Elektron demeti ergitme ve sıcak haddeleme ile üretilen Ti6Al4V alaşımlarının kutu aluminyumlama sonrası oksidasyon ve aşınma davranışlarının incelenmesi
Investigation of oxidation and wear behaviour of electron beam melted and conventionally fabricated ti6al4v alloys after pack aluminizing
- Tez No: 950040
- Danışmanlar: PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez çalışmasında ekleme imalat yöntemi olan elektron demeti ergitme ile üretilen Ti6Al4V alaşımı ve geleneksel metodla üretilen Ti6Al4V alaşımının kutu aluminyumla yöntemi ile kaplanarak elde edilen kaplamanın mikroyapısal karakterizasyonu, faz analizi, mekanik özelliklerinin değerlendirilmesi yapılmıştır, aşınma ve oksidasyon direnci incelenmiştir. Eklemeli imalat 3D parçalar üretmek için metal tozlarının katman katman eklenmesinden ve ergitilmesinden oluşan hızlı bir imalat yöntemidir. Genellikle bir lazer ya da elektron ışın demeti kullanılarak lokalize olarak tozun ergitilmesi sağlanmaktadır. Eklemeli imalat esnekliği, atık malzemenin azaltılması ve üretim süresinin kısa olması gibi olumlu özellikleri nedeniyle sürdürülebilir ürün geliştirme için oldukça cazip bir üretim yöntemidir. Ti6Al4V alaşımı geleneksel yolla imal edilmektedir fakat elektron demeti ergitme yöntemi de bu alaşımlara uygulanabilmektedir. Elektron demeti ergitme yöntemi kompleks parçaların üretimi, üretim süresinin kısalması ve proses parametlerinin kontrol edilebilmesi ile mekanik özelliklerin değiştirilebilmesi gibi nedenlerle başta havacılık olmak üzere biyomedikal ve otomotiv sektörlerinde kullanılan bileşenlerin başarılı bir şekilde üretilmesine olanak sağlamaktadır. Elektron demeti ergitme ile üretilen parçalar genellikle diğer eklemeli imalat yöntemleri ile elde edilen parçalardan daha yoğundur ancak gene de geleneksel yolla elde edilen muadillerine göre daha düşük aşınma direncine sahiptirler. Bu nedenle yüzey işlemleri yaygın olarak uygulanmaktadır. Ti6Al4V alaşımı sahip olduğu hafiflik, yüksek mukavemet, biyouyumluluk, korozyon direnci gibi özelliklerinden dolayı öncelikle havacılık olmak üzere biyomedikal, kimya, denizcilik ve daha pek çok alanda mühendislik malzemesi olarak tercih edilmektedir. Ti6Al4V alaşımının avantajlarının yanında bir takım dezavantajları da bulunmaktadır. Yüksek sıcaklık oksidasyonuna ve aşınmaya karşı direncinin düşük olması bu mühendislik malzemesinin en önemli dezavantajıdır. Ti6Al4V alaşımının aşınmaya ve oksidasyona karşı olan yetersiz performansı aşınma ve oksidasyonla ilgi olan uygulamalarda kullanımını sınırlandırmaktadır. Ti6Al4V alaşımının düşük tribolojik özellikleri elektron dizilimi, yağlama özelliği ve kristal yapısı gibi parametrelere bağlıdır. Fazla aşınmanın engellenerek malzeme direncinin arttırılması için bir takım yüzey özelliklerinin değiştirilerek geliştirilmesi gerekmektedir. Ti6Al4V alaşımının yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanımını sınırlayan en önemli faktör Ti atomlarının oksijene olan afinitelerinin yüksek olmasıdır. Ti6Al4V alaşımı yüksek sıcaklığa maruz kaldığında yüzeyde oluşan koruyucu olmayan oksit tabakasından dolayı hızlı bir şekilde mekanik özellikleri bozulmaya başlar. Buna ek olarak malzeme içerisine nüfuz eden oksijen malzeme yapısının gevrekleşmesine sebep olarak malzemenin kullanım ömrünü düşürmektedir. Ti6Al4V alaşımının mikroyapı ve mekanik özelliklerini değiştirmeden yüksek sıcaklık oksidasyon ve aşınma direncini arttırmak için bazı yüzey modifikasyonlarının uygulanması