Advanced materials: Development of high-entropy alloys via additive manufacturing
İleri malzemeler: Eklemeli imalat yöntemiyle yüksek entropili alaşımların geliştirilmesi
- Tez No: 892318
- Danışmanlar: PROF. DR. YUNUS EREN KALAY
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Metallurgical Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- 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: 369
Özet
Teknolojik ilerlemeler, özellikle havacılıkta ve uzayda, verimlilik ve malzeme bulunabilirliğinin hayati önem taşıdığı ve Mars gibi dünya dışı uygulamaları içeren alanlarda, sağlam, hafif ve sürdürülebilir malzemelerin geliştirilmesini zorunlu kılmaktadır. Yüksek entropi alaşımları (YEA), kolayca bulunabilir element bileşenleri ile üstün özellikler vaadeden umut verici yeni bir alaşım sınıfıdır. Ancak, geleneksel üretim yöntemleri, element segregasyonu ve iri tane yapının eldesi ile sonuçlanarak YEA'ların potansiyelini sınırlamaktadır. Eklemeli imalat, yerinde alaşımlandırma ve konuma özgü özellik optimizasyonu yoluyla özellikleri iyileştirmesi ve karmaşık, hafif yapılar oluşturarak bu zorlukların üstesinden gelinmesinde imkân sunmaktadır. Bu araştırma, L-PBF ve DED prosesleri kullanılarak tek ve çift fazlı YEA'ların geliştirilmesine odaklanmaktadır. İlk olarak, termodinamik modeller kullanılarak beş ve altı ana bileşenli bir veri tabanı oluşturulmasını ve seçilen kompozisyonların ark ve indüksiyon ergitme ile doğrulanmasını içermektedir. Akabinde, örnek model alaşım olarak seçilen ve temel alaşım olarak odaklanılan CoFeNiCuMn, gaz atomizasyonu ile üretilmiş ve dört sınıfta rafine edilerek, L-PBF ve DED yöntemlerine uygunluklarını değerlendirmek için kapsamlı bir karakterizasyona tabii tutulmuştur. 15-45 μm parçacıklar kullanılarak yapılan üç aşamalı yüksek çıktılı L-PBF deneysel optimizasyon süreci, CoFeNiCuMn alaşımının yüzey merkezli kubik (YMK) yapısında üretimini %99.94 bağıl yoğunluk ve 1.6 μm tane boyutunda homojen olarak üretimini sağlamıştır. En iyi mekanik performansı gösteren belirli alaşımı bulmak amacıyla, CALPHAD yaklaşımıyla modellenen Cr eklenmesi, farklı soğuma koşulları altında faz dönüşümlerini incelenmiş ve 44-106 μm tozlarla yapılan DED'de proses sırasında Cr alaşımlandırması gerçekleştirilerek kompozisyonel olarak kademeli bir malzeme oluşturulmuştur. Bu malzeme içerisinde belirli bir alanda 2.5 kat sertli artışı sağlayan kompozisyon belirlenmiş ve bu durumun Cr bazlı hacim merkezli kübik (HMK) matrisi içinde Cu bazlı YMK fazının nanoçökeltisi nedeniyle oluştuğu ortaya konulmuştur. Geliştirilen veritabanı yardımıyla, Ga ile alaşımlandırmanın çift fazlı YEA kompozisyonlarına sahip işlevsel olarak kademeli bir malzeme oluşturmuş ve kompozisyonun ayarlanması yoluyla malzeme özelliklerinin farklılaştırılması gösterilmiştir. Elde edilen malzeme içerisinde, çoklu ana bileşenli YMK ve HMK fazları arasında dönüşümlerin gerçekleşmesi, DED prosesi ile bölge spesifik YEA malzeme özellik eldesi ortaya konulmuştur. Sonuçlar, üç aşamalı L-PBF yolu ve DED'de kompozisyonel derecelendirme ile YEA'ların hızlı geliştirilmesi ve özelleştirilme potansiyelini vurgulamaktadır. Bu araştırma; eklemeli imalatın geleneksel malzeme kısıtlamalarını aşmada ve uygulamalara has özelleştirilmiş ileri YEA'ların geliştirilme potansiyelinin kritik rolünü ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
