Metal Matris Kompozitleri: Gelişmiş Malzeme Yeniliğine Derin Bir Bakış
Mukavemet ve aşınmayı iyileştirmek için diğer malzemeler ile güçlendiren metal matris kompozitler, sağladıkları faydalar ve avantajlar sayesinde sıklıkla tercih edilir. Mühendisliğin sınırlarını zorlayan malzemeler yaratan metal matrisli kompozitlerin yüksek performanslı polyester reçinelerle buluşmasıyla güç ve esnekliğin sinerjisini keşfedebilirsiniz. Peki metal matris kompozitler nedir? Bu sorunun cevabı yazımızda.
İçindekiler
ToggleMetal Matrisli Kompozitlerin Tanımı
Metal matrisli kompozitler (MMK), bir metal parçası ve bir malzeme ya da farklı bir metal parça olmak üzere en az iki bileşen parçasından oluşan kompozit malzemelerdir. Matris yapısal uygulamalarda genellikle magnezyum, titanyum veya alüminyum gibi daha hafif bir metalden oluşur. Yüksek sıcaklık uygulamalarında ise genellikle kobalt ve kobalt-nikel alaşımlı matrisler tercih edilir. Metalik matris malzemesine gömülebilen malzemelerden bazıları sürekli karbon, silisyum karbür ya da seramik fiberler olarak sıralanabilir.
MMK’ler özellikle otomotiv sektöründe giderek daha yaygın ve popüler bir alternatif haline gelmiştir. Genellikle matris olarak alüminyum gibi bir metal kullanılır ve silisyum karbür gibi bir fiber kullanılarak güçlendirilir. İçinde bulunduğumuz uzay çağı, yüksek spesifik sertliğe ve sıfıra yakın yakın genleşme katsayısına sahip (CTE) olan metal matrisli kompozitere duyulan ihtiyacı ve talebi arttırmıştır.
Metal Matrisli Kompozitlerin Özellikleri
Metal matrisler, polimerik matrislere kıyasla sağladıkları avantajlar sayesinde daha zorlu ortamlarda, daha uzun süre dayanıklılık göstermesi gereken uygulamalarda sıklıkla kullanılır. Polimerik matrislere göre çoğu metal daha fazla akma dayanımı gösterir. Metal kullanımının sağladığı bir diğer avantaj da plastik olarak deforme edilebilir olması ve pek çok mekanik ve termal işlem ile güçlendirilmeye elverişli olmasıdır. MMK’ler kullanıldıkları uygulamalara bağlı olarak malzemeye göre tasarlanabilir. Tüm bunlara ek olarak MMK’lerin öne çıkan bazı özellikleri şunlardır:
- Yangına dayanıklı bir malzemedir.
- Çok daha geniş bir sıcaklık aralığında çalışılmasına imkan tanır.
- Diğer alternatiflere kıyasla daha iyi elektriksel ve termal iletkenlik sağlar.
- Olası bir radyasyon hasarına karşı mukavemet gösterir.
- Gaz çıkışını gösterir.
- Düşük CTE seviyesine sahiptir ve hafif bir malzemedir.
- İyi sönümleme ve yüksek sıkıştırma dayanımı gösterir.
- Yüksek spesifik sertlik ve dayanıklılık gösterir.
Metal Matrisli Kompozitlerin Avantajları Nelerdir?
Metal matrisli kompozitlerin öne çıkan avantajları şu şekildedir:
- Diğer polimer matrisli kompozitlere kıyasla daha yüksek sıcaklık kapasitesine sahiptir.
- Yangına karşı mukavemet gösterir.
- Daha yüksek enine sertlik ve dayanıklılık gösterir.
- Nem emilimi yoktur.
- Elektriksel ve termal iletkenlikleri daha yüksektir.
- Radyasyon direnci daha iyidir.
- Gaz çıkışına müsaade etmez.
- Bıyık ve partikül takviyeli MMK’ler, geleneksel metal işleme ekipmanları ile üretilebilir.
Dezavantajları Nelerdir?
