Inconel 718 süperalaşımının frezelenmesinde kriyojenik ısıl işlem görmüş farklı ince film kaplamalı karbür kesici takımların kesme performansının araştırılması
Investigation of cutting performance of cryogenically treated different thin film coated carbide cutting tools in the milling of Inconel 718 superalloy
Yazar: BİLAL KURŞUNCU
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ŞEVKİ YILMAZ GÜVEN ; DOÇ. DR. HALİL ÇALIŞKAN
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Inconel 718 süperalaşımı nükleer santrallerde ve uzay sanayinde sıklıkla kullanılan nikel esaslı bir süperalaşımdır. İşletme anında korudukları mekanik özellikleri dolayısı ile tercih edilmektedirler. Ancak yüksek deformasyon sertleşmesi oranı ve düşük ısıl iletim katsayısı gibi özellikleri dolayısı ile işlenmesi zor malzeme olarak bilinmektedirler. Karbür kesici takımlar bu tür malzemelerin frezeleme işlemlerinde sıklıkla kullanılmasına rağmen kesme bölgesinde meydana gelen yüksek sıcaklıklar ve Inconel 718 süperalaşımının içerdiği sert karbür parçacıkların etkisi ile takım ömrü oldukça düşük olmaktadır. Karbür kesici takımların aşınma ve oksidasyon direncini arttırmak için farklı metotlar kullanılmaktadır. Bu metotlardan bazıları, karbür kesici takımların sert kaplamalar ile kaplanması ve Kriyojenik ısıl işleme tabi tutulması yöntemleridir. 
Bu tez çaışmasında, nanokompozit TiAlSiN/TiSiN/TiAlN, TiAlN ve TiN sert kaplamalar, endüstriyel magnetron sıçratma yöntemi ile karbür kesici takımlar ve çelik altlıklar üzerine biriktirilmişler ve elde edilen bu kaplamaların karakterizasyonu yapılmıştır. Elde edilen kaplamaların SEM, EDS ve FTIR kullanılarak yapısal özellikleri incelenmiştir. Daha sonra elde edilen kaplamalı karbür kesici takımların üzerine PVD yöntemi kullanılarak BN kaplama biriktirilmiştir. Nanokompozit TiAlSiN/TiSiN/TiAlN, TiAlN ve TiN kaplamalı takımlar ve nanokompozit TiAlSiN/TiSiN/TiAlN/BN, TiAlN/BN ve TiN/BN kaplamalı takımlar -145oC sıcaklıkta 24 saat süre ile kriyojenik ısıl işleme tabi tutulmuştur. Daha sonra tüm takımlar kullanılarak, kesme parametrelerinin (kesme hızı, ilerleme oranı) ve kaplama tipinin, karbür kesici takımların kesme performasına ve iş parçası yüzey kalitesine etkisi incelenmiştir. Yüzey frezeleme işleminde iş parçası olarak Inconel 718 süperalaşımı kullanılmıştır. Farklı kesme şartlarında, karbür kesici takımların kesme kuvveti ölçümleri yapılmış ve takım ömürleri belirlenmiştir. Aşınmış takımlar üzerinde meydana gelen aşınma mekanizmaları ve tipleri SEM ve EDS kullanılarak belirlenmiştir.
Kesici takımlara uygulanan kriyojenik ısıl işlem ile mikroyapıdaki ƞ fazı yaklaşık olarak % 18 oranında artmıştır. Kaplamaların adezyonları karşılaştırıldığında altlık malzemeye en iyi adezyonun nanokompozit TiAlSiN/TiSiN/TiAlN kaplamaya ait olduğu görülmüştür. Uygulanan kriyojenik ısıl işlem ile tüm kaplamaların altlık malzemeye adezyonlarında artış görülmüştür. Tek tabaka kaplamalar üzerine biriktirilen BN kaplama ile sürtünme katsayısında düşüş olmuştur. Kesici takımlar üzerinde uygulanan kriyojenik ısıl işlem ve ince film kaplamalar ile takım ömürlerinde artış sağlandığı görülmüştür. Aşınmış kesici takımların SEM görüntüleri ve EDS analizleri incelenerek abrazyon, difüzyon, oksidasyon aşınma mekanizmalarının aktif olduğu görülmüştür.
