Ti6Al4V alaşımının elektro erozyon ve elektro kimyasal işleme yöntemleriyle işlenebilirliğinin araştırılması
Investigation of the machinability of Ti6Al4V alloy by electrical discharge and electrochemical machining processes
Yazar: ULAŞ ÇAYDAŞ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. AHMET HASÇALIK
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Titanyum ve alaşımları sahip oldukları, yüksek dayanım, yoğunluk oranı ısı ve korozyon direnci gibi özelliklerinden dolayı, özellikle elektronik, bilgisayar, havacılık ve uzay endüstrilerinde yaygın olarak kullanılan malzemelerdir. Buna karşın sahip olduğu düşük elastisite modülü, ısıl iletkenlik ve yüksek kimyasal reaktiflik özelliklerinden dolayı klasik imalat yöntemleri ile işlenebilirlikleri zayıftır. Bu malzemelerin klasik olmayan imal usulleri ile işlenmesi tercihli hale gelmiştir. Bu imalat yöntemlerinden bir tanesi de elektro erozyonla işleme yöntemidir. Bu yöntemle, sert, karmaşık profilli iletken parçaların mikron hassasiyetinde işlenebilmesi mümkündür. Ancak, malzeme ile işlem parametrelerinin uygun seçimi, maliyeti ve verimliliği doğrudan etkilemektedir. Yöntemdeki termal etkiler, malzeme yüzeyinde krater, çatlak, boşluk, döküntü ve eriyik damlalar şeklinde birçok hasarlara, yüzeyin altında ise mikroyapı değişimlerine yol açmaktadır. Bu yüzeysel oluşumlar, özellikle dinamik yüklemeli makine elemanlarının hasar sürecini etkilemektedir. Dolayısı ile elektro erozyon ile işlenmiş yüzeyler, işlem parametrelerine bağlı olarak genellikle ikinci bir bitirme işlemine ihtiyaç duyabilmektedir. Bunun için farklı mekanik iyileştirme yöntemleri kullanılsa da elektro kimyasal işleme yöntemi ideal bir son işlem olarak kabul edilmektedir.Bu çalışmada, Ti6Al4V alaşımının işlenebilirlik karakteristiklerini belirlemek amacıyla, elektro erozyon ve elektrokimyasal taşlama yöntemleri kullanılmıştır. Elektro erozyon deneylerinde vurum süresi ve akım parametreleri değişken olarak alınırken, püskürtme basıncı ve vurum ara süresi sabit tutulmuştur. Grafit, elektrolitik bakır ve alüminyum olmak üzere üç farklı elektrot ile işlem yapılmıştır. Elektro erozyon deneyleri neticesinde numunelerin yüzey ve ısıdan etkilenen tabakaları taramalı elektron mikroskobunda (SEM) incelenmiş, noktasal analiz (EDS), X ? ışınları analizi (XRD) ve mikrosertlik ölçümleri yapılmıştır. İşlenmiş yüzeylerin pürüzlülük değerleri, mikroyapı değişimleri, takım (elektrot) aşınma oranları, talaş kaldırma oranı, yüzey çatlak yoğunluğu ve beyaz tabaka kalınlığı gibi karakteristik değişimler incelenmiştir. Deneylerin ikinci aşamasında, aynı şartlarda elektro erozyonla işlenmiş numuneler, elektro kimyasal taşlama yöntemi ile taşlanmıştır. Elektro kimyasal taşlama deneylerinde işleme voltajı, elektrolit basıncı ve tabla ilerleme miktarı parametreleri değişken alınırken, elektrolit konsantrasyonu ve cinsi sabit tutulmuştur. Elektro kimyasal taşlama sonrasında yüzey pürüzlülüğündeki iyileşme oranı, işleme parametrelerine bağlı olarak belirlenmiştir. Her iki yöntemde de işleme etki eden parametrelerin bağıl etkileri istatistiki açıdan değerlendirilmiş ve optimize edilmiştir. Ayrıca yöntemler, lineer regresyon metodu kullanılarak modellenmiştir. Elde edilen modellerin uygunlukları varyans analizi ve artık analiz yöntemleri ile kontrol edilmiştir. Sonuç olarak geliştirilen modellerin her iki yöntemde de bundan sonraki uygulamalar için deney yapmadan tahmin amaçlı kullanılabileceği saptanmıştır.Çalışmanın birinci bölümünde konuya giriş yapılmış, ikinci bölümde güncel literatürden örnekler verilmiştir. Üçüncü bölümde, titanyum alaşımları tanıtılmış ve klasik işleme yöntemlerinde karşılaşılan problemlere değinilmiştir. Dördüncü bölümde, elektro erozyon ve elektro kimyasal taşlama yöntemleri tanıtılmıştır. Beşinci bölümde, deneysel çalışmanın yöntemi ve deneylere hazırlık aşamaları verilmiştir.Altıncı bölümde deney sonuçları tartışılarak yorumlanmıştır. Yedinci bölümde, her iki yöntemde kullanılan parametrelerin istatiksel ve maliyet analizleri yapılmıştır. Çalışmanın sekizinci bölümünde her iki yöntemde işleme parametreleri ve ölçülen değerler arasındaki matematiksel ilişkiler (matematiksel modelleme) belirlenmiş, dokuzuncu ve son bölümde çalışma sonunda elde edilen genel sonuçlar ve öneriler verilmiştir.

