Yönlendirilmiş enerji biriktirme yöntemiyle 316l üretimi parametre optimizasyonu
Parameter optimization of 316l production with directed energy deposition method
Yazar: ORKUN TEKELİOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. DERYA DIŞPINAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Eklemeli imalat ile birlikte parça üretimi çok farklı bir boyuta ulaşmıştır. Bu yöntemle, tasarımlar çok daha esnek olarak ve hızlı olarak üretilebilmektedir. Topoloji optimizasyonu ile karmaşık parçaların üretimleri ve onarımı kolay olarak yapılmaktadır. Örneğin; türbin kanatları veya şaft bölgelerinde gerekli onarımlar rahatça yapılmıştır. Gaz türbin kanadı tasarımı için eklemeli imalat teknolojisinin kullanılması, kompleks bileşenli yapıların üretiminde yüksek hassasiyete ve çoğu durumda da daha yüksek kalitede üretimi sağlamıştır. Doğru bir şekilde uygulandığında, katmanlı imalat malzeme israfını önemli ölçüde azaltabilir, üretim adımlarının miktarını, tutulan envanteri azaltabilir ve bir montaj için gereken farklı parçaların miktarını azaltabilir. Ancak, proses kontrolü ve tahmin edilebilirlik gibi bu teknolojinin kullanıcıları arasında bilinmezlikler vardır.
Lazer kaplama olarak da bilinen yönlendirilmiş enerji biriktirme (DED), üç boyutlu bir metal bileşeni katman katman eklemeli olarak üretmek için bir koaksiyel toz dağıtım sistemi ile birleştirilmiş yüksek güçlü bir lazerin kullanıldığı bir metal eklemeli üretim sürecidir. Bununla birlikte, birçok avantajına rağmen, düşük biriktirme verimine sahiptir ve zayıf yüzey düzgünlüğüne, yüksek gözenekliliğe ve zayıf mekanik özelliklere sahip parçalar üretir. Bu sebep ile yönlendirilmiş enerji biriktirme yönteminin (DED) proses parametreleri eklemeli imalat teknolojisinde arzu edilen parçanın elde edilebilmesinde önem arz etmektedir.
Bu tez çalışmasında, daha çok tamirat gibi faaliyetlerde tercih edilen DED sisteminin doğrudan parça üretiminde kullanılması için parametre optimizasyonu çalışması yapılmıştır. Kullanılan altyapı seri üretimde kullanılan endüstriyel bir cihazdır. Cihazın kabiliyetleri arasında lazer sertleştirme ve lazer kaplama teknolojileri sayılmaktadır. Endüstriyel uygulamalarda kullanılan 316L kalite paslanmaz çelik tozlarından, yönlendirilmiş enerjiyle biriktirme yöntemi ile lazer gücü, lazer ilerleme hızı ve toz besleme hızları değiştirilerek toplam 12 adet parametre değeri seçilmiştir. Bu parametreler dışındaki parametre ve çevresel koşullar tamamen aynı olacak şekilde 80x80 mm ebat alanında SAE 1050 çelik altlık üzerinde 15 katman üst üste olacak şekilde numune üretimleri yapılmıştır. Katmanlar bir üst katman ile 90 derecelik açı yapacak şekilde üretilmiştir. Lazer adımlamaları 1 mm şeklinde olup bir önceki katmanın üzerinde % 30 bindirilmiş biçimde katmanlar atılmıştır. Yapılan tüm işlemler için CAD tasarımı üzerinden bir takım yolu çıkarılarak katmanların tam koordinatları hareket sağlayıcı endüstriyel bir robot'a programlanmış ve yüksek hassasiyette deney numuneleri üretilmiştir.
İlk olarak kullanılan toz tane boyut dağılımı ve şekli mikroskop altında incelenmiştir. Daha sonra seçilen parametrelerde numune üretimi için gerekli parametre programlaması yapılarak numune üretimleri tamamlanmıştır. Üretilen numuneler
xx
metal altlık üzerinden tel erozyon ile sıyrılmıştır. Her bir numune optik mikroskop (OM) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) incelemeleri için bakalite alınmıştır.
