başta TiH2 ayrışmaya başlar ve ince ufak gözenekler oluşur daha sonra ise daha fazla TiH2 ayrışmasına bağlı olarak gözenekler büyüyerek daha fazla lineer genleşme sergilerler belli bir süre sonra ise maksimum lineer genleşmeye ulaşınca gözenekler kırılır veya birleşerek büzülüler ki biz bu olaya metalik köpüklerde çökme olayı denilmektedir.
Şekil 2.5. Saf Al köpürebilir numune ergime noktasının üzerindeki bir sıcaklığa ısıtılmış ve orada beklenmiştir. Isıtma başladıktan sonra (a) 0 S, (b) 48 S, (c) 60 S, (d) 72 S, (e) 92 S and (f) 200 S köpürme süresinde oluşan yapılar [28]
Ön Madde
Stabilizasyon
Gaz Kaynağı
Köpürme
Ticari İsmi
3. METALİK KÖPÜK ÜRETİM YÖNTEMLERİ
Metalik köpüklerin birbirinden farklı üretim yöntemleri vardır. Bu üretim yöntemlerini çeşitli şekillerde sınıflandırmak mümkündür. Bu sınıflandırmalardan bir tanesi Şekil 3.1’de verilmiştir.
Şekil 3.1. Metalik köpüklerin üretim yöntemleri ve aldığı ticari isimler [13]
Şekil 3.1 metal köpük üretim yöntemlerine genel bir bakış sağlamaktadır. Sıvı ve toz metalurjisi ile metalik köpük üretiminde birinci farklılık ön maddenin ergimiş metal veya metal tozu olup olmadığıdır. İkinci farklılık ise gözeneği oluşturmak için kullanılan gaz kaynağıdır. Bu gaz kaynağı harici bir gaz üfleme kaynağı veya yapı içersinde gaz kaynağı çıkartabilecek köpürtücü madde olabilir. Son olarak çeşitli üretim yöntemlerine bağlı olarak köpüğün stabilizasyon mekanizması da farklılık arz eder. Köpük üretim yöntemlerine bağlı olarak almış olduğu ticari isimler de Şekil 3.1’de verilmiştir [24].
Metalik Köpükler
Sıvı
Ergiyikte Oksitleme
Köpürtücü Madde
Anlık
Alpores
İlave Seramik
Harici Gaz İlavesi
Anlık
Hydro/
Alcan
Köpürtücü Madde
Gecikmiş
Formgrip/
Foamcast
Doğal Viskozite
Çözünmüş Gaz
Anlık
Gasar
Toz
Yerleşik Oksitler
Köpürtücü Madde
Gecikmiş
Foaminal/
Alulight
Metalik köpük üretme yöntemlerinin bir diğer sınıflandırılması ise direkt ve dolaylı yoldan köpürtme olarak iki ana gruba ayrılır. Bu gruplandırma ile metalik köpük üretimi ve ticari olarak üreten firma isimleri ise ayrı olarak Çizelge 3.1’de verildi.
Direkt olarak metalik köpük üretimi, homojen dağıtılmış seramik parçacıkları içeren ergiyik metal içersine gaz kabarcıkları gönderilmek suretiyle meydana gelir. Bu işlemi yapmanın çeşitli yolları vardır; örneğin ergiyik metal içersinde ayrışabilen köpürtücü madde ilave edilerek veya sıcaklık veya basınç kontrolü altında tutulan ergiyik metal içersine çözünmüş gaz göndermek suretiyle de üretilebilir [14].
Dolaylı yoldan metalik köpük üretiminde ise ilk olarak katı ön şekilli numune üretilir. Katı ön şekilli malzeme, metal matris içersinde homojen bir şekilde dağıtılmış köpürtücü madde partikülerinden oluşturulmuştur. Al esaslı aşlımlar için genellikle titayum veya zirkonyum hidrür köpürtücü madde olarak kullanılır. Matris metali ergime sıcaklığına getirildiğinde preform malzeme genleşmeye başlar ve böylece metalik köpük oluşur [14].
