High temperature mechanical properties of ceramic dispersoid reinforced 17-4 PH stainless steel produced by selective laser melting
Seçici lazer ergitme ile üretilmiş seramik dispersoid takviyeli 17-4 PH çeliğinin yüksek sıcaklık mekanik özellikleri
- Tez No: 694205
- Danışmanlar: PROF. DR. ARCAN FEHMİ DERİCİOĞLU, DR. ÖĞR. ÜYESİ EDA AYDOĞAN GÜNGÖR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Eklemeli İmalat, Metal Matrisli Kompozit, Seçici Lazer Ergitme (SLE), Paslanmaz Çelik, Mekanik Özellikler, Yüksek Sıcaklık, Additive Manufacturing, Metal Matrix Composite, Selective Laser Melting (SLM), Stainless Steel, Mechanical Properties, High Temperature
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 151
Özet
Seçici Lazer Ergitme (SLE), metal tozlarının bir lazer ısı kaynağı ile eritilmesi yoluyla karmaşık şekilli parçaların üretimine olanak sağlayan bir metal eklemeli imalat yöntemidir. Bu yöntem, tasarım özgürlüğü, montajda parça azaltımı, çabuk prototipleme, ağırlık azaltma gibi çeşitli avantajlar sunar. Paslanmaz çelikler ise SLE yöntemi ile parça üretimi için ilk tercihlerden biri konumundadır. Bunlar arasında ise 17-4 PH çökelti sertleştirmeli paslanmaz çelik korozyon dayanımı, kaynaklanabilirliği ve yüksek sıcaklık mukavemeti ile öne çıkmaktadır. Bu nedenle, 17-4 PH paslanmaz çeliğin SLE yöntemi ile üretilmesi, teknolojinin ilk zamanlarından beri üzerinde çalışılan bir konu olmuştur. Ancak SLE ile üretilen parçalar, mikroyapısal ve mekanik özellikler bakımından geleneksel yöntemlerle üretilen parçalardan farklılıklar barındırır. SLE ile üretilen parçalarda, genellikle anizotropik mekanik özellikler görülmesine sebep olan, üretim yönünde uzanan sütunlu bir tane yapısı gözlemlenmektedir. Ayrıca, SLE yöntemiyle üretilen 17-4 PH çeliğine ait faz dağılımının konvansiyonel ile kıyaslandığında önemli derecede farklı olduğu literatürde gösterilmiştir. Son olarak, 17-4 PH paslanmaz çeliği, 400°C üzerindeki sıcaklıklarda çökelti irileşmesi sebebiyle mukavemetini yitirmekte ve genelde bu sıcaklılarda daha pahalı olan nikel bazlı süper alaşımlar gibi alaşımlar viii kullanılmaktadır. Bu çalışmada, TiN takviyeli 17-4 PH paslanmaz çelik kompoziti SLE yöntemiyle üretilmiştir. Nano boyutlu TiN parçacıklarının hem doğrudan eş merkezli bir mikroyapı elde etmek için heterojen çekirdeklenme bölgeleri olarak, hem de çökelti irileşmesi nedeniyle mukavemetin düştüğü yüksek sıcaklıklarda dislokasyon bariyerleri olarak kullanılması amaçlanmıştır. TiN parçacıklarının matrise dahil edilmesi için çeşitli yöntemler kullanılmış ve toz karışımı için SLE proses parametreleri geliştirilmiştir. Doğrudan mekanik karıştırmanın bilyalı öğütmeye göre daha uygun bir seçim olduğu görülmüştür. Ayrıca, doğrudan TiN parçacıkları eklenerek yapılan katkılama, her iki durumda da aynı mikroyapısal ve mekanik özellikler sergilendiğinden, saf Ti ilavesi ve ardından nitrürlenmesi ile yapılan yerinde katkılamaya kıyasla daha uygun bulunmuştur. Literatürle uyumlu olarak, seramik parçacıkların eklenmesiyle yüksek yoğunluk sağlayan üretim aralığının daha yüksek enerji yoğunluklarına kaydığı gözlemlenmiştir. Ayrıca, daha küçük noktalar arası mesafe değerlerinin sürekli bir ergi havuzu oluşturmayı desteklediği anlaşılmıştır. Yapılan incelemelerde, TiN takviyeli kompozit çok ince ve eş eksenli bir tane yapısı sergileyerek yönlü katılaşmayı ve bunun sonucunda oluşan anizotropiyi etkin bir şekilde ortadan kaldırmıştır. TiN takviyeli ve takviyesiz numunelerin yüksek sıcaklıktaki mekanik özellikleri, H900 ısıl işlem görmüş durumda karşılaştırılmıştır. TiN takviyeli kompozitler için 400°C'de mukavemette önemli bir artış ve süneklikte hafif bir düşüş gözlemlenmiştir. Bununla birlikte, TiN takviyeli numuneler, 600°C'de kontrol numunelerine göre daha düşük mukavemet ve büyük ölçüde artan süneklik sergilemiştir. Bunun, ince taneli numunelerde etkisi daha da artan dinamik yeniden kristallenme olgusundan kaynaklandığı gösterilmiştir. Dolayısıyla, normalde 17-4 PH paslanmaz çeliğinin kullanıldığı sıcaklık aralığında TiN katkılamanın faydalı olabileceği, ancak matrisin fiziksel özelliklerinin yüksek sıcaklıklarda deformasyon davranışına hakim olmaya başladığı ve takviye ilavesiyle elde edilen avantajları ortadan kalktığı sonucuna varılmıştır.