Elde edilen takım ömürleri göz önünde bulundurulduğunda ısıl işlem görmemiş takımlar ile en yüksek takım ömrü 1,9 m kesme uzunluğu ile 30 m/dak kesme hızı, 0,1 mm/diş ilerleme oranında nc-TiAlSiN kaplamalı kesici takım ile elde edilmiştir. Kriyojenik ısıl işlem görmüş kesici takımlar ile elde edilen en yüksek takım ömrü 2,05 m kesme uzunluğu ile TiN kaplamalı kesici takım ile 30 m/dak kesme hızı, 0,1 mm/diş ilerleme oranında elde edilmiştir. Kriyojenik ısıl işlem görmüş BN kaplamalı kesici takımlar ile elde edilen en yüksek takım ömrü ise nc-TiAlSiN/BN kaplamalı kesici takım ile 2,25 m kesme uzunluğunda 30 m/dak kesme hızı, 0,075 mm/diş ilerleme oranında elde edilmiştir.
30 m/dak kesme hızında, nc-TiAlSiN kaplamalı kesici takım ile diğer kaplamalı kesici takımlara göre, daha düşük FR bileşke kesme kuvveti değerleri elde edilmiştir. Ayrıca tüm kesme parametrelerinde, elde edilen kesme kuvvetleri gözönünde bulundurulduğunda, genel olarak artan kesme hızı ile kesme kuvvetlerinde düşüş ve artan ilerleme oranı ile kesme kuvvetlerinde artış görülmüştür.
Elde edilen pürüzlülük değerleri açısından genel olarak artan ilerleme oranı ve kesme hızı değerlerine göre pürüzlülük değerlerinde artış görülmüştür. Ayrıca yüksek kesme hızlarında elde edilen pürüzlülük değerlerinde kesici takımların davranışlarında farklılıklar görülmüştür. Ayrıca kesici takımlara uygulanan kriyojenik ısıl işlem ve BN kaplama ile bazı parametrelerde iş parçası yüzey pürüzlülük değerlerinde iyileşme görülmüştür.

Abstract:
Inconel 718 is a nickel based superalloy often used in nuclear plants and aviation industry. It is preferred due to its mechanical properties which it protects under service conditions. However, this material is known as hard-to-cut material due to its properties such as high deformation hardening ratio and low thermal conductivity. Despite the fact that carbide cutting tools are widely used in milling process of this material, their tool life is rather low as a result of high temperatures generating at cutting zone and of hard carbide grains included by Inconel 718. Several methods are utilized to increase wear and oxidation resistance of carbide cutting tools. Two of these methods are to deposit a hard coating on carbide tools and to apply a cryogenic heat treatment.
In this thesis study, multilayer nanocomposite TiAlSiN/TiSiN/TiAlN , single layer TiAlN and TiN hard coatings were deposited on carbide tools and steel substrates by an industrial magnetron sputtering technique, and the characterization of these coatings were performed. Microstructural properties of the coatings produced were investigated using SEM, EDS and FTIR. Then, a BN coating was deposited on the coated tools by PVD technique. BN coated and uncoated tools were subjected to a cryogenic heat treatment at -145oC for 24 hours. Thereafter, using all the tools, the effect of cutting parameters (cutting speed and feed rate) and coating type on the cutting performance of carbide cutting tools and workpiece surface quality were investigated. Inconel 718 was used as workpiece material in face milling process. Cutting force measurements were performed at different cutting conditions and lifetimes of the tools were determined.  Wear mechanisms and types on the worn tools were detected using SEM and EDS analysis.
The ƞ phase of in the internal structure of cutting tool has increased approximately 18 % with cryogenic heat treatment. The best adhesion was observed with nanocomposite TiAlSiN/TiSiN/TiAlN thin film to the substrate material. Thin films adhesions were upgrade with cryogenic heat treatment. The friction coefficients of BN thin films which coated to monolayer coatings were improved. The tool lives of cutting tools that applied cryogenic heat treatment and deposited hard thin film coating were increased. The dominant wear mechanisms of Abrasion, diffusion and oxidation wear mechanisms were observed by SEM and EDS analyses techniques.
Maximum tool life for untreated cutting tools was obtained by nc-TiAlSiN coated cutting tool in cutting length (1,9 m), 30 m/min cutting speed, 0,1 mm/tooth  feed rate. Maximum tool life for cryogenically treated cutting tools was obtained by TiN coated cutting tool in the cutting speed 30 m/min and 0,1 mm/tooth  feed rate. nc-TiAlSiN/BN coated cutting tool gave the best tool life with the cutting length 2,25 m at 30 m/min cutting speed and 0,075 mm/tooth feed rate for BN coated cutting tools. 
Lower values of resultant force FR were obtained by nc-TiAlSiN coated carbide cutting tool compared to the other coated carbide cutting tools in 30 m/min cutting speed. It was generally observed at all cutting parameters that the cutting forces were decreased by increasing cutting speed. On the other hang the cutting forces were also increased with increasing feed rate value.
The values of surface roughness were generally increased depending on increasing feed rate and cutting speed. The surface roughness values were decreased with cryogenic heat treatment and BN coating at some cutting parameters.