Soğuk dinamik gaz püskürtme (SDGP) yöntemi ile üretilen kaplamaların mekanik özelliklerinin simülasyon destekli incelenmesi
Simulation assisted examination of mechanical properties of coatings produced by CGDS method
Yazar: AYÇA DEMİRER KAHRAMAN
Danışman: DOÇ. DR. OSMAN ÇULHA
Manisa Celal Bayar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Soğuk Sprey Yöntemi, mikro boyuttaki parçacıkların bir laval nozul içerisinde ses hızından daha yüksek hızlara (süpersonik hızlara) ulaştırılarak altlık üzerine püskürtülmesi ve parçacıkların plastik deformasyona uğratılması sonucunda altlık malzeme üzerinde bir kaplama oluşturulması prensibine dayanmaktadır.

Bu tez çalışması, soğuk püskürtme işlem parametrelerinin ve altlık malzemesine uygulanan bilyalı dövme ile ön deformasyon işleminin kaplama kalitesi üzerine etkilerinin simülasyon destekli incelenmesi olmak üzere iki farklı amaçla yapılmıştır. Çalışmalarda altlık malzemesi olarak AA6082 alüminyum alaşımı kullanılmıştır. Soğuk püskürtme işleminde parçacık hızının süpersonik hızlara ulaşması için gazın basıncı ve bu gaz jeti içerisindeki toz besleme hızının (parçacık miktarına) optimize edilmesi için bir deney planı yapılmıştır. İşlem parametrelerinin kaplama kalitesi üzerine etkilerinin incelenmesi çalışmalarında iki farklı kaplama toz karışımı kullanılmış olup kompozisyonlarında  % 23-27 Al2O3 - % 33-37 Al- % 38-42 Zn (DYMET K-20-11) ve % 28-32 Al2O3 - % 53-57 Al- % 13-17 Zn (DYMET K-80-13) olmak üzere farklı oranlar içermektedir. Bu toz karışımlarından da anlaşılacağı üzere kaplama ser-met olarak tariflenen kompozit kaplama oluşumu için uygundur. Soğuk sprey ile kaplama işlemi sonucunda Al2O3 takviyeli metal matrisli kompozit bir kaplama yapısı elde edilmiştir. Toz karışımları 10 mm sabit püskürtme mesafesinde, 5-9 g/dak arasında değişen toz besleme hızı ve 0,45-0,70 MPa arasında değişen basınç değerleri arasında soğuk püskürtme işlemine tabi tutularak en uygun kaplama proses şartları ortaya çıkarılmıştır. Optimum değerlerin 0,6 MPa basınç, nozul-yüzey arası mesafe 10 mm ve 8 g/dk toz besleme hızında gerçekleşeceği sonucuna ulaşılmıştır.   

Deneysel çalışmalar sonucunda tozlar için kritik hız, gaz basıncı ve toz besleme hızı tespit edilmiştir. Proses parametrelerine bağlı olarak yapılan kaplama işleminde toz karışımındaki Al2O3 dışında kalan Al ve Zn miktarının depozitlenme mekanizmasında önemli rolü olduğu anlaşılmıştır. Soğuk sprey ile kaplama işlemi plastik deformasyon esasına göre yapılan depozitlenme mekanizmasına sahip olduğundan, yapıda sertliği sağlayan oksit çeşidi ve miktarında bir değişikliğe gidilmeden toz içinde Zn miktarının arttırılması kaplama oluşumunu olumlu yönde etkilemiş ve toz birikmesi stabil gerçekleşmiştir.  Bu tespit sonrasında AA6082 Al alaşımından üretilmiş bir levha yüzeyine 30-240 sn arasında bilyalı dövme işlemi uygulanarak, yüzey sertliğinin soğuk sprey ile kaplama üretiminde kaplama birikmesine ve kaplamanın mikro mekanik özelliklerine olan etkisi ortaya çıkarılması hedeflenmiştir. İndentasyon yöntemi ile Elastisite modülü, sertlik, % elastik toparlanma oranı gibi karakteristik mekanik özelliklere ulaşılmış olup bu değerler; indentasyon işleminin sonlu elemanlar simülasyon programı ile analizi sonucunda kaplamanın hasar veya failure gerilmesi olarak tariflenen kritik gerilme ve deformasyon davranışı (pile-up ve sink in), akma gerilmesi, kaplama-altlık malzemesi arayüzey gerilme dağılımlarını elde etmek amacı ile kullanılmıştır.