Çizelge 3.1. Metalik köpük oluşum aşaması ve işlemi kullanan firmaların üretmiş olduğu alüminyum alaşımlı metalik köpükler ve verdikleri isimler [14]
Direkt köpürtme
alaşımın ergitilmesi alaşımı köpürtebilir hale
getirme gaz kabarcıkları üretme
köpüğün toplanması köpüğün soğutulması
Dolaylı köpürtme
köpürebilir preform hazırlama ergime noktasına kadar ısıtma köpük oluşumu
köpüğün soğutulması
Üretici firma:
(ürünler)
Cymat, Canada (SAF) Foamtech, Korea (Lasom) Hütte Kleinreichenbach (HKB) Austria (Metcomb)
Shinko-Wire, Japan (Alporas) (Distributor:Gleich, Germany)
Üretici firma:
(ürünler)
Alm, Germany (AFS) Alulight, Austria (alulight) Gleich-IWE, Germany Schunk, Germany
3.1. Ergiyik Metalden Direkt Köpürtme
Silisyum karbür, alüminyum oksit veya diğer seramik parçacıklar, Al alaşımlarında köpürebilirliği uygun hale getirebilmek için kullanılabilmektedir. Tipik olarak Al alaşımlarına takviye edilen parçacıkların hacimsel oranları %10 ila % 20 arasında değişmektedir, ortalama parçacık boyutları ise 5 ila 20 µm arasındadır. Gaz enjektesi için genelde hava gazı kullanılır ve gaz enjektesi özel olarak tasarlanmış seramik ve benzeri borular içersinden sıvı içersine gönderilir. Bu seramik boruların bazıları titreşimli veya kendi ekseni etrafında dönecek şekilde tasarlanmıştır (Şekil 3.2).
Gaz enjeksiyon boyunca gaz kabarcıkları köpük yüzeyine yükselmektedir [14].
Eriyik içersinde bulunan parçacıklar kabarcıkların yükselmesi ile yüzeyde toplanır.
Yüzeyde toplanan parçacıklar metal/gaz ara yüzeyinde durarak yüzeye çıkan kabarcıkların yapı içersinden kaçmasını önlemektedirler. Burada üretilen yüzeydeki köpük tabakası taşıyıcı bant v.b. yardımı ile çıkartılır. Böylece metalik köpük üretilmiş olur. Yüzeyde toplanan metalik köpük soğuk ve katılaştırmaya müsait olan
kalıp içersine yönlendirilerek metalik köpük üretilmiş olunur. Köpürtülmüş metal kalıp içersinden çıkarılarak dışarı doğru yönlendirilerek kapalı bir dış yüzeye sahip metalik köpük olarak üretilir. Ayrıca köpürtülen metal kalıptan çıkartıldıktan sonra istenilen şekillerde kesilip kullanılabilmektedir. Matris içersindeki sert parçacıklar kesme işlemi oldukça yavaşlatmaktadır. Bu yöntemle metalik köpük üretiminin avantajları, hacimce çok geniş metalik köpükler üretilmesi ve düşük yoğunluklara ulaşılabilmesidir [14].
Şekil 3.2. Alüminyum esaslı seramik partikül takviyeli metalik köpük üretimi [14]
3.2. Metalik Preform Malzemelerin Köpürtülmesi
Dolaylı yoldan metalik köpük üretimi matris içersine homojen bir şekilde dağıtılmış köpürtücü maddeden oluşturulan numuneye uygulanan ısıl işlem esasına dayanmaktadır (Şekil 3.3) [14].
Kalıp
Isıtılmış pota
Gaz enjeksiyon
Gaz üfleme Parçacık içeren
ergiyik alüminyum
Şekil 3.3. TM yönteminde boşlukların oluşma ve büyüme basamakları [14]
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].
3.4. Ergiyik Metal İçerisine Köpürtücü Madde İlavesi İle Metalik Köpük Üretimi
Ergiyik metalden metalik köpük üretmenin ikinci bir alternatif yolu ise ergiyik içersine gaz enjekte etmek yerine ergiyik içersine köpürtücü madde ilave etmektir.
Köpürtücü madde ısının etkisi altında ayrışır ve gaz açığa çıkarır sonra ergiyik metal içersinde köpürtme süreci başlar. Bu işlemin akış şeması Şekil 3.6’da verilmiştir.
