Lazer şok dövme işleminin eklemeli imalat ile üretilmiş γ-TiAl ve ın939 parçalarda yorulma ömrüne etkisinin araştırılması
Investigation on the effects of laser shock processing on the fatigue life of additively manufactured γ-TiAl and in939 parts
Yazar: MAHMUT ÖZER
Danışman: PROF. DR. OĞUZHAN YILMAZ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Eklemeli imalat (Eİ), havacılık, otomotiv ve biyomedikal gibi alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak, özellikle toz yataklı Eİ üretimlerinde yüzeydeki kalıntı gerilmeleri ve pürüzlülük sorunları, Eİ metal parçalarında istenilen performansları elde etmesini engellemektedir. Lazer şok dövme işlemi bu bağlamda metal malzemelerin yüzey özelliklerini iyileştirerek ederek yorulma davranışının en önemli aşaması olan çatlak başlangıcını geciktirebilen bir işlemdir. LŞD işlemi üretim sonrası yüzeyde bulunan çeki kalıntı gerilmelerini (ÇKG) bası kalıntı gerilmelerine (BKG) çevirerek mekanik özellikleri iyileştirmektedir. Bu çalışmada, farklı Eİ yöntemleriyle üretilen γ-TiAl ve IN939 alaşımlarının LŞD işlemi sonrası yüzey özellikleri ve yorulma performansları incelenmiştir. Bu bağlamda yapılan kalıntı gerilme ölçümlerine göre üretimden sonrası EIE γ-TiAl numunesinde yüzeyde bulunan 0-75 MPa değerleri arası ÇKG'leri, -460 MPa değerinde BKG'sine dönüşmüştür. Öte yandan, SLE IN939 için yüzeyde 654 MPa değerlerine ulaşan ÇKG'leri LŞD sonrası -516 MPa değerine kadar BKG olarak değişmiştir. Benzer sonuçlar mikro sertlik değerlerinde de hem yüzey hem de derinlik yönünde elde edilmiştir. Yüzey mikro sertlik değerlerinde γ-TiAl için artış %44,4 ve IN939 için artış %18,2 olarak elde edilmiştir. LŞD işleminin yüksek pürüzlü yüzeylerde de olumlu etkileri Sa, Sz ve Sq değerlerine göre EIE γ-TiAl için sırasıyla %15,8; %12,23 ve %16,68 ve SLE IN939 için ise sırasıyla %8,41; %9,38 ve %8,42 azalmıştır. LŞD işleminin Eİ üretimi numunelerin yorulma performansı ve davranışına etkileri 4-nokta eğmeli yorulma ve hasarlı yüzeylerin SEM incelemesi üzerinden değerlendirilmiştir. EIE γ-TiAl alaşımında yorulma limitinde LŞD sonrası %50 artış gözlenmiştir. SLE IN939 numunelerinde ise aynı gerilme değerlerinde LŞD işlemi ile artışlar 438,3 MPa'da 4,53 kat, 512 MPa'da 4,76 kat ve 585,6 MPa'da 1,37 kat olarak elde edilmiştir.

Abstract:
Additive Manufacturing (AM) is widely used in fields such as aerospace, automotive, and biomedical. However, residual stresses and surface roughness issues, especially in powder bed-based AM productions, can hinder the desired performance of AM metal parts. Laser Shock Peening (LSP) is a process that modifies the surface properties of metal materials, delaying the most critical stage of fatigue behavior, crack initiation. The LSP process improves mechanical properties by converting Tensile Residual Stresses (TRS) on the surface to Compressive Residual Stresses (CRS). In this study, the surface properties and fatigue performances of γ-TiAl and IN939 alloys produced by different AM methods were investigated after LSP treatment. According to residual stress measurements conducted after production, TRS values ranging from 0 to 75 MPa on the surface of the AM γ-TiAl specimen were converted to -460 MPa CRS after LSP treatment. Meanwhile, for IN939, TRS reaching 654 MPa on the surface was converted to -516 MPa CRS after LSP. Similar results were obtained in microhardness values in both surface and depth directions. An increase of 44,4% for γ-TiAl and 18,2% for IN939 was observed in surface microhardness values. The positive effects of LSP on highly rough surfaces were also observed, with reductions of 15.8%, 12.23%, and 16.68% in Sa, Sz, and Sq values for γ-TiAl, and 8,41%; 9,38%, and 8,42% for IN939, respectively. The effects of LSP on the fatigue performance and behavior of AM samples were evaluated through four-point bending fatigue and SEM examination of damaged surfaces. A 50% increase in fatigue limit was observed in γ-TiAl alloy after LSP. In IN939 specimens, increases with LSP at the same stress levels were obtained as 4,53 times at 438,3 MPa, 4,76 times at 512 MPa, and 1,37 times at 585,6 MPa.