Ti6Al7Nb alaşımının minimum miktarda yağlama ve ultrasonik titreşim destekli hibrit sürdürülebilir ortogonal tornalanmasının araştırılması
Investigation of minimum quantity lubrication and ultrasonic vibration assisted hybrid sustainable orthogonal turning of Ti6Al7Nb alloy
- Tez No: 1011921
- Danışmanlar: PROF. DR. ALPER UYSAL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: İmal Usulleri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Biyomedikal alanında güncel gelişmeler, implant malzemelerinde mekanik dayanım, biyouyumluluk, daha iyi aşınma direnci sağlayan malzemeler üzerine odaklanılması ihtiyacını doğurmuştur. Bu bağlamda implant malzemesi olarak yaygın kullanılan Ti-6Al-4V alaşımının ihtiva ettiği vanadyum iyonları vücut içerisinde uzun vadede toksik özellik sergileyebilme potansiyellerinin önüne geçilebilmesi amacıyla toksik olmayan ve Nb içeren Ti-6Al-7Nb alaşımı geliştirilmiştir. Talaşlı imalat kullanılarak üretilen metal implantların ömür ve biyouyumluluk özellikleri, imalat aşamasında ortaya çıkan kesme kuvvetleri, kesme sıcaklığı, takım aşınması gibi faktörler ve kesme parametreleri, soğutucu/yağlayıcı kullanımı vd. çok sayıda faktörden etkilenmektedir. İmalat sürecini kapsayan bu faktörler, işlenmiş implantların yüzey ve yüzey altında mikroyapısal değişim ve dönüşümlere yol açarak implantın korozyon, yorulma vb. özelliklerinde değişimlere yol açabilmekte, implantlarda arzu edilmeyen doku uyum problemleri ve ilave ameliyatlara sebebiyet verebilmektedir. Bu nedenle çoğu zaman implantlara talaşlı şekillendirme sonrası ikincil yüzey iyileştirme işlemleri uygulanmakta ilave imalat maliyetleri ve karbon emisyonları ortaya çıkmaktadır. İmalatta yüksek kesme kuvvetleri enerji sarfiyatını arttırmakta, kullanılan kesme sıvıları, kesici takımların ani aşınması karbon emisyonlarında artışa yol açmaktadır. Ayrıca, son yıllarda iklim değişikliğine karşı küresel ölçekte atılan adımlar ve değişen yasal düzenlemeler, talaşlı imalatta işlenebilirlik performansının yanı sıra sürdürülebilir imalatı içeren yeni strateji ve çözümlerin geliştirilmesini zorunlu kılmaktadır. Tüm bu bileşenler doğrultusunda bu tez çalışması ile Ti-6Al-7Nb alaşımının hem işlenebilirlik ve ürün performansını geliştirecek hem de sürdürülebilir talaşlı imalatını sağlayacak stratejiler geliştirilmiştir. Bu esasla sürdürülebilir imalat yöntemleri arasında yer alan ultrasonik titreşim destekli tornalama, GNp ve/veya MoS2 nano parçacık içeren mono ve hibrit nanoakışkanlı MMY yöntemleri geniş bir aralıkta seçilen kesme parametreleri kullanılarak uygulanmıştır. Kullanılan yöntemlerin sağladığı sinerjik etkiler kesme kuvvetleri ve kesme sıcaklığı azaltılmış, talaş kırılabilirliğini geliştirilmiştir. Sürdürülebilir imalatın optimizasyonu çalışmalarında; toplam enerji tüketimi, toplam karbon emisyonları ve toplam talaşlı işleme maliyetleri hesaplanmıştır. NSGA-II genetik algoritma ve TOPSIS yöntemleri kullanılarak optimum kesme koşulları elde edilmiştir. Yüzey bütünlüğü kapsamında; işlenmiş parçaların yüzey pürüzlülüğü ve topografisi, mikroyapı deformasyonu, mikrosertlik, kalıntı gerilme, faz dönüşümü incelenmiş, sürtünme ve hacimsel aşınma gibi tribolojik özellikleri araştırılmıştır. Ti-6Al-7Nb alaşımının deformasyon davranışının modellenmesini içeren sonlu elemanlar analizinde sürtünme modeli ve ultrasonik tornalama süreci tanımlanmış, talaş kaldırma simülasyonları gerçekleştirilerek kesme kuvveti ve sıcaklıkları, talaş kalınlıkları başarıyla tahmin ve simüle edilmiştir. Bu çalışma ile Ti-6Al-7Nb alaşımın işlenebilirliği ve yüzey bütünlüğü iyileştirilmiş; enerji verimliliği sağlanmış ve imalat kaynaklı olumsuz çevresel etkiler önemli ölçüde azaltılmıştır. Elde edilen çıktılar, biyomedikal sektöründe daha güvenilir implant üretimine ve sürdürülebilir imalat hedeflerine önemli katkılar sunacağı düşünülmektedir.
