INVESTIGATION OF THE MICROSTRUCTURAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF ZK60/15% SILICON CARBIDE AND 0.2 - 0.5% NANO ALUMINUM NITRIDE REINFORCED COMPOSITES

Abstract

ABSTRACT

In this study, the microstructure, hardness, compression, wear, thermal properties, immersion, and potentiodynamic corrosion behaviors of extruded ZK60 matrix composites reinforced with forty-five µm 15% silicon carbide (SiC) particles and aluminium nitride nanoparticle (AIN) reinforcement (0.2-0.5% 760nm) were examined. The manufacturing procedure includes preparing, pressing, and sintering powder mixtures; alloying and casting with melt-based induction mixing; homogenizing and extruding; and, as a last step, checking the microstructure, hardness, compression, wear, corrosion, and thermal properties. a unique technique known as liquid-based mixing was used to prevent the agglomeration of nanoparticle powders and to guarantee their homogeneous distribution while creating powder blends. It was made up of a mixture of 15% SiC,15% SiC with 0.2% AlN, and 15% SiC with 0.5% AlN nanoparticles. The composites' reinforcing materials, SiC and AlN mixes, were first combined with magnesium powder as the primary alloy, crushed under 450 MPa of pressure, and sintered at 420°C. Second, the melt is mechanically mixed after the sintered compacts are added to the ZK60 alloy matrix at the semi-solid melting temperature. The melts are combined for 30 minutes to create a homogenous mixture. The homogeneous mixture is then poured into metal molds to create composite samples. The composite samples were extruded at 300°C with an extrusion ratio of 16:1 and a piston speed of 0.3 mm/s after being homogenized for 24 hours at 400°C. Microstructure studies of the produced samples were done for cast, homogenized, and extruded samples. Microstructure studies revealed that SiC and AlN additions were distributed uniformly across the matrix. Agglomerations in the structure were seen as the reinforcement ratio grew to 0.5%. The number of secondary phases has significantly decreased, but the size of the α-Mg grains has not changed significantly, according to the microstructure images of the homogenized samples. The dynamic recrystallization (DYK) that occurs during hot extrusion causes all alloys to noticeably reduce their grain size in the post-extrusion microstructure pictures. After microstructure characterization the hardness analysis, the compressive strength, and the dry friction behaviour of all composite samples was investigated. Depending on the percentage ratios of SIC and AlN reinforcement elements in the matrix, it was seen that the compressive strength and hardness of the composites increased, and the friction coefficient decreased. While the wear rate of the unreinforced ZK60 alloy was 4.5e-5 g/m, this value decreased by 37.5 percent to 2.5e-5 g/m in the 0.5% AlN +15% SiC reinforced ZK 60 alloy. In addition, according to the percentages of SiC and AlN reinforcing elements in the matrix, the corrosion resistance increased. It was discovered that the reinforced ZK60+ 15% SiC (ZK60І), ZK60+ 15% SiC+ 0.2% AIN (ZK60ІІ), and ZK60+ 15% SiC+ 0.5% AIN (ZK60ІІІ) compounds had potentiodynamic corrosion resistance that was 1.6, 1.8, and 3.5 times higher than that of the unreinforced ZK60 alloy. The calculated immersion corrosion rates for the unreinforced ZK60, ZK60І , ZK60ІІ, and ZK60ІІІ reinforcements were 2090.73, 1748.19, 1479.84, and 1397.79 (mg/year), respectively. The presence of a layer rich in Si-O elements on the surface of the AlN+SiC reinforced composites boosted corrosion resistance, according to the results of the SEM and elemental spectrum response analysis of the corrosion surfaces. According to the XRD results, the creation of Mg2Si intermetallics in the structure of the SiC reinforced composites increased corrosion resistance.