Avantajların yanı sıra metal matrisli kompozitlerin bazı dezavantajları da vardır. Bu dezavantajlar şu şekilde sıralanır:
- Bazı malzeme sistemlerine kıyasla daha yüksek bir maliyete sahiptir.
- Diğer uygulamalara kıyasla nispeten olgunlaşmamış bir teknoloji söz konusudur.
- Döküm hariç fiber takviyeli sistemler için imalat yöntemleri karmaşık bir yapıdadır.
- Sınırlı hizmet deneyimine sahiptir.
Metal matrisli kompozitler ile alakalı çalışmalar 1950’lilerin sonunda başlasa da henüz gelişiminin başlarındadır. İlerleyen zamanlarda farklı önemli sistemler de ortaya çıkacaktır.
Üretimi Nasıl Gerçekleşir?
MMK’lerin üretim süreci şu şekilde ilerler:
- Yüksek basınçlı difüzyon bağlama işlemi: Sürekli fiber takviyeli MMK’lerin üretim prosesinde kullanılır. Metal folyo katmanları uzun lifler ile sıkıştırılır. Sonrasında da bir matris oluşturulacak şekilde bastırılır.
- Döküm işlemi: Sürekli fiber takviyeli MMK’lerin üretim sürecinde kullanılır. Erimiş metal bir forma enjekte edilir. Bu erimiş metallerin içine öncesinde lifler yerleştirilir.
- Toz metalürjisi işlemi: Bu üretim prosesi, süreksiz olarak güçlendirilmiş MMK’lerin üretilmesinde kullanılır. İlk etapta toz metal ve süreksiz takviye karıştırılır. Sonrasında da sıkıştırma, gazdan arındırma ve termo-mekanik işlemlerden geçirilerek birleştirilir.
- Fiziksel buhar biriktirme: Fiber, kalın buharlaşmış metal bulutundan geçirilir. Sonrasında da kaplanır.
Preforma edilmiş alüminyum veya metal matrisli bir kompozit bileşeni üretmek için süreksiz, parçacık takviyeli veya sürekli elyaf takviyeli parça üretme süreci gerçekleştirilir. Bu süreçte son parça olarak şekillendirilen bir ön kalıp ile başlar.
MMK üretiminde dikkat edilmesi gereken belli başlı etkenler vardır. Bu etkenler şu şekilde sıralanabilir:
- Takviye elyaflarının dayanıklılığının muhafaza edilmesi.
- Elyafların matrisler ve matris katmanları ile arasında güçlü bir bağ sağlanması.
- Kritik uzunluktan daha uzun olan doğru elyaf uzunluğunun sağlanması.
- Elyafların düzgün dağılmasının sağlanması.
- Fiberlerin uygulanan yük yönünde yönlendirilmesi.
- Matriste MMK’nin gerekli şekil ve boyutlarını elde edilmesi.
Metal Matrisli Kompozitlerin Uygulama Alanları Nelerdir?
MMK’lerin en yaygın uygulama alanlarından birkaçı şunlardır:
- Yarış motorları için itme çubukları,
- Karbür matkaplar,
- Tank zırhları,
- Otomotiv endüstrisi (disk frenler, tahrik mili, motorlar),
- Uçak bileşenleri (jetin iniş takımının yapısal bileşeni),
- Bisiklet çerçeveleri,
- Uzay sistemleri,
- Elektronikte yüksek yoğunluğa sahip çoklu çip molekülleri,
- Parçacık hızlandırıcıdaki parçalar,
- Yüksek hızlı robotlar için kullanılan plakalar.
MMC teknolojisinin gelişmesi ile birlikte kullanım alanları da artacaktır.
Kullanılan Takviye Elemanları ve Özellikleri
MMK’lerin içerdikleri takviye elemanları, kimyasal içeriklerine göre karbürlü, oksitli ve nitrürülü olmak üzere üçe; şekilsel özelliklerine göre ise partikül, visker, fiber ve metalik olmak üzere dörde ayrılır.