gerekmektedir. Ti6Al4V alaşımının oksidasyon direncini geliştirmek için en yaygın kullanılan yöntem difüzyon bariyer kaplamalardır. Bu tez çalışmasına konu olan kutu aluminyumlama yöntemi difüzyon bariyer kaplama uygulamalarından biridir. Ti6Al4V alaşımının yüzeyinin kutu aluminyumlama yöntemi ile yüzeyinin kaplanarak Al atomlarının difüzyonu ile Ti atomları ile reaksiyona girerek bir kaplama tabakası oluşturulmuştur. Oluşan kaplama tabakası altlık malzemeye göre daha yüksek sertliğe dolayısıyla daha yüksek aşınma direncine sahiptir. Kutu aluminyumlama yöntemi karmaşık şekilli parçalara uygulama kolaylığı, düşük maliyeti ve kaplama tabakasının altlık malzemeye iyi yapışması gibi çeşitli avantajlara sahip olduğundan altlık malzemeyi korumak için uygulanacak alternatif bir kaplama yöntemidir. Malzeme davranışları açısından bakıldığında, yüksek sıcaklıkta ısıl işleme tabi tutulduklarında malzemenin mikroyapısı faz dönüşümleri sebebi ile değişir ve buna bağlı olarak da mekanik özellikleri değişir. Bu değişimleri minimum seviyeye indirmek ve altlık malzemeyi sıcaklığın olumsuz etkilerinden korumak için nispeten düşük sıcaklıkta uygulanabilecek etkili bir kaplama yönteminin seçilmesi gerekmektedir. Kutu aluminyumlama işlemi boyunca kutu bileşeni içinde bulunan AlCl3 buharından Al atomlarının ayrışması sonucu malzeme yüzeyinde birikir ve katı hal difüzyonu ile Ti atomları ile reaksiyona girerek sıkı bir difüzyon bağı ile TiAl3 fazını oluşturur. TiAl3 fazı yüksek sertliğe ve aşınma direncine sahip bir yapıdadır. İşlem süresine ve sıcaklığına bağlı olarak oluşan TiAl3 katmanının kalınlığı değişmektedir. Al atomları termal difüzyonunun en önemli unsurlarından biridir. Al ile termal difüzyonun gerçekleşmesi ile yüzeyde Al atomlarınca bir tabakanın oluşması, Al atomlarının seçici oksidasyonunu teşvik eder ve malzemenin yüzeyinde koruyucu bir Al2O3 tabakasının oluşmasını sağlar. EBM ve geleneksel metodla üretilen Ti6Al4V alaşımının 600, 650, 700 ve 750 C'de aluminize edilmiş numunelerinin optik mikroskop görüntüleri incelendiğinde EBM ile üretilen numunelerde 700 C de yapılan aluminizasyon işleminin sonucunda oluşan kaplamanın kompakt ve uniform yapıda olduğu görülmektedir. Geleneksel metodla üretilen numunelerde ise 600 C de yapılan alumyumlama işleminin sonucunda oluşan kaplamanın kompakt ve uniform yapıda olduğu görülmektedir. EBM ve geleneksel metodla üretilen Ti6Al4V alaşımının 600, 650, 700 ve 750 C'de aluminyumlanmış numunelerinin her birinde oluşan kaplamaların mikrosertlik ölçümleri yapılarak mekanik özellikleri hakkında fikir yürütülmüştür. Mikrosertlik ve mikroyapı analizleri sonuçlarına göre EBM ve geleneksel olarak üretilen numunelerin kaplama sertlikleri arasında kayda değer bir fark bulunmamasına rağmen EBM ile üretilen numunelere uygulanan aluminizasyon kaplamasının altlık malzemeyi sıcaklığın olumsuz etkilerinden daha iyi koruduğu gözlenmiştir. EBM ve geleneksel metodla üretilen Ti6Al4V alaşımının 600, 650, 700 ve 750 ºC'de aluminyumlanmış numunelerin aşınma testlerinin sonucunda ise en iyi performansı EBM ile üretilen kaplamanın gösterdiği sonucuna varılmıştır. Her iki imalat yöntemi için de kaplama yapısının en iyi olduğu aluminyumlama sıcaklıkları seçilerek 48 ve 96 saat süreyle oksidasyon testine tabii tutulmuştur. Oksidasyon testi tamamlandıktan sonra yapılan mikroyapı, SEM/EDS ve XRD analizleri neticesinde 700 ºC de aluminyumlanan EBM Ti6Al4V numunesinin oksidasyona karşı en iyi direnci gösterdiği sonucuna varılmıştır.
