Ti-5553 alaşım malzemesinin talaşlı imalat sürecinde kesici takım aşınmalarının yüzey bütünlüğüne etkisinin incelenmesi
Investigation of the effects of tool wear on surface integrity of Ti-5553 alloy in machining process
Yazar: ÜMİT YILMAZ
Danışman: DOÇ. DR. YUSUF KAYNAK
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Titanyum alaşımları, özellikle havacılık endüstrisinde bıçaklar, gaz türbin motorları, kompresör ve disk gibi yapısal bileşenler için mükemmel mukavemet-ağırlık oranı, güçlü korozyon direnci ve mukavemeti yüksek sıcaklıklarda muhafaza etme yetenekleri sayesinde yaygın olarak kullanılan malzemelerdir. Yeni nesil beta titanyum alaşımı Ti-5553 (Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr), yüksek mukavemet, kırılma tokluğu, yüksek korozyon ve yorulma direnci gibi bazı üstün özelliklere sahiptir. Bu üstün özellikler, uçaklarda gelişmiş bileşenler için Ti-5553'ü daha cazip hale getiriyor. Ancak bu özellikler aynı zamanda Ti-5553 alaşım malzemesinin işlenebilirliği Ti-64'e (Ti-6Al-4V) kıyasla azaltıyor, yüksek takım aşınmasına ve çok kısa takım ömrüne neden olur. Bu çalışmada, işlenmiş Ti-5553'ün takım aşınmasına bağlı yüzey bütünlüğü, yüzey pürüzlülüğü, mikroyapı, topografya, XRD ve mikro sertlik değişimleri açısından araştırılmış. Takım serbest yüzey aşınmasının etkisini incelemek için takım ömrü deneyleri ve tek paso işleme işlemleri gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada 18 mm çapında Ti-5553 kullanılmıştır. İşleme parametreleri olarak, tek paso deneylerinde, kesme hızları Vc = 30, 90, 120, 150 ve 210 m / dk olarak seçilmiştir ve takım ömrü deneyleri için kesme hızı Vc 90 ve 120 m / dk olarak seçilmiştir. Tüm işleme süreçlerinin ilerleme sabit olarak alınmıştır, f = 0.15mm / dev. Bu çalışmanın deneysel kısmı kuru, MQL, Kriyojenik, HPC ve kesme sıvısı ve CO2 gibi farklı kesme koşullarında eğik kesme operasyonunu içermektedir. Talaşlı imalat işlemleri Doosan Puma GT2100 CNC işleme merkezinde yürütülmüştür. Yüzey pürüzlülük değerleri Mitutoyo SJ-210 ile ölçülür. Vc = 120 m / dak'da işlenmiş Ti-5553 mikroyapıları, Philips XL 30 SFEG taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile incelenmiş ve Vc = 90 m / dak'da işelenen numunelerin mikro yapılarını incelemek için Olympus BX51M optik mikroskop kullanılmıştır. İşlenmiş numunelerin faz dönüşümünü incelemek için, X-ışını Difraksiyonları Analizi için Bruker AXS Marka D2 Phaser kullanılır. Tüm mikro sertlik olasılıklarını ölçmek için Vickers mikro test cihazı kullanıldı. Eğik kesme testlerinde, seçilen kesme parametrelerinde işlenen parçaların aritmetik ortalama yüzey pürüzlülükleri genellikle 1 μm'nin altında kalmıştır. Bu değerden sapmalar ise genellikle işlenen yüzeydeki topografik kusurlar sonucudur . Dolayısı ile Ti-5553 alaşımları yüksek kesme hızlarında işlenildiginde yüzey pürüzlülüğünde önemli bir artış söz konusu olmadığı bu çalışma ile görülmüştür. İlaveten aşınmanın 600 μm'ye kadar ulaşmasıda yüzey pürüzlülüğünde önemli artışa sebep olmamaktadır. Ancak artan aşınma miktarının işlenen parçanın topografisinde önemli bozulmalara neden olduğu da görülmektedir ki bu durum artan aşınma sonucunda beklenilen bir durumdur. Yüzey kalitesi ve topografik açıdan değerlendirildiğinde diğer tüm koşullara nazaran yüksek basınçlı soğutma sıvısının kullanımının Ti-5553 alaşımın işlenmesinde önemli katkı sağladığı söylenebilir. Özellikle kesme sıvısı ve kuru kesmede düşük aşınma miktarlarında bozulan topografi, yüksek basınçlı soğutmada aşınmanın artmış olduğu durumda dahi topografi halen kararlılığını korumaktadır.

Abstract:
Titanium alloys are commonly used materials especially in aerospace industry for structural components such as blades, gas turbine engines, compressor and disk thanks to their excellent strength-to-weight ratio, strong corrosion resistance and ability to retain high strength at high temperatures. A new generation near beta titanium alloy Ti-5553 (Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr) has some superior properties such as high strength, fracture toughness, high corrosion and fatigue resistance. This superior properties makes Ti- 5553 more attractive for advanced component in aircrafts. But this properties also leads poor machinability and high tool wear and so short tool life when compared to Ti-64 (Ti-6Al-4V). In this study, tool wear induced surface integrities of machined Ti-5553 have been investigated in terms of surface roughness, microstructure, topography, XRD, and micro hardness changes while tool flank wear of the uncoated carbide insert is increasing in turning operation. To examine effect of tool flank wear, tool life experiments and single pass machining operations were carried out. In this study, 20 mm diameter Ti-5553 was used. As machining parameters, cutting speeds, Vc were chosen as 30, 90, 120,150 and 210 m/min for machining of Ti-5553 in single pass machining and Vc were chosen as 90 and 120 m/min for tool life experiments. Feed rates of all machining processes is taken as constant, f=0.15mm/rev. Experimental part of this study includes oblique cutting under different cutting conditions dry, MQL, Cryogenic, HPC, and Flood and CO2. Turning experiments are conducted Doosan Puma GT2100 CNC turning center. Surface roughness values are measured with Mitutoyo SJ-210. Microstructures of machined Ti-5553 at Vc=120 m/min were examined with Philips XL 30 SFEG scanning electron microscopy (SEM) and Olympus BX51M optical microscopy is employed to examine micro structures of ti 5553 at vc =90 m/min and ti-64 at vc=120m/min. to examine phase transformation of machined specimens, Bruker AXS Marka D2 Phaser is employed for X-ray Diffractions Analysis. To measure all micro hardness chances, Vickers micro test was used. At oblique cutting processes and in the selected cutting parameters, the arithmetic mean surface roughness of the machined parts is generally less than 1 μm. Deviations from this value are usually the result of topographical defects on the treated surface. Therefore, when Ti-5553 alloys were processed at high cutting speeds, there was no significant increase in surface roughness. In addition, it does not cause a significant increase in surface roughness when wear reaches up to 600 μm. However, it can be seen that the increased amount of wear causes significant deterioration in the topography of the treated part, which is expected in the case of increased wear. 
Considering the surface quality and topography, it can be said that the use of high pressure coolant compared to all other conditions makes a significant contribution to the machining of Ti-5553 alloy. The topography is still stable in the case of the application of the high pressure cooling.