Technological advancements necessitate the development of robust, lightweight, and sustainable materials, particularly in aerospace, where efficiency and material availability are crucial, including extraterrestrial environments such as Mars. High-entropy alloys (HEAs) emerged as a promising option, offering the potential for superior properties using readily available elements. However, traditional alloy production methods face challenges like element segregation and coarse microstructures, limiting HEAs' capabilities. Additive manufacturing offers a solution by enabling incremental processing to refine properties and create complex, lightweight structures through in-situ alloying and site-specific properties optimization. This research delves into the development of single-phase and dual-phase HEAs using L-PBF and DED processes. It starts with generating a database with five and six principal components through thermodynamic models and the selected compositions are validated via arc and induction melting processes. The study then focuses on the CoFeNiCuMn composition as a model base alloy, produced via gas atomization and refined into four grades for thorough characterization to assess their compatibility with L-PBF and DED methods. A three-stage high-throughput L-PBF experimental optimization process utilizing 15-45 μm particles significantly enhances the CoFeNiCuMn alloy's characteristics, achieving a 99.94% relative density and a grain size of 1.6 μm within a uniform FCC structure. The addition of Cr, modeled via the CALPHAD approach, facilitates phase transformation studies under different cooling conditions. In-situ Cr alloying in DED with 44-106 μm powders leads to a compositionally graded material enabling the identification of a specific composition with notably high properties, where the hardness peaks at 2.5 times its original value due to the nanoprecipitation of a Cu-based FCC phase within a Cr-based BCC matrix. Alloying with Ga, using predictive modeling, resulting in functionally graded material with dual-phase HEA compositions, showcasing the potential for customizing site-specific properties through composition adjustment. This generated material exhibited transformations between multi-principal FCC and BCC phases, demonstrating adaptability to specific conditions. The findings underscore the rapid development and customization potential of HEAs via a streamlined three-stage L-PBF route and compositional grading in DED. This research highlights AM's crucial role in bypassing traditional material constraints and facilitating high-throughput development of advanced HEAs with tailored properties for applications.
Benzer Tezler
- Effects of pressure and bias voltage on the morphology and properties of refractory WNbMoV high entropy thin films coated via magnetron sputtering
Basınç ve bıas voltajının, magnetron sıçratma yoluyla kaplanmış refrakter WNbMoV yüksek entropili ince filmlerin morfolojisi ve özellikleri üzerindeki etkileri
SEVDA JAFARI AGHDAM
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA LUTFİ ÖVEÇOĞLU
- Development and characterization of high entropy (HfTiZrMn/Cr)B2 based ceramics
Yüksek entropi (HfTiZrMn/Cr)B2 bazlı seramiklerin geliştirilmesi ve karakterizasyonu
İLAYDA SÜZER
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DUYGU AĞAOĞULLARI
- Kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık sentezi ile üretilen AlCoxCrFeNi yüksek entropili alaşım sistemindeki kobalt oranın değişiminin incelenmesi
Examination of reducing cobalt ratio in AlCoxCrFeNi high entropy alloy system manufactured by self-propagating high temperature synthesis method
MELİH YETİŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CEVAT BORA DERİN
DR. ÖĞR. ÜYESİ GÜL İPEK SELİMOĞLU
- Kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık sentezi (SHS) yöntemi ile AlxFeNiCoCrCuy yüksek entropili alaşımların geliştirilmesi
Development of AlxFeNiCoCrCuy high entropy alloys produced by SHS (self-propagating high-temperature synthesis) method
AHMET ALBEK ERŞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Metalurji MühendisliğiEskişehir Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ GÜL İPEK SELİMOĞLU
- Computational investigation of organic reactions via mechanistic approaches
Organik tepkimelerin mekanistik yaklaşımlar kullanılarak hesapsal incelenmesi
ESRA BOZ