Şekil 3.6. Köpürtücü madde ilavesi ile ergiyik metalin doğrudan köpürtülmesi [24]
1986 yılından bu yana Shinko Wire, Amagasaki, Japan firmaları bu yöntem ile günlük 1000 kg kapasitesinde üretim yapabilmektedir. Bu teknikte ergiyik Al içersine kalsiyum 680 oC sıcaklıkta eklenir. Ergiyik sıvının viskozitenin artması esnasında ergiyik metal karıştırılır bu esnada ergiyik Al içersinde kalsiyum oksit (CaO), kalsiyum-alüminyum oksit (CaAl2O4) veya Al4Ca intermetalik oluşumu meydana gelir. Şekil 3.7’ye bakıldığında farklı oranlarda kalsiyum içeren ergiyik Al da viskozitenin karıştırma süresi ile nasıl değiştiğini vermektedir.
Şekil 3.7. Karıştırma zamanına bağlı olarak viskozitedeki değişimi [24]
Köpük üretiminde genellikle ergiyik içersine ağırlıkça %1.5 ila %3 oranları arasında Ca eklenir. Viskozite istediğimiz değere ulaştıktan sonra yapı ergiyik içersine titanyum hidrür (TiH2) (genellikle %1,6) eklenir. Eklenen bu köpürtücü titanyum hidrür tozu ayrışarak ergiyik viskoz sıvı metal içersinde hidrojen gazı açığa çıkarır.
Böylelikle ergiyik metal yavaş yavaş genleşmeye başlar ve kalıbı (potayı) doldurur.
Köpürme işlemi sabit basınç altında gerçekleşir. Kalıp (pota) soğutulur ve soğutulduktan sonra sıvı alaşım köpük ergime noktasının altına soğutulduktan sonra katı alaşımlı köpük oluşmuş olur ve kalıp içersinden çıkartılarak diğer işlemlere hazır hale gelir. Köpük süreci sadece tek üretim için 15 dakika sürebilir. Bu üretim yönteminde işlem parametrelerinin çok dikatlice ayarlanması ile homojen bir yapıya sahip metalik köpük üretimi gerçekleştirilebilir. Resim 3.3’de bu yöntemle üretilmiş homojen bir köpüğün gözenek morfolojisi gözükmektedir.
Literatüre baktığımızda Titanyum hidrürün (TiH2) yanı sıra zirkonyum hidrür de (ZrH2) Al metalik köpüklerin üretiminde ağırlıkça %0,5 ve 0,6 arasında köpürtücü madde olarak kullanılmaktadır.
Resim 3.3. Alüminyum ergiyik netal içerisine TiH2 eklenerek yapılan metalik köpüğün gözenek yapısı (80x80mm2 boyutlarında) [24]
Bu yöntemle bir defada 2050x650x450 mm boyutlarında Al metalik köpük bloğu üretilmektedir (Shinko Wire firması). Bu bloklar yaklaşık 160 kg, yoğunluğu ise 0,27 g/cm3 gelmektedir. Dış yüzeylerinin kesilmesi ile beraber bu yoğunluk 0,18- 0,24 g/cm3 arasında gözenek boyutu da 2-10 mm arasında değişmektedir [4].
3.5. FORMGRIP Yöntemi
FORMGRIP yöntemi ile metalik köpük üretimi, ergiyik ve toz metalurjisi yöntemlerinin avantajlarını bir arada bulunduran bir yöntemdir. Bu yöntemde kalıp içersinde köpürerek sıkışıp kalan köpürtücü madde ile bir öncül “fırınlama”
malzemesi oluşturmaktır. Öncül malzemenin kalıp içersinde köpürtülmesi toz metalurjisi yöntemi ile üretime benzer fakat bu öncül malzeme ergitme yöntemi ile hazırlanmaktadır. FORMGRIP yöntemi ile metalik köpük üretimin aşamaları Şekil 3.8’de gösterilmiştir. Hazırlanan öncül malzeme AlSi12 tozları ve ön ısıl işlemden geçmiş gaz üreten TiH2 tozları 12,8 mikron partikül boyutuna sahip Al-9Si/SiCp kompozite ergiyik içersine atılarak 1200 rpm hızında mekanik konveksiyonda 50-70 saniye arasında karıştırılır. Bu sürecin kritik noktası, işlem boyunca sınırlandırılmış oranlardaki hidrojen gazının açığa çıktığında durmasıdır. Köpürtücü maddenin oksitlenmesi ve dolayısı ile hidrojen konsantrasyonunu azaltmak için ısıl işlemden geçirilir. Bu ısıl işlem tozun 400 oC 24 saat + 500 oC 1 saat yapılmasıyla bitirilir.