Partükül takviyeliler düşük maliyete sahiptir ve yüksek hacimde takviye ilavesine olanak tanır. Bu üretimde genellikle döküm veya toz metalürjisi uygulanır. Bazı durumlarda ise partiküller kaplanır.
Vikser takviyeli MMK’ler ise uzunluk/çap oranına sahip olan tek kristalli malzemeler olarak öne çıkarlar. İzotropik ve anizotropik özelliklere sahiptirler.
Fiber takviyeliler ise iki gruba ayrılır: Sürekli ve süreksiz olanlar. Sürekli olanlar yüksek sertlik ve yüksek dayanıklılık gösterir. Devamlı fiber takviyesi olarak da silikon karbür, grafit, alümina ve tungsten fiberler kullanılır. Kısa fiber ve partikül takviyeli olan MMK’ler ise takviyesiz metal alaşımlarına kıyasla daha yüksek sertlik, dayanıklılık ve boyutsal kararlılık gösterir. Fiberler malzeme yüke ve darbeye maruz kaldığında matris üzerinde oluşan gerilimler homojen olarak dağıtılır ve böylece hem plastik deformasyonu oluşumu engellenir hem de kompozitler yapısal olarak kararlı kalırlar.
Metal Matrisli Kompozitlerin Üretim Yöntemleri
Metal matrisli kompozitler, her ne kadar yüksek mekanik ve termal özelliklere sahip olsa da yalnız çok özel kullanım alanlarında uygulanır. MMC kullanımının yaygınlaşmasındaki en temel engeller kompleks üretim gereksinimleri ve son ürünün yüksek maliyeti gibi eksikliklerdir. Bunun yanında metal matrisli kompozitlerin endüstriyel alanda sıklıkla kullanılmasının nedenleri de takviye elemanı imalatı ve kompozit üretim tekniklerindeki gelişmelerdir.
MMK’lerin üretim yöntemleri metalik matrisin üretim sırasındaki sıcaklığına göre sınıflandırılır. Bu sınıflandırmaya göre üretim yöntemlerini beş gruba ayırmak mümkündür:
- Sıvı Faz Üretim Yöntemleri: Ekonomik, avantajlı teknik öneme sahip bir yöntemdir. Sıvı faz yöntemi ile üretim genellikle karıştırma döküm, infiltrasyon ve sıkıştırma veya basınç olarak üçe ayrılır.
- Katı Faz Üretim Yöntemleri: Bu yöntemde matris ile takviye malzemesi birbirine tam olarak karıştırılmak zorundadır. Bu karıştırma işleminden sonra, karışımdan klasik toz metalürjisi yöntemleri ile numune elde edilir. Katı faz üretim yöntemleri arasında bulunan toz metalürjisi ve difüzyonla bağlama yöntemi sıklıkla tercih edilir.
- İki Faz (sıvı-katı) Üretim Yöntemleri: Faz diyagramında hem katı hem de sıvı bölgede bulunan matris ve takviye elemanının karıştırılması anlamına gelir. Ospray biriktirme, compodöküm ve çok fazlı malzemelerin değişken biriktirilmesi olmak üzere üç tekniği vardır.
- Biriktirme Üretim Yöntemleri: Bu yöntemde fiberler matris malzemesi ile kaplanır ve yapısal şeklin sağlanması için difüzyon bağlama işlemi yapılır. Döküm yöntemi kullanılarak elde edilen kompozitlere kıyasla daha homojen bir yapıya sahiptirler. Daldırma kaplama, elektro kaplama, sprey biriktirme, kimyasal buhar biriktirme (CVD), fiziksel buhar biriktirme (PVD) ve sprey biçimlendirme olmak üzere altı ana gruptan oluşur.
- In-Situ Üretim Yöntemleri: Bu yöntem iki safhadan oluşur: Ergimiş metal ile kullanılan gaz arasındaki reaksiyonu kontrol etmek ve takviye elamanlarını oluşturmak için bileşenler arasında endotermik reaksiyonlar oluşturmak.