Abstract:
Titanium and its alloys are extensively used in electronic, computer and aerospace industries because of these materials? excellent properties such as a high strength ? weight ratio, high temperature and exceptional corrosion resistance. Additionally, highly chemical reactivity, low elastic modules and thermal conductivity of titanium also impair machinability. It is advised to machine these materials by non ?traditional machining (NTM) processes. Electrical discharge machining (EDM) process is one of the NTM process. It is possible to machine all electrical conductive materials in micron tolerances to hard and complex shapes by this method. However, the macroscopic effect of heating produces much damages on the surface such as globules of debris, pockmarks, melted drops and varying size craters. These surface formations especially affect the failure process of machine elements under repetitive loading conditions. Thus, the EDMed surfaces are generally needed a second finish operation according to machining parameters. Although, several mechanical surface treatment methods have been employed to improve the EDMed surfaces, the electrochemical machining (ECM) process was found more suitable finish for EDM.In this study, Ti6Al4V alloy was machined by electrical discharge and electrochemical machining processes to determine machining characteristics. In EDM trials, current and pulse duration were taken as alternative when flushing pressure and pulse interval time were fixed. Three different tool electrode materials namely; graphite, electrolytic copper and aluminum were used to machine Ti alloy. At the end of the EDM experiments, the metallographic inspections of the samples were observed by scanning electron microscope (SEM), energy dispersive spectrograph (EDS), X ? ray diffraction (XRD) and surface hardness measurements. The surface roughness of the machined surfaces, microstructural changes, tool wear ratio, material removal rate, surface crack density and white layer thickness were the main performance characteristics under investigation. Then the same EDMed specimens (machined under same conditions for standardization purpose) were machined by electrochemical grinding (ECG) process. In ECG process, machining voltage, electrolyte flow rate and table feed rate parameters were changed while electrolyte concentration and type of electrolyte were constant. The surface roughness improvement ratio was determined based on the ECG parameters. The relative effect of each EDM and ECG parameters were determined in statistical manner and the processes were optimized. Both machining processes were modeled by using linear regression approach. The adequacies of models were checked by analysis of variance (ANOVA) and residual analysis techniques. As a consequence, the developed models were able to predict the both machining processes without making experiments.In the first chapter of this study, the subject was introduced. In the second chapter, the place in the literature of study was investigated and some novel studies were given concerning this subject. In the third chapter, titanium, its alloys and the main difficulties met in conventional machining processes were determined. In the fourth chapter, the EDM and ECM processes were introduced. In the fifth chapter, the method of experimental study and the preparation phases to experiments were presented. In the sixth chapter, the experimental results were given and discussed. In the seventh chapter, the statistical and economy analyses for both processes were given. In the eighth chapter, the processes were modeled by linear regression method. In the ninth and final chapter, general results and recommendations were given.