Tozun yüzeyinde oluşan oksit tabakası gaz oluşumu kinetiğini düşürür. Hidrür miktarı ergiyik kütlenin ağırlıkça yaklaşık %1,5’i kadardır. Ergiyik karışım bir kalıbın içersine dökülerek soğutulur ve gözenek büyümesi soğuma tarafından bastırılır. SiC partikul takviyesi köpüğün stabil olması için oldukça önemlidir. SiC parçacıkları hücre duvarları içerisine yerleşerek (Resim 3.4) köpüğün dayanımını, lineer genişleme oranını ve ergiyik metalin viskozitesini artırdığı bilinmektedir [32].
Çıkan öncül malzeme hali hazırda %14-24 oranında gözeneklilik sergiler.
FORMGRIP sürecinin ikinci aşamasında, öncül malzemeyi katılaşma sıcaklığının üzerine ısıtma olacaktır. Bunun sonucu olarak TiH2 yapı içersinde var olan gözeneklere difizyon edip hidrojen gazı açığa çıkararak daha fazla genleşmesine neden olacaktır. Tipik hücre yapısı Resim 3.5’de gösterilmiştir. Bağıl köpük yoğunluğu ve ortalama hücre çapı arasındaki ilişki Cymat köpüklere benzemektedir [20].
Şekil 3.8. FORMGRIP yöntemi [20]
Resim 3.4. FORMGRIP yöntemi ile üretilmiş Al-9Si alaşımlı köpükte SiC parçacıklarının hücre duvarındaki dağılımı a) hücre duvarı, b) plato sınırı [20]
Resim 3.5. Farklı koşullar altında FORMGRIP yöntemi ile üretilmiş numunelerin gözenek yapıları [20] P = gözeneklilik oranı, d = gözenek ebadı, a) P =
%69, d = 1,1 mm, b) P = %78, d = 1,9 mm, c) P = %88, d = 3,1 mm
3.6. Toz Metalurjisi
Bu metotta başlangıç malzemesi metal tozları olduğundan en genel tabiriyle “toz metalurjisi yöntemi” olarak anılmasına rağmen metalik köpük malzeme metal tozlarının sıkıştırılması ile oluşturulmasından dolayı ‘sıkıştırılmış tozların köpürme yöntemi’ olarak da anılmaktadır [4].
Toz metalurjisi TM ile metalik köpük üretim yöntemi (Almanya) bremende Fraunhofer-Enstitüsü tarafından geliştirilmiştir (Resim 3.6). Üretim işlemi oldukça eskiye dayanmasına rağmen son zamanlarda oldukça kaliteli ve memnun edici metalik köpük üretimi gerçekleştirilmektedir [4,34].
Resim 3.6. IFAM toz metalurjisi işlem sırası [35]
Üretim süreci metal tozları- başlangıç metal tozları, alaşım tozları ile köpürtücü madde tozları karıştırılması ile başlıyor ve daha sonra bu tozlar sıkıştırılarak bir blok elde edilir. Prensip olarak sıkıştırma işleminde köpürtücü madde herhangi bir kayda değer kalıntı açık gözeneklilik olmadan metal matriks içine gömülü olmasını sağlayan tekniklerle yapılır. Sıkıştırma sonrası elde edilen bu blok numuneler, köpürebilir öncü malzemelerdir. Karışım tozlar doğrudan sıcak presleme, ekstrüze veya toz haddeleme yapılabilir ancak karışım tozların doğrudan ekstrüze veya haddeleme yapılmadan önce soğuk olarak sıkıştırılması (preslenmesi) daha uygun sonuçlar verebilmektedir. Köpürebilir öncü malzemeyi fırın içersinde katılaşma sıcaklığının üzerine ısıttıldığı zaman ise köpürebilir malzeme (blok) üzerindeki basınç azalır ve köpürtücü madde ayrışarak gaz kabarcıkları meydana getirir. Bu olay şu şekilde meydana gelmektedir; köpürebilir öncü malzeme fırın içersinde ergime sıcaklığına yakın bir sıcaklığa ısıtılırken yapı içerisindeki köpürtücü madde genellikle TiH2 ayrışarak (Ti-H2) hidrojen gazı açığa çıkararır yapı içerisinde hapsolan hidrojen gazları ise gözeneklerin oluşmasını sağlar (Şekil 3.9). Sıcaklığın artmasıyla ve gözenek boyutları da belli bir noktaya kadar artarak devam eder.
