Titanyum sac malzemelerin sıcak şekillendirilmesi prosesinin incelenmesi ve uygun proses parametrelerinin belirlenmesi
Investigation of hot forming process of titanium sheet materials and determination of optimum process parameters
Yazar: MURAT MERT UZ
Danışman: PROF. DR. AFİFE BİNNAZ HAZAR ; PROF. DR. GÜNEY GÜVEN YAPICI
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Düşük yoğunluk, yüksek mukavemet, yüksek korozyon direnci gibi özellikleri sebebiyle havacılıkta titanyuma olan ilgi gün geçtikçe artmaktadır. Titanyum alaşımları özelinde hem α hem de β fazının avantajlarını içeren Ti-6Al-4V ön plana çıkmaktadır. Ti-6Al-4V'nin oda sıcaklığındaki şekillendirilebilirliğinin düşük olması, araştırmacıları sıcak şekillendirme proseslerine yönlendirmiştir.
Bu doktora tez çalışmasında; Ti-6Al-4V alaşımının yüksek sıcaklıklardaki şekillendirilebilirliği incelenmiş ve sıcak pres şekillendirme yönteminde uygun proses parametreleri belirlenmiştir. Matematiksel modelleme üç farklı yaklaşımla gerçekleştirilmiştir. Sonlu elemanlar analizi ile şekillendirme çalışmalarına rehberlik sağlanmıştır. 
Tez çalışmasının birinci bölümünde Ti-6Al-4V malzemelere 700°C, 750°C ve 800°C'de farklı gerinim oranlarında çekme testleri uygulanmıştır. 700°C ve üzeri sıcaklıklarda, 0,001 s-1 gerinim oranında baskın sünek davranış gözlemlenmiştir. Sıcaklığın artması ve gerinim oranının azalması mekanik mukavemeti düşürmüştür. 800°C'de %17,32 oranındaki β fazının %31,02'ye ulaştığı ve α tane boyutunun sıcaklıkla büyüdüğü gösterilmiştir. Kırılma yüzeylerinde çukurların ve boşlukların varlığı ve azalan kırılma yüzey alanı,  artan sünekliğin bir göstergesidir. 
İkinci bölümde mekanik davranışın modellenmesinde Modifiye Johnson-Cook modeline ek olarak genişletilmiş Ludwik denklemi ve Arrhenius-tipi modelin  kullanılması önerilmiştir. Korelasyon katsayısı (R) ve ortalama mutlak bağıl hata (AARE) sonuçlarına göre, Genişletilmiş Ludwik modelinin çalışılan şekillendirme sıcaklık aralığında güvenilir bir yaklaşım olduğu ortaya konulmuştur.  
Üçüncü bölümde Ti-6Al-4V'nin sıcak şekillendirme prosesi için sonlu elemanlar analizi gerçekleştirilmiş ve özellikle 700°C sıcaklıktaki örneklerin uygun geometrilerde olduğu görülmüştür. 
Çalışmamızın dördüncü bölümünde ise bir havacılık yapısal parçasının sıcak şekillendirme işlemi 700°C ve 800°C sıcaklıklarda farklı hızlarda, farklı pres tonajlarında ve bekletme sürelerinde test edilmiştir. 150 ton kuvvetle oluşturulan ve 10 dk kuvvet altında bekletilen numunelerin uygun geometride olduğu görülmüştür. 700°C'de çalışmalarda parça üzerinde herhangi bir problem görülmezken, XRD analizleri ve mikrosertlik testlerinde 800°C'deki numunelerin yüzeylerinde oksit tabaka tespit edilmiştir. Sonlu elemanlar analizi sonuçlarının %94 oranında doğruluğa sahip olduğu ortaya konulmuştur.

Abstract:
Interest in titanium is increasing in aerospace, due to properties such as low density, high strength, and high corrosion resistance. In the case of titanium alloys, the Ti-6Al-4V alloy, which has the advantages of both α and β phases, comes to the fore. However, the low formability of Ti-6Al-4V at room temperature led researchers to hot forming processes. 
In this doctoral thesis, the formability of Ti-6Al-4V at high temperatures was investigated and optimum process parameters were determined for the hot forming process. Mathematical modeling was performed with three different approaches and the process was optimized with finite elements analysis.
In the first part, uniaxial tensile tests were applied to Ti-6Al-4V at different strain rates at high temperature. In tests performed at a strain rate of 0.001 s-1 at 800°C, an elongation at break above 0.8 was observed, representing a predominant ductile behavior. It has been clearly shown that the initial 17.32% β phase reaches 31.02% at 800°C and the α grain size increases with temperature. The presence of voids on fracture surfaces and decreased fracture surface area are indicative of increased ductility. 
In the second part, mechanical behavior is modeled. According to statistical comparison, the Extended Ludwik model was thought to be a more appropriate approach in the working temperature range.
In the third chapter, finite element analysis of the hot forming process of 
Ti-6Al-4V was carried out in different process parameters and it was observed that the samples at 700°C were in suitable geometries.
In the fourth part of the study, the hot forming process was tested in different process parameters. It was observed that the samples, which were formed at 700°C with  150 tonnes of force and kept under force for 10 minutes, were in suitable geometry. The results of the finite elements analysis were 94 %accurate.