Özet (Çeviri)
Selective Laser Melting (SLM) is a metal additive manufacturing process used to produce complex-shaped parts by the fusion of metal powders by a laser heat source. SLM processing of metals offers various advantages such as freedom of design, part consolidation, fast prototyping, weight reduction etc. Stainless steels have been one of the first choices to be implemented in SLM processing. Among these, 17-4 PH stainless steel holds a sweet spot with its corrosion resistance, weldability and high strength at elevated temperatures. Therefore, SLM processing of 17-4 PH stainless steel parts has been of interest since the beginning of this technology. However, parts produced by SLM usually possess different characteristics in microstructure and mechanical properties than conventionally manufactured parts. A columnar microstructure lying along the build direction is usually observed for SLM processed alloys, which causes anisotropic mechanical properties to be attained. Moreover, it was previously shown in literature that the phase constitution of SLM processed 17- 4 PH stainless steel differs significantly than that of its conventional counterparts. 17-4 PH stainless steel loses its high strength at temperatures above 400°C due to precipitate coarsening, where alloys such as nickel-based superalloys are preferred despite their high cost. In this study, TiN-reinforced 17-4 PH stainless steel was produced by SLM. It was aimed to utilize nano-sized TiN particles both as inoculants vi (heterogeneous nucleation sites) to obtain an equiaxed microstructure in as-built condition and as dislocation barriers at elevated temperatures, where strength drops due to precipitate coarsening. Various methods were utilized to incorporate TiN particles into the matrix and SLM process parameters development was conducted for the powder blend. It was observed that direct mechanical mixing is the more feasible choice compared to ball milling. Moreover, ex-situ processing by directly adding TiN particles was found to be a better practice compared to in-situ processing by the addition of pure Ti and its subsequent nitridation during processing, where both cases exhibited similar microstructural features and mechanical properties. Consistent with the literature, it was observed that SLM processing window shifts to higher energy densities with the addition of ceramic particles. Moreover, it was found that smaller point distance values favor continuous melt tracks. TiN-reinforced composites were seen to exhibit a very fine and equiaxed microstructure effectively eliminating directional solidification and consequent anisotropy. In addition, agglomeration of the ceramic particles was observed as a natural consequence of high-temperature processing. Both strength and ductility at room temperature in asbuilt condition increased significantly for the TiN-reinforced composites. Hightemperature mechanical properties of the TiN-reinforced and the control specimens were compared in H900 heat-treated condition. Observations showed a significant increase in strength at 400°C for the TiN-reinforced composites with slight shortcoming in ductility. However, TiN-reinforced composites exhibited slightly lower strength and greatly increased ductility at 600°C. This was shown to be due to dynamic recrystallization phenomenon further favored for the fine-grained structure achieved. It was concluded that TiN-reinforcement can be beneficial in the temperature range where 17-4 PH stainless steel is normally used, yet the physical properties of the matrix start dominating the deformation behavior at high temperatures eliminating the advantages gained by the addition of the reinforcement.
Benzer Tezler
- Microstructural and mechanical characterization of shape/fraction controlled Fe2B ceramic phase reinforced Fe matrix monofilament composite wires and bulk wire-reinforced composites manufactured by a novel processing approach
Geometrisi ve fraksiyonu control edilebilen ve özgün bir yaklaşımla üretilen Fe2B seramik faz takviyeli Fe matris monofilament kompozit tellerin ve tel takviyeli kompozitlerin mikroyapısal ve mekanik karakterizasyonu
HAFIZ MUHAMMAD NUMAN ZAFAR
Doktora
İngilizce
2022
Makine MühendisliğiErciyes ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FEHMİ NAİR
- Al2O3 nanopartikül katkılı aramid elyaf takviyeli epoksi kompozitlerin mekanik özellikleri
Mechanical properties of Al2O3 nanoparticles filled aramid fiber reinforced epoxy composites
GÖKHAN DEMİRCAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine MühendisliğiHarran ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT KISA
- B4c ilaveli tzm alaşımlarının spark plazma sinterleme (SPS) yöntemi ile farklı tasarımlarla üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of b4c rei̇nforced tzm alloy with different designs prepared by spark plasma sintering (SPS) method
BARIŞ YAVAŞ
Doktora
Türkçe
2020
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLTEKİN GÖLLER
- Farklı seramik takviyeli bakır matrisli kompozit kaplamalar ile elektrik kontak malzemelerinin yüzey özelliklerinin geliştirilmesi
Improvement of surface properties of electrical contact materials with different ceramic reinforced copper matrix composite coatings
ÇAĞDAŞ ÇALLI
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EYÜP SABRİ KAYALI
- Niyobyum borür katkılı Al5Si hibrit tozların ve kompozitlerin mekanik alaşımlama ve basınçsız sinterleme yöntemleriyle geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Developing and characterization of niobium boride reinforced Al5Si hybride powders and composites with mechanical alloying and pressureless sintering methods
EZGİ BURCU ERDOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA LÜTFİ ÖVEÇOĞLU