Toz enjeksiyon kalıplama (tek) ile titanyum parça üretiminde kullanılacak optimum üretim parametrelerinin araştırılması
The investigation of optimum parameters to be used in production of titanium parts with powder injection molding
Yazar: MEHMET SUBAŞI
Danışman: DOÇ. DR. ÇETİN KARATAŞ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Titanyum ve alaşımları, düşük yoğunluk, yüksek sıcaklık dayanımı, korozyon direnci ve mükemmel biyouyumluluk gibi nedenlerden dolayı endüstride birçok parçada ve biyomedikal uygulamalarda oldukça fazla kullanılmaktadır. Toz enjeksiyon kalıplama (TEK), plastik enjeksiyon kalıplama ve geleneksel toz metalurjisi tekniklerinin kombinasyonundan ortaya çıkmış yeni bir yöntemdir.TEK yöntemi küçük ve karmaşık şekilli parçaların seri üretimi için birçok benzersiz avantajlar sunar. Bu çalışmada, Ti-6Al-4V ve Ti-6Al-7Nb alaşımlarından TEK ile parça üretimi için gerekli optimum kalıplama ve sinterleme parametreleri belirlenmiştir. Çalışmada ilk olarak polimerik esaslı bağlayıcı sistem geliştirilmiş ve bu geliştirilen bağlayıcı sistem ile hazırlanan besleme stoklarının reoloji çalışmaları yapılmıştır. Reoloji deneyleri sonrasında kalıplama, bağlayıcı giderme ve sinterleme çalışmaları ile çalışma derinleştirilmiştir. Reoloji deneyleri sonucunda Ti-6Al-4V ve Ti-6Al-7Nb alaşım tozları ile hazırlanan besleme stoklarının optimum toz yüklemesi sırasıyla hacimce %65 ve % 69 olarak tespit edilmiştir. Ayrıca reoloji deneyleri sonucunda hazırlanan besleme stokları için ideal enjeksiyon sıcaklığının 140-150-160 ºC olduğu belirlenmiştir. Ti-6Al-4V ve Ti-6Al-7Nb ile hazırlanan besleme stoklarının optimum toz yüklemedekiviskoziteleri sırasıyla 906,761 Pa.s (140 ºC) ve 975,817 Pa.s (140 ºC) olarak tespit edilmiştir. Çalışmada besleme stoklarının kimyasal bağlayıcı giderme süreci için en uygun çözücünün "heptan" olduğu görülmüştür. Kalıplama ve sinterleme parametrelerinin tespiti için Taguchi yöntemi ile yapılan deney tasarımı sonucu Ti-6Al-4V besleme stoku için en uygun parametreler debi 20 cm3/s, enjeksiyon basıncı 1100 bar, ütüleme basıncı % 60, enjeksiyon sıcaklığı 140 ºC, sinterleme sıcaklığı 1250 ºC, sinterleme süresi 1 saat, sinterleme hızı 1 ºC/min, gaz akış hızı 10 l/min;Ti-6Al-7Nb besleme stoku için ise debi 20 cm3/s, enjeksiyon basıncı 1300 bar, ütüleme basıncı % 60, enjeksiyon sıcaklığı 140 ºC, sinterleme sıcaklığı 1250 ºC, sinterleme süresi 1 saat, sinterleme hızı 1 ºC/min, gaz akış hızı 5 l/min olarak tespit edilmiştir. Optimum kalıplama ve sinterleme parametrelerinde elde edilen Ti-6Al-4V numunelerde 711,79 MPa çekme dayanımı ve %12,85 boyda çekme, Ti-6Al-7Nb numunelerde ise 631,12 MPa çekme dayanımı ve %12,69 boyda çekme elde edilmiştir.

Abstract:
Having some properties like low density, high temperature resistance, corrosion resistance and excellent biocompatibility, has made titanium and its alloys to be used in many industrial and biomedical applications. As a new production process, Powder Injection Molding (PIM) refers to a combination of powder metallurgy and plastic injection molding technologies.PIM method offers several unique advantages in mass production of small and complex-shaped parts.In this study, the PIM optimal parameters of molding and sintering stages, for fabricating of Ti-6Al-4V and Ti-6Al-7Nb alloys have been determined. Polymeric based binder system was developed as an initial step of this study. Then the rheological behavior of feedstock encompassing polymeric binder was studied. It was followed by injection, debinding and sintering stages. As a result of rheological experiments, the optimum powder loadings of feedstocks containing Ti-6Al-4V and Ti-6Al-7Nb powders, were determined to be 65% and 69% by volume, respectively. Furthermore, rheological study revealed ideal injection temperature for  the prepared feedstock to be 140-150-160 ºC. Also viscosity evaluation at 140°C, for TI-6Al-4V and Ti-6Al-7Nb feedstocks with optimal powder loadings showed the amounts of 906.761 Pa s and 975.817 Pa s, respectively. Based on the kind of binder system, heptane was determined as the most suitable solvent for chemical debinding process. To realize the molding and sintering parameters, Taguchi method of experimental design has been applied. As a result, Ti-6Al-4V feedstock studies exhibited flow rate of 20 cm3/s, injection pressure of 1100 bar, holding pressure of 60%, injection temperature of 140 ºC, sintering temperature of 1250 ºC, sintering dwell time of 1 hour, sintering heating rate of 1 ºC/ min, gas flow rate of 10 lit/min, as optimum parameters. The other feedstock comprising Ti-6Al-7Nb powders was processed with optimum parameters as follows; flow rate of 20 cm3/s, injection pressure of 1300 bar, holding pressure of 60%, injection temperature of 140 ºC, sintering temperature of 1250 ºC, sintering dwell time of 1 hour, the sintering heating rate of 1 ºC/min, gas flow rate 5 lit/min. Under the mentioned optimum parameters the tensile strength and shrinkage of Ti-6Al-4V specimens were 711.79 MPa and 12.85%, respectively. This is while those properties of Ti-6Al-7Nb specimens were evaluated to be 631.12 MPa and 12.69%, respectively.