Özet (Çeviri)
In this thesis, the microstructural characterization, phase analysis, mechanical properties evaluation, wear and oxidation resistance of the pack aluminized EBM and conventionally fabricated Ti6Al4V alloy were investigated. Additive manufacturing is a rapid manufacturing method consisting of layer-by-layer addition and fusion of metal powders to produce 3D parts. Generally, a laser or electron beam is used to melt the powder locally. Additive manufacturing is a very attractive manufacturing method for sustainable product development due to its positive features such as flexibility, reduction of waste material and short production time. Titanium and titanium alloys are fabricated by the traditional method, but the electron beam melting method can also be applied to these alloys. The electron beam melting method enables the successful production of components used in the aviation, biomedical and automotive sectors due to production of complex parts, shortening of production time, control of process parameters and the ability to change mechanical properties. Parts produced with electron beam melting are generally denser than parts obtained with other additive manufacturing methods, but they still have lower wear resistance than their counterparts obtained by traditional method. For this reason, surface treatments are widely applied. Titanium and titanium alloys are preferred as engineering materials in many fields due to their properties such as lightweight, high strength, biocompatibility and corrosion resistance. Titanium and titanium alloys have some disadvantages as well as their advantages. The most important disadvantages of these engineering materials are their low wear and high temperature oxidation resistance. The poor surface properties of titanium and titanium alloys against wear and oxidation limits their use in applications related to wear and oxidation. The low tribological properties of titanium and titanium alloys depend on parameters such as electron configuration, lubrication properties and crystal structure. In order to prevent excessive wear and increase material resistance, some surface properties need to be changed and developed. The most important factor limiting the use of titanium and titanium alloys in high temperature applications is the high affinity of Ti atoms to oxygen. When titanium and titanium alloys are exposed to high temperatures, their mechanical properties begin to deteriorate rapidly due to the non-protective oxide layer formed on their surfaces. In addition, oxygen penetrating into the material causes the material structure to become brittle, reducing the life of the material. In order to increase the high temperature oxidation and wear resistance of titanium and titanium alloys without changing their microstructure and mechanical properties, some surface modifications must be applied. The most commonly used method to improve the oxidation resistance of titanium and titanium alloys is diffusion barrier coatings. The pack aluminization method, which is the subject of this thesis, is one of the diffusion barrier coating applications. The pack aluminization method is an alternative coating method to be applied to protect the substrate material since it has various advantages such as ease of application to complex shaped parts, low cost and good adhesion of the coating layer to the substrate material. In terms of material behavior, when titanium and titanium alloys are are treated at high temperatures, the microstructure of the material changes due to phase transformations and its mechanical properties change accordingly. In order to minimize these changes and protect the substrate from the negative effects of temperature, an effective coating method that can be applied at relatively low temperatures must be selected. During the pack aluminization process, the separation of Al atoms from the AlCl3 vapor in the pack component accumulates on the surface of the material and reacts with Ti atoms through solid state diffusion to form the TiAl3 phase with a tight diffusion bond. The TiAl3 phase has a structure with high hardness and wear resistance. The layer thickness of the TiAl3 formed depends on the process time and temperature. Al atoms are one of the most important elements of thermal diffusion. The formation of a layer by Al atoms on the surface with the thermal diffusion with Al promotes the selective oxidation of Al atoms and ensures the formation of a protective Al2O3 layer on the surface of the material. According to the optical micrographs and coating analysis of the samples of EBM and conventionally fabricated Ti6Al4V alloy aluminized at 600, 650, 700 and 750 C, the coating structure obtained in the 700 C aluminized EBM sample and in the 600 °C aluminized conventionally fabricated sample is compact, uniform and dense. Microhardness measurements were made on the coatings formed on each of the EBM and conventionally fabricated Ti6Al4V samples aluminized at 600, 650, 700, 750 °C and mechanical properties of samples were evaluated. According to the results of microhardness and microstructure analyses, although there was no significant difference between the coating hardness of EBM and conventionally fabricated samples, it was concluded that the aluminization coating applied to the EBM fabricated samples protected the substrate material better from the negative effects of temperature. According to the wear test results of EBM and conventionally fabricated Ti6Al4V samples aluminized at 600, 650, 700 and 750 °C, it was concluded that the coating of the EBM fabricated samples showed the best performance. For both fabricating methods, the aluminization temperatures where the coating structure was best were selected and subjected to oxidation tests for 48 and 96 h. After the oxidation test was completed, as a result of microstructure, SEM/EDS and XRD analysis, it was concluded that the EBM Ti6Al4V sample aluminized at 700 °C showed the best resistance against oxidation.
Benzer Tezler
- Plazma arkı eldesi ve yüzey bölgesi modifikasyonunda kullanılabilirliği
Başlık çevirisi yok
ÖZKAN ÖZİPEKLİLER
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
Makine MühendisliğiUludağ ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HALİM DEMİRCİ
- Kurbağa gastrik mukozasında K-H ATPaz enziminin kinetik özellikleri ve oluşturulan ülser modelinde enzim aktivitesi
Başlık çevirisi yok
SEYHAN TÜKEL
- Pik demiri ve karbon çeliğinin sulu çözeltiler içindeki korozyon hızının tayini
Determination of the rate of corrosion of the cast iran and carbon steel in the aqueous solutions
EMİNE NAZAN ÜNAL
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
Kimya MühendisliğiGazi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HAYRİ YALÇIN