Geri Dön

Lazer toz yataklı ergitme eklemeli imalat yöntemiyle üretilen AD730 alaşımı ile dövme UDI720LI alaşımının mikroyapı ve mekanik özelliklerinin karşılaştırılması

Comparison of microstructure and mechanical properties of AD730 alloy produced by laser powder bed fusion additive manufacturing method and forged UDI720LI alloy

PDF İndir

  1. Tez No: 959186
  2. Yazar: RAMAZAN KIRGIL
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 95

Özet

Gaz türbinli motorlar, modern havacılığın temel itki sistemlerindendir ve yüksek mekanik yükler ile sıcaklık altında çalışırlar. Bu motorların en kritik bileşenlerinden biri olan yüksek basınç türbin diskleri (HPT), yüksek sıcaklık ve çevrimsel termal gerilmeler altında şekil ve dayanımını korumalıdır. Bu tür uygulamalar için tercih edilen malzemelerin başında, yüksek sıcaklık dayanımı, oksidasyon direnci ve mikroyapısal kararlılığı ile öne çıkan nikel bazlı süperalaşımlar gelir. Geleneksel olarak, bu tür süperalaşımlar sıcak dövme yöntemi ile üretilmektedir. Dövme yöntemi, tane yönlenmesinin yükleme yönüyle hizalanmasını sağlayarak yorulma ve sürünme performansını iyileştirir. Ancak dövme yöntemi; uzun üretim süreleri, yüksek takım maliyetleri ve karmaşık geometrilerin üretiminde yaşanan zorluklar gibi sınırlamalara sahiptir. Bu nedenle, havacılık sektöründe geometri esnekliği, iç yapı oluşturma yeteneği ve üretim hızında iyileşme sağlayacak alternatif yöntem arayışları artmaktadır. Katmanlı imalat (Additive Manufacturing) teknolojilerinden Lazer Toz Yataklı Ergitme (L-PBF), bu bağlamda öne çıkan yöntemlerden biridir. L-PBF, dijital bir 3D model doğrultusunda toz yatak üzerinde seçici lazer ergitme işlemiyle katman katman üretim yapılmasını sağlar. Bu yöntem; yüksek tasarım özgürlüğü, düşük malzeme israfı, entegre soğutma kanalları oluşturma imkânı ve prototipleme sürecinde hız gibi avantajlar sunmaktadır. Ancak bu yöntemin dezavantajları da vardır. Hızlı katılaşma nedeniyle oluşan artık gerilmeler, yönlenmiş mikroyapı, katman kaynaklı hataların birikmesi ve gözeneklilik gibi kusurlar; malzeme performansını olumsuz etkileyebilir. Bu tez çalışmasında, L-PBF yöntemi ile üretilen AD730 süperalaşımı ile sıcak dövme yöntemi ile üretilen UDI720Li süperalaşımının mekanik ve metalurjik özellikleri karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. AD730 alaşımı gaz atomizasyonu ile üretilmiş tozlardan L-PBF yöntemiyle; UDI720Li ise dövme yöntemiyle üretilmiştir. ASTM E112 standardına göre yapılan tane boyutu analizinde, dövülmüş UDI720Li daha ince (ASTM no: 8–9), AD730 ise daha iri taneli (ASTM no: 3,5–4) yapı sunmuştur. AD730 tozları için yoğunluk, akışkanlık ve partikül boyutu gibi ölçümler yapılmıştır. Her iki alaşım için SEM ve EDS analizleri ile mikroyapı ve çökelti fazları incelenmiş, HRC sertlik ölçümleri yapılmıştır. Oda sıcaklığı, 650 °C ve 750 °C'de çekme testleri; gerilme kopması testleri ile Düşük Çevrimli Yorulma ve Yüksek Çevrimli Yorulma testleri uygulanmıştır. Genel olarak UDI720Li alaşımı, özellikle yüksek sıcaklıklarda AD730'a kıyasla daha yüksek akma ve kopma dayanımı göstermiştir. AD730 alaşımı ise bazı koşullarda daha iyi süneklik değerleri sunmuştur. Kırık yüzey analizinde yüksek sıcaklıkta daha belirgin oksidasyon izlerine rastlanmıştır. Sonuçlar, dövme yöntemi ile üretilen UDI720Li alaşımının daha üstün mekanik özellikler gösterdiğini ortaya koyarken; L-PBF yöntemiyle üretilen AD730'un da uygun üretim sonrası işlemlerle havacılık uygulamaları için rekabetçi olabileceğini göstermektedir. Özellikle geometrik karmaşıklık, düşük üretim adedi ve entegre yapı ihtiyacı olan uygulamalarda L-PBF yöntemi umut vadetmektedir.