Yeterince köpüren malzeme soğutularak kararlı hale gelmesi sağlanır bu sayede metalik köpük malzeme elde edilmiş olur.
Şekil 3.9. 750°C sıcaklıkta köpürtme işlemine tabi tutulan Al/TiH2 karışımının lineer genişleme davranışı (Köpürme öncesi numune boyutu 9 mm, köpürme sonrası maksimum boy 32 mm) [4]
Çinko ve aluminyum alaşımları için, köpürtücü madde olarak titanyum veya zirkonyum hidrür (TiH2, ZrH2) tozları kullanılmaktadır. Çeliklerde ise köpürtücü madde olarak SrCO3 gibi karbonatlar kullanılır. Köpürtücü madde olarak metal hidrürlerin kullanılmasında %1 den az kullanılması yeterli olacaktır [4].
Bu yöntem sadece aluminyum ve alaşımları ile sınırlı değildir, kalay, çinko, kurşun, altın ve diğer bazı metaller ve alaşımları da uygun köpürtücü madde işlem parametreleri seçilerek köpük malzeme olabilirler. Ancak metalik köpükler için en sık kullanılan alaşımlar saf alüminyum veya 2xxx, 6xxx gibi dövme alaşımlardır.
AlSi7Mg(A356) ve (AlSi12) döküm alaşımları da prensip olarak düşük ergime noktası ve iyi köpük özellikleri nedeni ile kullanılırlar. Şekil 3.10’da kurşun köpüğün kesiti görülmektedir. Hücre boyutları ve şekillerinin dağılımı bu üretim yöntemi için tipik bir rastgelelik sergiler. Öncül malzemeden alınan bir parça fırın içersinde ısıtılırken herhangi bir yönde sınırlı olmadıkça rastgele köpürür. Eğer biz içi boş bir kalıp içersine öncül malzemeyi koyarsak ve fırın içersinde ısıtırsak genleşme kalıp içersinde olur ve böylece net şekilli metalik köpük parçalar üretilmiş olunur.
Köpürme esnasında metalik köpüğün kalıp içersine iyi bir şekilde doldurulabilmesi için köpüğün akış koşullarını iyileştirmek gerekir bu yüzden kalıp geometrisini buna göre tasarımlamak gerekir [4].
Metalik köpük üretim yöntemleri içersinde TM yöntemi en yaygın kullanılan yöntemlerden biridir ve bu alanda yoğun çalışmalar yapılmaktadır [20]. TM yöntemi ile üretilen parçalar Resim 3.7 ve 3,8’de görülmektedir.
Resim 3.7. Toz metalurjisi yöntemi ile üretilen kurşun köpük [4]
Resim 3.8. Toz metalurjisi yöntemi ile kalıpta köpürtülerek üretilen alüminyum köpük parçalar [9,36]
Resim 3.9. Gazi Üniversitesi, Teknoıloji Fakültesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği laboratuarında üretilen Al esaslı kapalı gözenekli metalik köpük malzemeler (en alttaki köpük levha 250x250x20 mm3 ölçüsündedir)
Bu yöntemin güzel bir tarafıda metalik köpük ile bulk metali yapıştırıcı olmaksızın birbiri ile birleştirerek kompozit yapılar oluşturulmasıdır. Bunlara örnek olarak metalik köpük doldurulmuş profiller ve sandviç yapılar örnek olarak verilebilir.
Çizelge 3.2’ de toz sıkıştırma yönteminin avantajları açıkca verilmiştir. Daha önceden bahsettiğimiz iki özelliğinin yanı sıra tozlardan öncül malzemeyi hazırlamadaki esneklik çok önemlidir [34].
Çizelge 3.2. Toz metalurjsi yönteminin özellikleri [37]
Avantaj Problem Dezavantaj
Farklı geometrilere sahip
köpükler üretilebilir Gözenek yapısı tam olarak
homojen değildir Tozların aşırı maliyeti Kompozitler üretilebilir Süreç denetimi
geliştirilmeli
Çok büyük parçaların üretimi zordur Farklı alaşım elementleri
kullanılabilir - -
Köpük kararlılığını dengeleyici parçacıklara
ihtiyaç yoktur
- -
Seramikler ve fiberler
Eklenebilir - -
3.7. Sıcak Presleme İle Metalik Köpük Üretimi
Metalik köpük malzemelerin birbirinden farklı pek çok üretim metodu vardır.
