Titanyum alaşımına uygulanan bilyalı sertleştirme işlemi parametrelerinin sayısal yöntemler ile incelenmesi
Numerical investigation of the effect of shot peening parameters on the titanium alloy
Yazar: BURCU PINAR ŞENGÜL
Danışman: PROF. DR. NURİ DURLU ; DR. İLHAN ŞEN
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Metal eklemeli imalat teknolojisi son yıllarda önemli bir gelişme göstermiş ve imalat sanayinde yeni bir devrim yaratmıştır. Bu teknoloji sayesinde, geleneksel yöntemlerle üretilmesi zor ve maliyetli olan parçaların üretimi kolaylaşmış ve aynı zamanda karmaşık geometriye sahip, topoloji optimizasyonundan dolayı açık gözenekleri bulunan parçaların üretimi mümkün hale gelmiştir. Bu avantajlar, özellikle havacılık ve biyomedikal endüstrilerinde, yüksek dayanımlı titanyum alaşımları gibi zorlu uygulamalarda büyük bir önem taşımaktadır. Elektron demeti ile ergitme (EDE) ve lazer demeti ile ergitme (LDE) gibi metal katkılı üretim teknolojileri, bu alanda en çok kullanılan ve hızla gelişen teknolojiler arasındadır. Ancak, eklemeli imalat teknolojisiyle üretilen parçalarının düşük yüzey kalitesi ve iç yapı kusurlarının daha fazla bulunması sebebiyle, yorulma ömrünün geleneksel yöntemlerle üretilen işparçalarına göre daha düşük olması önemli bir sorun teşkil etmektedir. Bu nedenle, eklemeli imalat yöntemleriyle üretilen Ti-6Al-4V gibi yüksek dayanımlı titanyum alaşımlarının yorulma özelliklerinin iyileştirilmesi için bilyalı sertleştirme işlemi uygulanmaktadır. Bilyalı sertleştirme işleminin etkin bir şekilde uygulanabilmesinde  
optimum işlem parametrelerinin belirlenmesi sonuçların öngörülebilirliği açısından büyük önem taşımaktadır. 
Bu çalışmada, farklı imalat yöntemleri ile üretilmiş titanyum metali ve Ti-6Al-4V alaşımına uygulanan bilyalı sertleştirme işlemi ile oluşan kalınlı gerilmeleri sonlu elemanlar yöntemi ile incelenmiştir. Tek bilya atışından oluşan bir sonlu elemanlar modeli oluşturularak, bilyalı sertleştirme işleminin bilya hızı, bilya çapı ve bilya atış açısı olmak üzere farklı parametreleri ile işparçasının kalıntı gerilmesi profili arasındaki ilişki analiz edilmiştir. 
Bu çalışma sonucunda, Ti-6Al-4V alaşımında titanyum malzemesi ile aynı kalıntı gerilmeleri elde etmek için daha düşük bilya hızı kullanmanın yeterli olduğu belirlenmiştir. Ayrıca, EDE yöntemi ile üretilen Ti-6Al-4V alaşımının geleneksel yöntemler ile üretilen Ti-6Al-4V alaşımı ile bilyalı sertleştirme işlemi sonrasında normalize kalıntı gerilmesinde aynı artışı elde edebilmek için bilya çapınının 1 mm yerine 2 mm kullanılması gerektiği sonucuna varılmıştır. Ayrıca, Ti-6Al-4V alaşımı geleneksel yöntemler ile veya EDE yöntemi ile üretildiğinde, basma yönündeki maksimum kalıntı gerilmesini aynı oranda arttırmak için bilya hızını 50 m/s'den 125 m/s'ye, titanyum malzemesinde ise kalıntı gerilmesi üzerinde aynı artışı sağlamak için bilya hızını 50 m/s'den 75 m/s'ye çıkartmak gerektiği sonucuna varılmıştır. 
Bu çalışmada, geleneksel üretim yöntemleri ile ve metal eklemeli imalat teknolojisiyle üretilen Ti-6Al-4V alaşımı ile titanyum malzemesinin yorulma ömrünü istenen ölçüde iyileştirebilecek bilyalı sertleştirme işlemi parametrelerinin belirlenmesini amaçlayan araştırmalar için temel oluşturmaktadır.
Ek olarak, bu çalışmada sunulan bulgular, havacılık ve biyomedikal endüstrilerinde yüksek dayanımlı parçaların tasarımında ve üretiminde kullanılabilir. Ayrıca, temel parametrelerin ve hassas modelleme tekniklerinin uygulanması yoluyla tasarlanan bilyalı sertleştirme işleminin daha verimli bir şekilde uygulanmasına olanak sağlar ve verimliliğin arttırılmasını sağlar.

Abstract:
A new revolution in the manufacturing industry has been brought about by the tremendous advancements in metal additive manufacturing technologies in recent years. This technology has made it simpler and more affordable to make components that would be difficult and expensive to produce using conventional methods. It has also made it possible to produce open-pore parts with complex geometry. These benefits are particularly significant in high-strength titanium alloy applications, which are common in the aerospace and biomedical industries. Some of the most prominent and rapidly evolving technologies in this sector are those related to metal additive manufacturing, including electron beam melting (EBM) and selective laser melting (SLM). However, due to the lower surface quality and more internal structure defects of the parts produced with additive manufacturing technology, the lower fatigue life compared to the workpieces produced by traditional methods poses a significant problem. Therefore, shot peening is typically used to enhance the fatigue  
characteristics of high-strength titanium alloys such as Ti-6Al-4V produced by additive manufacturing methods. To improve process efficiency and predictability of the results, it is important to identify the ideal shot peening process parameters.
In this study, the residual stresses resulting from the shot peening process applied to titanium metal and Ti-6Al-4V alloy produced with different manufacturing methods were examined using the finite element method. By creating a finite element model consisting of a single ball shot, the relationship between different parameters of the shot peening process, including shot speed, shot diameter and shot angle, and the residual stress profile of the workpiece was analyzed.
As a result of this study, it was determined that using a lower shot speed was sufficient to obtain the same residual stresses as the titanium material in the Ti-6Al-4V alloy. Moreover, it was concluded that in order for the Ti-6Al-4V alloy produced by the EBM method to have the same increase in the normalised residual stress as the Ti-6Al-4V alloy produced by traditional methods after shot peening process, the ball diameter should be 2 mm instead of 1 mm. Additionally, the shot speed should be increased from 50 m/s to 125 m/s in Ti-6Al-4V alloy and from 50 m/s to 75 m/s in titanium material to obtain same improvement in maximum compressive residual stress.
This study forms the basis for research aimed at determining the parameters that can improve the fatigue life of Ti-6Al-4V alloy and titanium material produced with classical production methods and metal additive manufacturing technology to the desired extent.
Moreover, the findings presented in this study can be used in the design and production of high-strength parts in the aerospace and biomedical industries. Additionally, the design through the application of key parameters and precise modeling techniques allows the shot peening process to be implemented more efficiently, resulting in increased productivity.