Özet (Çeviri)

Gas turbine engines play a fundamental role in contemporary aerospace propulsion systems, functioning under significant mechanical stresses and elevated temperatures. A key element of these systems is the high-pressure turbine (HPT) disk, which needs to preserve its structural integrity while facing recurring thermal stresses, centrifugal forces, and oxidative conditions. For these applications, nickel-based superalloys are preferred materials because of their outstanding strength retention, resistance to oxidation, and stability of microstructure at high temperatures. Historically, these superalloys have been produced through hot die forging, a technique that provides strong mechanical properties, improved grain structures, and good metallurgical uniformity. This forging process facilitates the alignment of grain flow with the directions of load, thereby improving fatigue and creep resistance. However, forging comes with significant drawbacks. It typically necessitates expensive tooling, lengthy lead times, and extensive machining due to limitations in near-net-shape manufacturing. Additionally, forging faces challenges in creating complex geometries, internal features, and lightweight structures that are increasingly sought after in next-generation gas turbines. The difficulty in efficiently integrating intricate cooling channels within forged components limits thermal efficiency, leading the industry to explore alternative manufacturing methods. Additive manufacturing (AM), especially Laser Powder Bed Fusion (L-PBF), has surfaced as an appealing alternative to conventional forging methods. L-PBF is an additive process that builds layers by using a laser to melt specific areas of a powder bed, following a digital 3D model. This technique presents multiple benefits: it provides high design adaptability, enhances material efficiency through near-net-shape production, minimizes the need for assembly, and allows for the creation of intricate internal structures like conformal cooling channels. The L-PBF process starts by applying a thin layer of metallic powder, which is then selectively melted in areas specified by a CAD model. A new layer of powder is added and melted repeatedly until the part is completely formed. The thermal cycles encountered during the L-PBF process create distinct solidification patterns and fine microstructures that can enhance strength. However, these same thermal variations may lead to residual stresses and anisotropic mechanical properties. Additionally, the sequential nature of the process means that any defects occurring in a single layer can spread throughout the entire build, impacting the final performance of the component. One of the most significant advantages of L-PBF is its ability to produce components with internal cavities or lattice structures that would be difficult or excessively costly to create using traditional manufacturing techniques. For high-temperature aerospace applications, this enables better thermal management through the inclusion of embedded cooling channels. As a result, this can enhance the thermodynamic efficiency of turbine engines. Regarding sustainability, L-PBF also provides benefits in material utilization, considerably lowering scrap rates compared to subtractive methods like forging and machining. Despite these advantages, L-PBF still faces several barriers to full-scale adoption in critical aerospace components. The mechanical properties of L-PBF parts are highly sensitive to process parameters such as laser power, scan speed, hatch spacing, and layer thickness. Variations in these parameters can lead to defects such as lack of fusion, keyhole porosity, or incomplete melting. As such, extensive qualification and certification procedures are required to ensure the reliability of parts intended for flight-critical use. This study presents a detailed comparison between two nickel-based superalloys—AD730 and UDI720Li—produced by L-PBF and hot forging, respectively. The primary objective is to evaluate the suitability of L-PBF-fabricated AD730 as an alternative to forged UDI720Li for high-pressure turbine disk applications. AD730 samples were produced from gas-atomized powder using a commercial L-PBF system, while UDI720Li billets were subjected to upset and hot die forging. Comprehensive characterization was performed on both materials. Grain size measurements following ASTM E112 indicated that forged UDI720Li exhibited fine grains (ASTM grain number 8-9), while L-PBF AD730 presented a coarser structure (ASTM 3.5-4), which is typical of additive processes. Powder characterization for AD730 included tap and apparent density, particle size distribution and Hall flow measurements to ensure printability and uniform layer deposition. SEM imaging and EDS mapping provided insights into precipitate morphology and chemical distribution. Hardness measurements (HRC) supported the microstructural findings, revealing differences in matrix hardness likely influenced by the thermal history of each process. Mechanical testing included room temperature tensile tests, elevated temperature tensile tests at 650°C and 750°C, stress rupture tests, and both low-cycle fatigue (LCF) and high-cycle fatigue (HCF) evaluations. UDI720Li consistently outperformed L-PBF AD730 in yield strength and UTS across all test conditions, particularly at elevated temperatures. However, AD730 demonstrated superior ductility in some conditions, particularly in elongation at 750 °C. Fractographic analysis revealed more pronounced oxidation at higher temperatures, with reddish hues at 650 °C and bluish oxide layers at 750 °C. Stress rupture tests yielded comparable lifetimes between the two alloys, indicating that, with appropriate post-processing, L-PBF AD730 can achieve similar creep resistance. Nonetheless, fatigue performance was lower in AD730, attributed to the presence of micro-defects and anisotropy resulting from the additive process. From a manufacturing standpoint, forging continues to provide superior mechanical reliability and is well-suited for high-volume production of critical components. However, the advantages of L-PBF—such as geometric freedom, weight reduction, and reduced assembly complexity—position it as a highly attractive alternative, especially in low-rate production, design-optimized components, or where internal features are critical. With continued advancements in powder metallurgy, scan strategy optimization, and post-treatment protocols, L-PBF-fabricated superalloys could feasibly transition into mainstream aerospace applications. In conclusion, this study confirms the mechanical and metallurgical superiority of forged UDI720Li under most conditions, but also highlights the competitive potential of L-PBF AD730 when optimized. Future work should focus on enhancing fatigue performance, achieving finer grain sizes, and tailoring heat treatments to unlock the full potential of additive manufacturing for high-performance turbine disks. As the aerospace industry shifts toward more agile, digital, and performance-driven manufacturing paradigms, the role of L-PBF in producing reliable, efficient, and high-strength components will likely expand significantly.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    884170