Bunlardan bir tanesi son zamanlarda uygulanabilirliği artmış ve endüstriyel olarak kullanılmaya başlanılmış olan TM yöntemidir. TM yönteminin birbirinden farklı üretim yolları vardır. Bu üretim yollarından bir tanesi de tozların sıcak preslenmesidir. Sıcak presleme yönteminde işlem sırası Şekil 3.11’da verilmiştir.
Şekil 3.10. Toz metalurjisi yöntemi ile farklı işlemler uygulanarak metalik köpük malzeme üretilmesinin şematik olarak gösterimi [31]
Sıcak presleme, gerilme destekli yoğunlaşmanın bir ifadesidir. Kalıpta yapılan sıkıştırmaya benzer bir şekilde, sıcak presleme de Şekil 3.12’de gösterildiği gibi tek eksenli sıkıştırma uygulanarak bir kalıp içinde yapılır. Grafit kalıplar endüksiyon ile ısıtmaya uygundurlar, ancak malzemede kirlenmeye neden olabilirler. Diğer kalıp malzemeleri molibden alaşımları gibi refrakter metaller, alümina ve silisyum karbür gibi seramikleri kapsar. Bu tür durumlarda kalıbın ve parçanın ısıtılması için ısıtıcılara gerek vardır [38].
Sıcak presleme sırasında ilk yoğunlaşma, parçacıkların yeniden düzenlenmesi ve parçacık temas noktalarındaki plastik akış ile olur. Etkili gerilme kendiliğinden akma gerilmesinin altına düştüğünde, daha fazla yoğunlaşma tane sınırı ve hacim yayınım oranlarına bağlıdır. Sıcaklık kritik bir faktördür ve küçük tane boyutları yoğunlaşmaya yardımcı olur [38].
Şekil 3.11. Tek eksenli sıcak preslemenin kesit görünüşü [38]
Köpüğün oluşum ilkeleri
Bu teknik aluminyum veya aluminyum alaşım tozu ile uygun olan köpürtücü maddeyi karıştırmakla başlar. Karışım tozlar doğrudan sıcak presleme, ekstrüzyon veya toz haddeleme yapılabilir. Ekstrüzyon veya haddeleme öncesi tozların soğuk olarak preslenmesi daha uygun olur. Karışım toz kalıp içerisinde sıkıştırılarak yoğunluk kazandırılmış katı bir ürün elde edilir bu ürüne köpürebilir preform malzeme denir.
Şekil 3.12. Metalik köpüklerin toz metalurjisi yöntemi ile üretimi [39]
4. METALİK KÖPÜKLERİN KULLANIM ALANLARI
Metalik köpükler birbirinden farklı mekanik ve fiziksel özellikleri bir arada bulundurmalarından dolayı kullanım alanları oldukça geniştir. Metalik köpüklerin bu farklı özelliklerini şu şekilde sıralayabiliriz;
Düşük yoğunluklarda yüksek rijitlik,
Darbe yönüne bakılmaksızın yüksek oranlarda darbe enerjisini sönümleme,
Isı izalasyonu,
Ses sönümleme, elektromanyetik koruyucu, ve titreşim sönümleme,
Yanmayan ısı direnç malzemesi,
Tamamen geri dönüştürülebilir olmasıdır [40].
Metalik köpük malzemeler hücrelerinin açık veya kapalı olmalarına göre farklı kullanım alanları meydana gelmektedir. Bu nedenle metalik köpüklerin uygulama alanlarını hücre yapısına göre yapısal ve fonksiyonel olarak sınıflandırabiliriz (Şekil 4.1).
Şekil 4.1. Metal köpüklerin kullanım alanlarının gözenek ve uygulama türüne göre gruplandırılması [4]
Alüminyum köpük malzemeler düşük yoğunluk, yüksek rijitlik, yüksek enerji sönümleme gibi üstün nitelikli özellikleri bir arada bulundurmalarından dolayı otomotiv, havacılık, demir yolu ve motor yapım endüstrilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrıca alüminyum köpük malzemeler, mimaride ve üstün özellik gerektiren yerlerde potansiyel uygulamaları vardır. Bu tip yerlerde kullanılan köpük malzemeler; elektro manyetik koruyucu, yapısal sönümleme, aleve dayanıklı ve dekoratif olarak kullanılmaktadır [9].
