Seçici lazer ergitme işleminde Ti-6Al-4V için sıcaklığa bağlı mikroyapı dönüşümlerinin analizi ve yerinde martenzit ayrışma yaklaşımları
Analysis of temperature dependent microstructure transformations and in-situ martensite decomposition approaches for Ti-6Al-4V in selective laser melting
Yazar: AYŞE KÜBRA YILDIZ
Danışman: PROF. DR. OĞUZHAN YILMAZ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Alüminyum alaşımları = Aluminum alloys ; Ergitme = Smelting ; Katmanlı üretim = Additive manufacturing ; Makine mühendisliği = Mechanical engineering ; Martenzit = Martenzit ; Mikroyapı = Microstructure

Özet:
Seçici Lazer Ergitme (SLE) sırasında, erişilen yüksek sıcaklıklar ve hızlı soğuma hızları nedeniyle, Ti-6Al-4V alaşımlı parçalarda sünekliği zayıf martenzit α' mikroyapılar oluşmaktadır. Öte yandan, α+β mikroyapıyla daha yüksek mukavemet ve süneklik elde etmek mümkündür. Yerinde martenzit ayrışma yöntemiyle, martenzit α' mikroyapısı lamelli (α+β) mikroyapılara dönüştürülebilmektedir. Ancak, ayrışma için özel koşullar gerekmekte olup, bu koşulların belirlenmesi zordur. Bu tez çalışmasında, serili toz katman üzerinde seçici olarak lazer tarama işleminin sürekli değişen termal davranışını değerlendirmek için, çok taramalı ve çok katmanlı olmak üzere etkili bir model geliştirilmiştir. Model için ayrıca, Ti-6Al-4V için z-yönünde iletkenlik geliştirme faktörünü (λz) ve emilimi hesaplayan ampirik yaklaşımlar türetilmiştir. Lokal sıcaklık gradyanları ile mikroyapı dönüşümünü doğrudan ilişkilendirmeyi mümkün kılan fenomenolojik bir yaklaşım kullanılmıştır. Bu dönüşümlerin üretim parametreleriyle ilişkileri ele alınarak, martenzit ayrışmasının evreleri açıklanmıştır. Model ile deneysel çalışmaların tutarlılığı kontrol edilmiştir. Ayrıca, martenzit ayrışması için zor olan 30 µm toz katman kalınlığı ve 85 µm lazer çapına sahip bir lazer için parametre seti oluşturulmuş ve bir örnek geometrinin lazer toz yatak füzyonlu bir eklemeli imalat tezgahında üretimi yapılarak mikroyapısı analiz edilmiştir. Ayrıca, farklı özellikteki destek yapı, üretim oryantasyonları, tarama stratejileri ve tekrar ısıtma işlemlerinin termal analizi yapılarak, martenzit ayrışmasına olan etkileri incelenmiştir. Yüksek tabla sıcaklıklarında toz serme süreleri iyileştirilerek martenzitin ayrışmasına olanak sağlayan yeni parametre setleri belirlenmiştir. Yüksek boşluklu destek yapıların ve genişleyen kesitli yapıların martenzit ayrışmasına olumlu etkileri tespit edilirken, tarama stratejisi ve tekrar ısıtma işleminin önemli ölçüde etkisi olmadığı görülmüştür. Tabla sıcaklığı ve toz serme sürelerinin ayrışma için önemli parametreler olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
In Selective Laser Melting (SLM), due to the high temperatures and rapid cooling rates, martensite α' microstructures with poor ductility are formed in Ti-6Al-4V alloy. However, the higher strength and ductility can be obtained by α+β microstructure. Via in-situ martensite decomposition method, the martensite α' microstructure can be turned into lamellar (α+β) microstructures. However, special conditions are required for decomposition to occur, and these conditions are difficult to determine. In this thesis, an efficient multi-tracks and multi-layer model has been developed to evaluate the ever-changing thermal behavior of the laser scanning process selectively on the laid powder layer. The model includes empirical approaches to determine conductivity enhancement factor in the z-direction (λz) and absorptivity for Ti-6Al-4V. A phenomenological approach has been employed, which allowed to directly relate the local time dependent temperature gradients to the microstructure transformation evolution. These transformations in relation to process parameters and the required stages of martensite decomposition have been explained. The consistency of the experimental studies with the model was checked. In addition, parameters were estimated for a powder layer thickness of 30 μm and a laser with a beam diameter of 85 μm, where decomposition would be difficult, and a sample geometry was fabricated on a laser powder bed fusion additive manufacturing machine and its microstructure was analyzed. In addition, the effects of different support structures, build orientations, scanning strategies and reheating processes on martensite decomposition were investigated by thermal analysis. New parameter sets were determined that allow the decomposition of martensite by improving the powder laying times at high substrate temperatures. While positive effects of high-void support structures and expanding cross-section structures on martensite decomposition were detected, it was observed that the scanning strategy and reheating process did not have a significant effect. Substrate temperature and powder laying times were determined to be important parameters for decomposition.