Yapılan incelemelerde numuneler porozite, ikincil dentrit kol boyu, sertlik bakımından incelenmiştir. Karşılaşılan porozitelerin soğuma sırasında eriyik içerisinde hapsolup kalmış olan proses gaz kabarcıkları olduğu şeklinde yorumlanabilir. İkincil dentrit kol boyları arasında soğuma hızı bakımından çok fark olmadığından benzerlikler gözlenmiştir. Sertlik bakımından kıyaslandığında 1000 W ve 1500 W lazer gücünde ilerleme hızı arttıkça sertlik azalıyor ancak 2000 W güç için ilerleme hızı ile doğru orantılı şekilde sertlik değeri değişiyor. Toz besleme miktarının etkisi ise 1000 W güç değerinde iken bir etkisi olmazken 1500 W ve 2000 W için toz besleme miktarı arttıkça sertliğin azaldığı görülmüştür. İncelemelerde sonucunda minimum ve maksimum değerler arasından 5 parametre seçimi yapılmıştır.
Çekme testleri bakımından seçilen 5 parametre değeri için bir duvar biçiminde üretim yapılarak içerisinden çekme numuneleri çıkarılmıştır. Gözenek miktarının çekme mukavemeti açısından etkisi görülmüş ve gözenek miktarına göre değerlerin ters orantılı biçimde davrandığı görülmüştür. Bununla beraber beklenen şekilde parça daha düşük uzama değerleri göstermiştir ve yaklaşık olarak % 40'lara varan uzama değerlerinin düşüşü gözlenmiştir.
On iki parametre değerinde tek katman biçiminde katman geometrileri ve nüfuziyeti karşılaştırması yapılmıştır. Yapılan karşılaştırmalarda 2000 W değerinde nüfuziyetin alt katmanlara geçtiği görülmüştür. Toz besleme hızının yüksek olması katman ile altlık arasındaki birleşme açısının yüksek olmasına sebep olmuştur. Katmanlı üretim için katmanlar arasındaki bu açının yüksek olması istenilen biçimde bir geometri eldesinin kontrolünü zorlaştırmaktadır.
Yapılan değerlendirmelerde parametrelerden elde edilen sonuçların birbirine yakın olduğu görülmektedir. Çekme testi sonuçlarına göre, parametre 9'un en iyi parametre olduğu yorumlanabilir. Ayrıca alt katmana penetrasyonun değerlendirilmesinde, penetrasyon için bu parametrenin değeri uygun aralıktadır. Bu parametre değerinin seçilmesi, yüksek sertliğin beklendiği uygulamalar içinde uygundur. Ancak değerler birbirine yakın olduğu için tek bir parametrenin üstünlüğünden bahsetmek doğru olmaz. Yüksek lazer gücü ve işlem hızında düşük toz besleme miktarı ile çalışmanın olumlu olacağı düşünülmektedir. Katmanlar arası soğuma süresinin arttırılması veya üst katmanlar yükseldikçe daha düşük ısı girdisi ile çalışılması, yüzey pürüzlülüğünün ve duvar yapısının korunmasında önemli bir detaydır.

Abstract:
Additive manufacturing has revolutionized the production of parts. This technology allowed design development and rapid production of components. It has facilitated the manufacture and repair of particularly complex parts. For example; industrial gas turbine parts can be repaired faster and with complete design freedom. The use of additive manufacturing technology for gas turbine blade design has enabled multi-element components to achieve in this case with higher precision and higher performance. When implemented correctly, additive manufacturing prevents material waste such as chipping through by machining, reduces production time and might reduces the material used. However, process control and predictability still have some unknowns among users of this technology.
Directed energy deposition (DED), also known as laser cladding, is an additive manufacturing process that uses a high-power laser source combined with a coaxial powder delivery system to produce metals in three dimensions. It provides advantages such as rapid prototyping and part light-weighting from the three-dimensional solid model. However, despite its many advantages, it is of low productivity and produces parts with poor surface smoothness, high porosity, and poor mechanical properties. The variety of materials used is quite limited for metal materials. Therefore, it is not possible to produce for every material. On the other hand, additional processes such as heat treatment and machining may be needed. For this reason, the process parameters of the direct energy deposition method (DED) are important in obtaining the desired properties of a part in additive manufacturing technology.
