Ti-6Al-4V alaşım tozlarından elektron ışını ile ergitme yöntemiyle üretilen parçalar için vibrasyonlu yüzey işlem süreçleri geliştirme
Developing vibratory surface finishing processes treatment for electron beam melted Ti-6Al-4V alloy powders
Yazar: NİHAL YAMAN
Danışman: PROF. DR. YUSUF KAYNAK
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Ti-6Al-4V malzemesi, korozyona dayanıklılık, yüksek erime başlangıç noktası, daha yüksek mukavemet/ağırlık oranı, süneklik ve temel faydalar arasında biyolojik uyumluluk gibi olağanüstü özellikleri sayesinde biyomedikal, havacılık, uzay ve savunma endüstrilerinde yaygın bir şekilde kullanılan bir hafif metaldir. Diğer bir yandan Ti-6Al-4V işlenmesi zor malzemeler sınıfına girmektedir. Bunun sebepleri; yüksek kimyasal reaktivite, düşük termal iletkenlik, yüksek sıcaklıktaki yüksek mukavemet özellikleri, düşük elastikiyet modülüdür. Yüksek kimyasal reaktivitesi, işleme sırasında kesici takıma kaynak yapma eğilimine neden olur.  Düşük termal iletkenlik, takım ile iş parçası arasındaki ısı transferini önler ve buna bağlı olarak aşırı ısınan takım olumsuz etkilenir. Yüksek sıcaklıkta mukavemetini koruması ve düşük elastikiyet modülü işlenebilirliğini zorlaştırır. Bu sebeplerle Ti-6Al-4V'nin eklemeli imalat ile üretimi, geleneksel yöntemlere göre avantaj sağlamaktadır. Eklemeli imalatın genel avantajı olan hedeflenen ürünün temel geometrik şekli ve temel malzeme özelliklerinin aynı anda tek bir işlemle elde edilebilen ve düşük kalıntı gerilimi, hızlı üretim hızı ve yüksek enerji verimliliği nedeniyle Ti-6Al-4V malzemesinin eklemeli imalat çeşitlerinden biri olan elektron ışını ile ergitme yöntemiyle üretilmesi yaygındır. Ancak elektron ışını ile ergitme yöntemi ile metalik parçaların imalatında karşılaşılan birtakım sorunlar vardır. Bunların başında yüksek yüzey pürüzlülükleri ve porozite yoğunluğu gelmektedir. Bu sorunlar literatürdeki birçok çalışmada ifade edilmiş ve ortaya konulmuş olmasına rağmen bu sorunların çözümüne katkı sunacak çalışmalar sınırlıdır. Bu sorunlar parçaların yüzey ve yüzey altı özellikleri (yüzey bütünlüğü) açısından önem arz etmekte, parçaların mekanik performanslarını önemli derecede etkilemektedirler. Üretilen parçalarda meydana gelen, kabul edilemeyecek ve doğrudan kullanılamayacak derecede kararsız ve kötü yüzey topografisi ile oldukça yüksek ortalama yüzey pürüzlülük değerleri malzemenin doğrudan kullanılmasını sınırlayıcı etkide bulunmaktadır. Bu sebeple EBM yöntemiyle üretilen Ti-6Al-4V parçalara kazandırılmak istenen özelliklere göre ikincil işlemlerin uygulanmasını gerekir.

Bu tez kapsamında eklemeli imalat çeşitlerinden biri olan elektron ışını ile ergitme yöntemi kullanılarak üretilmiş Tİ-6Al-4V numunelerine, ikincil işlem uygulamalarından biri olan vibrasyon ile yüzey iyileştirme işlemi uygulanacaktır. Vibrasyonlu yüzey işlemi özellikle havacılık endüstrisinde sıkça kullanılan bir yöntemdir. Ancak eklemeli imalat ile üretilen parçalar üzerindeki etkilerinin incelendiği çalışmalar sınırlı sayıdadır. Vibrasyonlu yüzey işlemin etkisini belirleyen temel parametrelerden biri aşındırıcı medyadır. Aşındırıcı medyanın geometrisi ve boyutlarının değişmesi, medyanın reolojik davranışının değişmesine ve buna bağlı olarak aşındırıcı medyanın iş parçasına uyguladığı kuvvetlerin değişmesine sebep olmaktadır. Bu kapsamda vibrasyon ile yüzey iyileştirme işlemi yapılırken kullanılan aşındırıcıların, farklı geometriler ve boyutlarda olmasının elektron ışını ile ergitme yöntemi ile üretilen Ti-6Al-4V parçalarının yüzey bütünlüğüne etkisinin deneysel ve ampirik yaklaşımlarla incelenip, sonuçlarının ortaya konması amaçlanmaktadır.

Abstract:
Ti-6Al-4V material is a light metal widely used in the biomedical, aerospace, and defense industries due to its outstanding properties such as corrosion resistance, high melting starting point, higher strength-to-weight ratio, ductility and biocompatibility among key benefits. On the other hand, Ti-6Al-4V is in the class of materials that are difficult to process because of the high chemical reactivity, low thermal conductivity, high strength properties at high temperature, low modulus of elasticity. Its high chemical reactivity causes a tendency to weld to the cutting tool during machining. Low thermal conductivity prevents heat transfer between the tool and the work piece, and consequently the overheated tool is adversely affected. Its high-temperature strength and low modulus of elasticity make traceability difficult. For these reasons, the production of Ti-6Al-4V by additive manufacturing provides an advantage over traditional methods. It is common to produce Ti-6Al-4V material by electron beam melting method, which is one of the most preferred additive manufacturing types. Additive manufacturing offers the advantages of obtaining the targeted geometric shape and basic material properties with a single operation at the same time, low residual stress, high production speed and high energy efficiency. However, there are some problems encountered in the manufacture of metallic parts by the electron beam melting method. These include high surface roughness and porosity density. Although these problems have been expressed and put forward in many studies in the literature, studies that will contribute to the solution of these problems are limited. These problems are important in terms of the surface and subsurface properties (surface integrity) of the parts, and they significantly affect the mechanical performance of the parts. The unstable and poor surface topography, which is unacceptable and cannot be used directly, and very high average surface roughness values, which occur in the produced parts, limit the direct use of the material. For this reason, secondary processes should be applied according to the properties desired to be gained to the Ti-6Al-4V parts produced by the EBM method.

Within the scope of this thesis, one of the secondary processing applications, vibration surface treatment, will be applied to TI-6Al-4V samples produced by using electron beam melting method, which is one of the additive manufacturing types. Surface treatment with vibration is a method frequently used especially in the aviation industry. However, studies examining the effects on the parts produced by additive manufacturing are limited. One of the main parameters determining the effect of vibratory surface treatment is the abrasive media. Changing the geometry and dimensions of the abrasive media causes the rheological behavior of the media to change and accordingly the forces applied by the abrasive media to the work piece change. In this context, it is aimed to examine the effect of the different geometries and sizes of the abrasives used in the surface improvement process with vibration on the surface integrity of the Ti-6Al-4V parts produced by electron beam melting method, with experimental and empirical approaches, and to reveal the results.