Özet (Çeviri)
Recent advances in the biomedical field have necessitated a focus on materials that provide enhanced mechanical strength, biocompatibility, and improved wear resistance for implant applications. In this context, the Ti-6Al-7Nb alloy, which is non-toxic and contains niobium (Nb), has been developed as an alternative to the widely used implant material Ti-6Al-4V alloy, in order to mitigate the potential long-term toxic effects of vanadium ions released within the body. The service life and biocompatibility of metallic implants produced through machining processes are significantly influenced by numerous factors arising during machining process, including cutting forces, temperature, tool wear, cutting parameters, and the use of cooling/lubrication. These machining-induced factors can cause microstructural changes at the surface and subsurface, adversely affecting corrosion resistance, fatigue behavior, and overall implant performance, potentially leading to tissue compatibility and revision surgeries. For this reason, secondary surface modifications are often applied after machining, which leads to additional manufacturing costs and increased carbon emissions. The presence of substantial cutting forces elevates energy consumption, while reliance on cutting fluids and rapid tool wear further exacerbates carbon emissions. Recent global initiatives addressing climate change and the evolution of regulatory frameworks necessitate the development of innovative strategies in machining that not only improve machinability performance but also embrace sustainable manufacturing principles. This doctoral thesis presents strategies aimed at enhancing both the machinability and product performance of the Ti-6Al-7Nb alloy while promoting sustainable machining. Accordingly, ultrasonic vibration assisted turning, recognized as a sustainable machining method, was employed alongside MQL method utilizing both mono and hybrid nanofluids containing GNp and/or MoS₂ nanoparticles across a broad spectrum of cutting parameters. As a result of the synergistic effects provided by these methods led to a reduction in cutting forces and temperatures, while significantly improving chip breakability. For sustainable manufacturing optimization, total energy consumption, total carbon emissions, and total machining costs were calculated. Optimal cutting conditions were determined using the NSGA-II genetic algorithm and the TOPSIS method. Regarding surface integrity, surface roughness and topography, microstructural deformation, microhardness, residual stress, and phase transformations of the machined parts were examined, while tribological properties such as friction coefficient and volumetric wear were also investigated. In the finite element analysis designed to model the deformation behaviour of the Ti-6Al-7Nb alloy, friction models and the ultrasonic vibration assisted turning process were defined, and chip formation simulations were performed. Cutting forces, cutting temperatures, and chip thicknesses were successfully predicted and simulated. This study illustrates that the machinability and surface integrity of the Ti-6Al-7Nb alloy can be greatly enhanced, all while achieving improved energy efficiency and significantly minimizing the negative environmental impacts related to machining processes. The findings are anticipated to contribute meaningfully to the production of more reliable biomedical implants and to further the goals of sustainable machining in the biomedical field.
Benzer Tezler
- Mikro ark oksidasyon yöntemiyle bor ve hidroksiapatit içeren TiO2 film tabakasıyla kaplanmış Ti6Al7Nb alaşımının yüzey karakterizasyonu
Surface characterization of boron and hydroxyapatite coatining TiO2 film layer grown on Ti6Al7Nb by micro arc oxidation
SAVAŞ KILIÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
BiyomühendislikAtatürk ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SEBAHATTİN YENAL VANGÖLÜ
- Sol-jel yöntemiyle TiO2 ve hap kaplanan Ti6Al7nb alaşımının mekanik ve optik özelliklerinin araştırılması
Investigation of mechanical and optical properties of tio2 and hap coated Ti6Al7Nb alloy by sol-gel method
ZAKAR KURMI SALEH
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine MühendisliğiFırat ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİHAT TOSUN
- Plazma oksitleme işleminin Ti6Al7Nb ve Ti45Nb alaşımlarının tribolojik, elektrokimyasal ve biyouyumluluk özelliklerine etkisi
Effect of plasma oxidation process on tribological, electrochemical and biocompatibility properties of Ti6Al7Nb and Ti45Nb alloys
ÖZGÜ BAYRAK
Doktora
Türkçe
2013
Makine MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYHAN ÇELİK
- Demir dışı malzemelerin plazma daldırma iyon implantasyonu ve depozisyonu (PIII&D) yöntemi ile yüzey işlemi yapılarak incelenmesi
Investigation of non ferrous materials by doing surface process with PIII&D method
MURAT ŞAVUR
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Makine MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SÜLEYMAN KARADENİZ
- Oksit kaplı titanyum ve alaşımlarının yorulma davranışının incelenmesi
Investigation of fatigue behavior oxide coated titanium and its alloy
MEHMET CİNGİ
Doktora
Türkçe
2008
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU