Plazma tabancası tasarımı, analizi ve plazma atomizasyon yöntemi ile Ti alaşım tozu üretiminin araştırılması
Plasma gun design, analysis and investigation of Ti alloy powder production by Plasma Atomization
Yazar: EMRE YURTKURAN
Danışman: PROF. DR. RAHMİ ÜNAL
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic ; Toz metalurjisi = Powder metallurgy

Özet:
Yeni nesil imalat yöntemlerinden olan metal eklemeli imalat sektörü günümüzde hızla gelişmektedir. Bu imalat yönteminin hammaddesi küresel metal tozlarıdır. İhtiyaç duyulan metal tozları gaz atomizasyon veya plazma atomizasyon ile üretilmektedir. Plazma atomizasyon, özellikle biyomedikal ve havacılık endüstrisinde titanyum ve diğer reaktif metal ve alaşımlarından küresel toz üretilmesinde önemli avantajlara sahiptir. Plazma atomizasyon yönteminin en önemli ekipmanı plazma tabancasıdır. Plazma tabancası teknolojisinin araştırılması özgün teknoloji geliştirmek için kaçınılmazdır. Bu çalışmada plazma atomizasyon ile Titanyum alaşım tozu üretebilmek amacıyla özgün argon DC transfer edilmeyen ark plazma tabancası tasarımı ve geliştirme çalışmaları yapılmıştır. Tasarım ve geliştirme süreçlerinde elektromanyetik alan ve gaz akışı arasındaki etkileşimi çözebilmek için ANSYS FLUENT ve MHD modülü birlikte kullanılarak 3B sayısal modelleme yapılmıştır. Akım yoğunluğu ve gaz debisi değişkenlerinin tabanca çıkışındaki plazma jeti sıcaklığı ve hızı üzerindeki etkileri incelenmiştir. Tabancadan elde edilen plazma jetinin sıcaklık ve hız değerlerinin atomizasyon açısından uygunluğu araştırılmıştır. Bu analizler sonucunda plazma tabancası ve reaktör tasarımı yapılmış ve imal edilmiştir. Oluşturulan deney düzeneğinde Ti alaşım tozu üretim deneyleri yapılmıştır. Plazma tabancası performans deneylerinde, 100 A'den ile 300 A akım değerlerine kadar plazma jeti davranışı incelenerek artan akım ile birlikte sıcaklık ve hız değerlerinin arttığı gözlemlenmiştir. Benzer şekilde gazın hacimsel debi değerlerinin artışı ile jet hızının arttığı belirlenmiştir. Üretilen tozların küresel, içi dolu ve uydulaşma olmadığı gözlemlenmiştir. Çalışma neticesinde özgün plazma tabancası geliştirilmiş ve Ti alaşım tozu üretimi başarıyla gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
One of the new generation manufacturing methods, metal additive manufacturing sector is developing rapidly today. The raw material of this manufacturing method is spherical metal powders. The metal powders needed are produced by gas atomization or plasma atomization. Plasma atomization has significant advantages in the production of spherical powder from titanium and other reactive metals and alloys, particularly in the biomedical and aerospace industries. The most important equipment of the plasma atomization method is the plasma gun. Investigation of plasma gun technology is inevitable to develop original technology. In this study, the original argon DC non-transferred arc plasma gun design and development studies were carried out in order to produce Titanium alloy powder by plasma atomization. In order to solve the interaction between electromagnetic field and gas flow in the design and development processes, 3D numerical modeling was performed by using ANSYS FLUENT and MHD modules together. The effects of current density and gas flow rate variables on plasma jet temperature and velocity at the gun outlet were investigated. The suitability of the temperature and velocity of the plasma jet obtained from the gun in terms of atomization was investigated. As a result of these analyzes, plasma gun and reactor were designed and manufactured. Ti alloy powder production tests were performed in the test apparatus. In plasma gun performance experiments, the plasma jet behavior from 100 A to 300 A was examined and it was observed that temperature and velocity values increased with increasing current. Similarly, it was determined that jet velocity increased with increasing volumetric flow values of gas. It was observed that the produced powders were spherical, filled and not satellite. As a result of this study, the original plasma gun was developed and Ti alloy powder production was realized successfully.