Uygulama alanı
Metalik köpükler hafif yapılı malzeme özelliklerine sahip olduklarından enerji sönümleme gerektiren yerlerde, akustik veya termal kontrol gerektiren yerlerde kullanımı onları oldukça çekici hale getirmiştir. Bu tip yerlerde kullanım, metalik köpüklerin ilk geliştirilmeinde etkili olmuştur ve bu uygulamalar otomotiv endüstrisi kapsamında değerlendirilebilir. Potansiyel uygulamaları olarak da gemi inşası, hava ve uzay endüstrisi, sivil mühendislik gibi yerler örnek olarak verilebilir. Şekil 4.1’de çeşitli uygulamaları gösterilmektedir.
Hafif yapılar: metalik köpük malzemeler mühendislik bileşenlerinin ağırlık-spesifik bükülme mukavemetini optimize etmede kullanılabilirler. Örneğin verilen ağırlıktaki, genişlik ve uzunluk yassı köpük levhaların eğilme dayanımları panellerin kalınlıkları ve yoğunlukları ile yaklaşık olarak orantılıdır. Olası her durumda hafif yapılarda yük-deformasyon eğrisinin yarı elastik ve geri dönüşümlü kısmından yararlanılır (Şekil 4.2).
Enerji sönümleme: metalik köpüklerin sahip oldukları yüksek oranlardaki gözenekler sayesinde, malzemenin gerilmesi basınç mukavemeti ile sınırlandırıldığında deforme edilirken yüksek oranlarda mekanik enerjiyi sönümleyebilirler. Bu nedenle metalik köpük malzemeler çarpışma durumlarındaki limit hızlanmalarında darbe enerjisini emici olarak kullanılırlar.
Akustik ve termal kontrol: Belirli koşullar altında metalik köpük malzemeler sesi sönümleyip, titreşimi de engelleyebilirler. Ayrıca termal iletkenlikleri oldukça düşüktür. Ses yalıtım malzemesi olarak polimer esaslı köpük malzemelerde kullanılmaktadır. Polimer esaslı köpük malzemeler, metalik köpük malzemelere oranla sesi daha fazla sönümleyebilirler fakat metalik köpük malzemeler sahip oldukları diğer özelliklerinin birleşimi ile daha kullanılışlıdırlar [41].
4.1. Köpük Metallerin Yapısal Uygulamaları
4.1.1. Otomotiv endüstrisi
Herhangi bir olası kaza anında otomobil güvenliğinin geliştirilmesi için alınan önlemler, araç ağırlığının artmasına yol açmıştır. Araç ağırlığının fazla olmasıda daha fazla yakıt tüketimine yol açmıştır. Ağırlıktaki düşüşü sağlamak içinse özellikle Avrupada ve Japonyada araçların boyutları küçültülmektedir. Fakat aracın boyutlardaki bu düşüş daha az yolcu alınmasına sebep olmuştur. Bu nedenle yolcuların konforunu bozmamak ve otomobillerin boyutlarını değiştirmeden ağırlıktaki düşüşü sağlamak için yeni motor bloklarını ve diğer yapıların ağırlığını azaltmak gerekmektiği düşünülmüştür. Bu düşünce motor bölmesindeki ısı dağılımı ile yeni problemler meydana getirmiştir. Bu sorunlar motor aksamlarının çok yakın aralıklı olması ve çarpışma esnasında çökme bölgeleri azaltılmış uzunluğu olmasından kaynaklanmıştır. Nihayetinde otomobillerin akustik emisyonlarını azaltmak için yeni ses absorbe edici malzeme olarak metalik köpüklerin kullanılması başlamıştır [4].
Şekil 4.2’de metalik köpüklerin otomotiv endüstrisine kullanımına ilişkin uygulama alanları verilmiştir. Kutularla verilen mekanik özellikler daireler içerisinde verilen üç uygulama alanlarından bir tanesi için bunu kullanışlı yapan köpüğün ilgili özelliklerini içermektedir [25].