In this thesis, a parameter optimization study has been carried out for part production on the DED system, which is preferred in activities such as repairs. The infrastructure used is an industrial device that uses in serial production. Laser hardening and laser cladding technologies are among the capabilities of the device. Spherical grained 316l stainless steel powder, which is preferred in industrial applications, was used. There are many parameters in the directed energy deposition method such as environmental factors, powder feeding, process speed, material and energy source. In this study, powder feed rate, process speed and laser power were chosen as variable parameters. 80x80 mm in size and sample production was made for 12 different parameter values with 15 layers each. SAE 1050 quality steel substrate with the size of 300x300x70 mm was used in sample production. Except for the twelve process parameters, all conditions were the same. The layers were produced at a 90-degree angle with an upper layer. Laser stepping is in the form of 1 mm and layers were overlaid over the previous layer with 30% overlap. For all operations, a tool path was created from CAD design, the exact coordinates of the layers were programmed into an industrial robot that provides motion, and high precision test samples were produced.
Firstly, the powder particle size distribution and shape used were examined under a microscope. The powder size used in the DED process is important for the layers to come together in a closed pack. The desired grain size range is between 50-100 microns. Fine powders fly away as a result of spraying during the process and the desired efficiency cannot be achieved.Then, the desired parameter programming for the sample production was done and the sample production was completed. The selected parameters were determined according to the literature and experience from similar studies. The samples produced were cut by wire erosion on the metal substrate. Each sample was prepared for optical microscopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM) examinations.
The samples were examined in terms of porosity, secondary dendrite arm length, hardness and tensile properties. Porosity is undesirable in such processes because of its negative impact on mechanical properties. In addition, hardness and İDKAM, which can change as a result of reheating and cooling in each layer, should be known and optimized. The porosities encountered can be interpreted as process gas bubbles trapped in the melt during cooling. Since there is not much difference between the secondary dendrite arm sizes in terms of cooling rate, similarities have been observed. When compared in terms of hardness, hardness was found to decreases as the speed was increased from 1000 to 1500 W laser power, but the hardness value changes in direct proportion to the feed rate for 2000 W power. The effect of the powder feeding amount had no effect at 1000 W power value. At 1500 W and 2000 W, it was observed that the hardness decreased as the powder feeding amount increased. As a result of the examinations, 5 process parameters were selected among the minimum and maximum values.
Tensile samples were extracted from a wall as specified for five parameter values desired for tensile tests. It is seen that the tensile, yield and elongation values obtained over the selected 5 parameter values are similar to each other. Elongation values for parameters 4 and 12 are 40% lower than other parameters. these parameter values are also the two-parameter that have the highest pores.The effect of the amount of pores in terms of tensile strength was observed and it was observed that the tensile test values behave inversely proportional to the amount of pore. Moreover, as expected, the part showed lower elongation values.
A comparison of layer geometries and penetrations in a single layer with twelve parameter values was carried out. In additive manufacturing; The layer geometry must be known in order to create the structure with the expected properties. For each parameter value, cross-sectional examination of the seams, width, height and penetration properties to the substrate were examined, so that an idea about the shape of the layers in the final product was obtained.In the comparisons, it has been observed that the penetration of 2000 W has penetrated into the lower layers. The high speed of powder feeding caused the joint angle between the layer and the substrate to be high. The high angle between the layers for additive manufacturing makes it difficult to control the desired component geometry.
It is seen that the results obtained from the parameters in the evaluations are close to each other. According to the tensile test results, it can be interpreted that parameter 9 is the best parameter. Also, in evaluating penetration into the substrate, the value of this parameter is desirable for penetration into the substrate. Selecting this parameter value is suitable for applications where high hardness is expected. However, since the values are close to each other, it would not be correct to talk about the superiority of a single parameter. It is thought that it will be positive to work with a low powder feeding amount at high laser power and process speed. Increasing the cooling time between the layers or working with a lower heat input as the upper layers rise is an important detail in preserving the surface roughness and wall structure.