ÖZET

Bu çalışmada, kırk beş µm %15 silisyum karbür (SiC) parçacıkları ve alüminyum nitrür nanoparçacık (AIN) ile güçlendirilmiş ekstrüde ZK60 matris kompozitlerin hibrit kompozitlerin mikro yapısı, sertliği, sıkıştırma, aşınma, termal özellikleri, daldırma ve potansiyodinamik korozyon davranışları takviye (%0.2-0.5 760nm) incelenmiştir. Üretim prosedürü, toz karışımlarının hazırlanmasını, preslenmesini ve sinterlenmesini içerir; eriyik bazlı indüksiyon karışımı ile alaşımlama ve döküm; homojenleştirme ve ekstrüzyon; ve son adım olarak mikro yapı, sertlik, sıkıştırma, aşınma, korozyon ve termal özelliklerin kontrol edilmesi. Toz karışımları oluşturulurken nanopartikül tozların topaklanmasını önlemek ve homojen dağılımlarını garanti altına almak için sıvı bazlı karıştırma olarak bilinen benzersiz bir teknik kullanıldı. %15 SiC(p), %15 SiC(p) ve %0,2 AlN karışımından yapılmıştır, ve %15 SiC(p) ve %0,5 AlN nanoparçacıkları. Kompozitlerin takviye elemanları olan SiC ve AlN karışımları önce ana alaşım olarak magnezyum tozu ile karıştırıldıktan sonra 450 MPa basınç altında preslenmiş ve 420°C'de sinterlenmiştir. İkinci olarak, sinterlenmiş parçalar yarı katı erime sıcaklığında ZK60 alaşım matrisine yerleştirilir ve eriyik mekanik olarak karıştırılır. Eriyikler 30 dakika karıştırılıp homojen bir karışım oluştuktan sonra karışımlar metal kalıplara dökülerek kompozit numuneler elde edilir. 400°C'de 24 saat homojenizasyondan sonra kompozit numuneler 300°C'de 16:1 ekstrüzyon oranı ve 0,3 mm/s piston hızı ile ekstrüde edildi. Döküm, homojenize ve ekstrüde edilmiş numuneler için üretilen numunelerin mikroyapı analizleri yapılmıştır. Mikro yapı çalışmaları, SiC ve AlN ilavelerinin matris boyunca düzgün bir şekilde dağıldığını ortaya çıkardı. Donatı oranı büyüdükçe yapıdaki yığılmalar görüldü. %0,5 Homojenleştirilmiş numunelerin mikro yapı görüntülerine göre, ikincil fazların sayısı önemli ölçüde azaldı, ancak α-Mg taneciklerinin boyutu önemli ölçüde değişmedi. Sıcak ekstrüzyon sırasında meydana gelen dinamik yeniden kristalleşme (DYK), tüm alaşımların ekstrüzyon sonrası mikroyapı resimlerinde tane boyutlarını belirgin şekilde küçültmesine neden olur. SiC ve AlN takviyesi genel olarak sertliği ve basınç dayanımını arttırmıştır. Mikroyapı karakterizasyonu ve sertlik analizinden sonra, tüm kompozit numunelerin kuru sürtünme davranışları incelenmiştir. Matris içerisindeki SIC ve AlN takviye elemanlarının yüzde oranlarına bağlı olarak kompozitlerin basınç dayanımı ve sertliğinin arttığı, sürtünme katsayısının ise azaldığı görülmüştür. Takviyesiz ZK60 alaşımının aşınma oranı 4,5e-5 g/m iken, %0,5 AlN + %15 SiC takviyeli ZK 60 alaşımında bu değer yüzde 37,5 azalarak 2,5e-5 g/m oldu. Ayrıca matristeki SiC ve AlN takviye elemanlarının yüzdelerine bağlı olarak korozyon direncinin arttığı görülmüştür. Sonuç olarak, güçlendirilmiş ZK60+ %15 SiC (ZK60SiC15), ZK60+ %15 SiC+02AIN (ZK60SiC15AlN0.2) ve ZK60+ %15 SiC+ %0,5 AIN (ZK60SiC15AlN0.5) bileşiklerinin potansiyodinamik korozyon direncinin 1,6 kat arttığı görüldü. , takviyesiz ZK60 alaşımına kıyasla 1,8 ve 3,5 kat. Daldırma korozyon oranları takviyesiz ZK60, ZK60SiC15, ZK60SiC15AlN0.2 ve ZK60SiC15AlN0.5 donatılar için sırasıyla 2090.73, 1748.19, 1479.84 ve 1397.79 (mg/yıl) olarak hesaplanmıştır. Korozyon yüzeylerinin SEM ve elementel spektrum tepki analizleri sonucunda, AlN+SiC takviyeli kompozitlerin yüzeyinde Si-O elementlerice zengin bir tabakanın varlığı korozyon direncini artırmıştır. Ek olarak, XRD sonuçlarına göre SiC takviyeli kompozitlerin yapısında Mg2Si intermetaliklerin oluşumu korozyon direncini iyileştirmiştir.