Mangan alüminyum bronzundan imal gemi pervane malzemesinin kavitasyon erozyonu dayanımının bilyalı dövme yöntemiyle iyileştirme çalışması
A study on improvement of cavitation erosion resistance of manganese aluminum bronze ship material by shot peening method
Yazar: SEDAT CAN TİNİ
Danışman: PROF. DR. ADALET ZEREN
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Aşınma = Wear ; Aşınma deneyleri = Wear tests ; Bakır alaşımları = Copper alloys ; Metalik malzemeler = Metallic materials ; Savaş gemileri = Naval ships ; Su erozyonu = Water erosion

Özet:
Bu çalışmada, kavitasyonun zararlı etkisi altında çalışan gemi pervane malzemesi Manganez Alüminyum Bronz (MAB-CU4) alaşımının, bilyalı dövme yöntemi ile yüzeyinde oluşturulan plastik deformasyon sonucu kavitasyon erozyonu aşınma davranışı incelenmiştir. Farklı kavitasyon hücum açılarında (30°,60° ve 90°) testlerin uygulanmasına izin veren özgün bir test donanımıyla döküm alaşımının kavitasyon erozyon davranışı ortaya çıkarılmıştır. Başlangıçta, farklı kavitasyon sayılarına göre kütle kaybındaki değişim ve kavitasyon erozyonunu etkileyen parametreler Taguchi deney tasarımı yöntemi kullanılarak değerlendirilmiştir. Literatürde daha önce bu yöntemle çalışılmamış olup kavitasyon hücum açısının, %69,07 oranıyla kavitasyon erozyonu üzerinde en etkin parametre olduğu analiz edilirken giriş basıncının 150 bardan 200 bara çıkarılması kütle kaybını ~%15 artırmıştır. Referans numunelerde görülen bu değişimler üzerine numunelerin yüzey ve yüzey altı özellikleri, bilyalı dövme yöntemi kullanılarak geliştirilmiştir. Dövülen numunelerin kesit derinliğine bağlı sertlik değerleri azalarak (290 HV'den 150 HV'ye) yaklaşık 250 mikron derinliğinde sertleştirilmiş yüzey tabakası elde edilmiştir. Kavitasyon erozyonu testleri sonrasında ise 150 bar giriş basıncında dövülmemiş yüzeylere göre ~%22 daha daha düşük kütle kaybı aşınma oranı sağlanırken, 200 bar giriş basıncında bu oran her iki yüzey için yaklaşık olarak aynı olarak ölçülmüştür. Ortaya çıkan değişimler, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve 3B optik profilometri yöntemleriyle incelenmiştir. Bu detaylı incelemeler sonucunda, kavitasyon erozyonu hasarları ağırlıklı olarak tane sınırları içerisinde meydana geldiği, hasar mekanizmasının, yüzeyin özellikle tane sınırlarında korozyonun da eşlik ettiği şiddetli plastik deformasyon nedeniyle yüzeyden malzemenin uzaklaştırılmasıyla gerçekleştiği düşünülmektedir. Bilyalı dövme işlemi ile kavitasyon erozyonu direncinin artması ise yakın yüzeyde meydana gelen plastik deformasyona bağlı olarak artan yüzey sertliğine, tane incelmesine ve yönlendirme mekanizmalarına atfedilmiştir.

Abstract:
In this study, the cavitation erosion wear behavior of the ship propeller material Manganese Aluminum Bronze (MAB-CU4) alloy, operating under the harmful effects of cavitation, as a result of plastic deformation created on its surface by shot peening method was investigated. The cavitation erosion behavior of the casting alloy was revealed with a innovative test rig that allowed tests at different cavitation attack angles (30°, 60° and 90°). Initially, the changes in mass loss with respect to different cavitation numbers and the parameters affecting cavitation erosion were evaluated using the Taguchi Design of Experiments (DoE) method. While the cavitation angle of attack, which has not been studied with this method before in the literature, was found to be the parameter with the greatest effect on cavitation erosion with a rate of 69.07%, increasing the inlet pressure from 150 bar to 200 bar increased the mass loss by ~15%. Following these changes observed in the reference samples, the surface and subsurface properties of the samples were improved using the shot peening method. The hardness values of the peened samples decreased depending on the section depth (from 290 HV to 150 HV) and a hardened surface layer of approximately 250 microns in depth was obtained. After cavitation erosion tests, a ~22% lower mass loss wear rate was achieved compared to unpeened surfaces at 150 bar inlet pressure, while this rate was measured to be approximately the same for both surfaces at 200 bar inlet pressure. The resulting changes were examined by scanning electron microscopy (SEM) and 3D optical profilometry. As a result of these detailed investigations, it is thought that the damage mechanism occurs by the removal of material from the surface due to severe plastic deformation accompanied by corrosion, especially at the grain boundaries, while cavitation erosion damage occurs predominantly within the grain boundaries. The increase in cavitation erosion resistance with shot peening was attributed to increased surface hardness, grain refinement and orientation mechanisms due to plastic deformation occurring at the near surface.