Karakterizasyon çalışmaları kapsamında; optik mikroskop ve SEM-EDS yardımı ile kaplama kalınlığı, porozite, faz dağılımı ve boyutları, elementel çizgisel ve bölgesel haritalama çalışmaları ve kullanılan tozlara ait boyut dağılımı incelemeleri gerçekleştirilmiştir. Soğuk sprey hammaddesi olarak kullanılan tozların dağılımları ve bu tozlar kullanılarak üretilen kaplamanın metalografik incelemeleri ile proses şartlarının kaplama oluşumu üzerindeki etkisi de ortaya çıkarılmıştır. 30-240 sn bilyalı dövme işlemine tabi tutulmuş AA6082 Alüminyum alaşımından üretilmiş levhanın yüzey pürüzlülüğü ve kesit boyunca sertlik değerleri ölçülerek başlangıç yüzeyin mekanik özelliklerinin, kaplama mekanik özelliklerine ve kaplama-altlık arayüzeyine olan etkisi araştırılmıştır. Kaplama, bilyalı dövme bölgesi ve altlık malzemesine indenatasyon testleri uygulanarak; yükleme-yük boşaltma eğrileri, Elastisite Modülü, sertlik ve % elastik toparlanma oranları tespit edilmiştir. Sonuçların uygulanan indentasyon yükünden etkilenmemesi için yük kontrollü indentasyon deneyleri yapılarak yük optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. 50, 75 ve 100 mN yüklerde optimizasyon çalışması gerçekleştirilmiş olup, 100 mN yük altında sonuçların kaplama ve altlık malzemesini temsil edecek kadar homojen bir batma izi alanı oluşturduğu tespit edilmiştir. Sonlu elemanlar destekli indentasyon analizi ile kaplamaların plastik deformasyon özellikleri, kritik hasar gerilmesi, akma gerilmesi ve strain değerleri belirlenmiştir.

Abstract:
The Cold Spray Method is based on the principle that micro-sized particles are sprayed onto the substrate by reaching higher velocities than sound velocity (supersonic velocities)  in a laval nozzle and the particles undergo plastic deformation to form a coating layer on the base material.

This study was carried out for two different purposes, to investigate the effects of the cold spray process parameters on the quality of the layer and the effects of the shot peening process on the quality of the layers produced in the cold spray process. AA6082 aluminum alloy is used as the base material. In the studies on the effects of the process parameters on the layer quality, DYMET K-80-13 was selected as coating powder and the experiments was made with different powder feed rates and gas pressure parameters.
In order to particle velocity to reach supersonic velocities in the cold spraying process, an experimental plan was made to optimize the gas pressure and the powder feed rate (particle quantity) in this gas jet. In the study of the effects of the process parameters on the coating quality, two different powder mixture compositions of the coating as 23-27 % Al2O3 - 33-37 % Al - 38-42% Zn (DYMET K-20-11) and 28-32 % Al2O3 - 53-57 % Al-13-17 % Zn (DYMET K-80-13) were used. As can be understood from these powder mixtures, the coating is suitable for the formation of the composite coating described as cermets. As a result of cold spray coating process, Al2O3 reinforced metal matrix composite structure was obtained. To reveal optimum coating process conditions, the powder mixtures were subjected to cold spray at a constant spraying distance of 10 mm, with a powder feed rate ranging between 5-9 g / min and pressures ranging from 0.45 to 0.70 MPa. It is concluded that the optimum values will be realized at a feed rate of 0.6 MPa and a nozzle-to-surface distance of 10 mm and 8 g / min.

As a result of experimental studies, critic velocity, gas pressure and powder feed rate were determined for this powder mixtures. In the coating process, depending on the process parameters, it was found that the amount of Al and Zn other than Al2O3 in the powder mixture had an important role in the depositing mechanism. Since the cold spray coating process has a depositing mechanism on the basis of plastic deformation, increasing the amount of Zn in the powder without any change in the type and amount of oxide that provides the hardness in the structure has positively affected the coating formation and the deposition has become stable. After this determination, it was aimed to reveal the effect of surface hardness on the coating deposition and the micro mechanical properties of the coating in cold spray coating production by applying a shot peening treatment between 30-240 sec treatment times. Characteristic mechanical properties such as elasticity modulus, hardness,% elastic recovery rate have been reached by indentation methods.  These values have been used to obtain the critical stress and deformation behavior (pile-up and sink in), yield stress, coating-substrate material interface stress distributions described as damage or failure stress of the coating by the finite element simulation program analysis of the indentation method.

Within the scope of characterization studies; coating thickness, porosity, phase distribution and dimensions, elemental linear and regional mapping studies and size distribution of the used powders were performed by the optical microscope and SEM-EDS. The distributions of the powders used as cold spray coating materials and the metallographic examinations of the coatings produced by the using these powders and the effect of the process parameters on the coating formation were also revealed. The surface roughness and hardness values of the substrate made of AA6082 Aluminum alloy which was subjected to shot peening between 30-240 sec treatment times were measured and the effect of the mechanical properties of the substrate surface on the coating mechanical properties and on the coating-substrate interface was investigated. The loading- unloading curves, elasticity modulus, hardness and elastic recovery rates were determined by applying indentation tests to the coating, shot peened area and base material. Load-controlled indentation experiments were performed to ensure that the results were not affected by the applied load. An optimization study was carried out at 50, 75 and 100 mN loads and it was found that under 100 mN load, the results formed a homogenous impression area to represent the coating and substrate material. Plastic deformation properties, critical damage stress, yield stress and strain values of the coatings were determined by indentation analysis with finite element.