    Hava aracı yapısal parçasının topoloji optimizasyonu kullanılarak eklemeli imalata uygun tasarımı ve sayısal analizlerle doğrulanması

    Design for additive manufacturing of an aircraft structural part using topology optimization and validation with numerical analyses

    EMRE KIZILBOĞA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Makine MühendisliğiGazi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OLCAY ERSEL CANYURT

  2. Tez No

    885222

    Mühendislik seramiklerinin SLS/M eklemeli imalat yöntemi ile üretilebilirliğinin incelenmesi

    Investigation of the manufacturability of engineering ceramics with SLS/M additive manufacturing method

    DURAN KAYA

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Makine MühendisliğiGazi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÖKHAN KÜÇÜKTÜRK

  3. Tez No

    823088

    Toz yataklı eklemeli imalat yöntemine uygun hidrolik fren kaliperi tasarımı ve imalatının araştırılması

    Hydraulic brake caliper design for powder bed fusion additive manufacturing and investigation of manufacturing

    MEHMET ÖZAKINCI

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Makine MühendisliğiGazi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. RAHMİ ÜNAL

  4. Tez No

    824782

    Developing surface treatment processes by drag finishing for parts produced from Ti-6Al-4V alloy powders by electron beam melting

    Ti-6Al-4V Alaşım Tozlarından Elektron Işını İle Ergitme Yöntemi Kullanılarak Üretilen Parçalar İçin Sürüklemeli Yüzey İşlem Süreçleri Geliştirme

    KÜBRA YILMAZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Makine MühendisliğiMarmara Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YUSUF KAYNAK

  5. Tez No

    767809

    Eklemeli imalat yöntemi ile üretilmiş parçaların karakterizasyonu ve ardıl süreçlerin parça özelliklerine etkisinin incelenmesi

    Characterisation of additively manufactured parts and investigation of postprocess effects on material properties

    REMZİ ECMEL ECE

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Makine MühendisliğiGazi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖMER KELEŞ

    PROF. DR. BEKİR SAMİ YILBAŞ

Geri Dön