Eklemeli üretimle imal edilen havacılık sektöründe kullanılan titanyum alaşımlarının, farklı sıcaklıklardaki yorulma ve kırılma özelliklerinin belirlenmesi ve dinamik davranışlarının iyileştirilmesi
Determination of the fatigue and fracture properties and improvement of the dynamic behavior of additively manufactured titanium alloys used in the aviation industry at different temperatures
Yazar: HİLMİ TEKDİR
Danışman: PROF. DR. ALİ FATİH YETİM
Erzurum Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, Seçici Lazer Ergitme (SLE) yöntemi ile üretilen Ti6Al4V alaşımının farklı servis koşullarındaki yorulma davranışları ve kırılma mekaniği özelliklerinin analizi amaçlanmıştır. SLE, metal tozlarının bilgisayar kontrollü yüksek enerjili bir lazerle tabaka tabaka ergitilerek karmaşık geometrili parçaların üretildiği Eklemeli Üretim (EÜ) yöntemlerinden biridir. Titanyum alaşımları, ağırlığına oranla yüksek mukavemet özellikleri ile otomotiv, savunma sanayi ve havacılık uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. SLE ile üretilen türbin kanatları, çeşitli servis koşulları altında tekrarlı yüklere maruz kalmakta ve bu durum çatlak oluşumunu tetikleyerek kırılmaya yol açabilmektedir. Havacılık ve savunma endüstrilerinde, türbinlerin yüksek sıcaklık veya aşırı soğuk ortamlara maruz kaldıklarında verimli çalışmaları beklenmektedir. Ayrıca, malzemeler değişken yükler altında ani aşırı yüklemelere de maruz kalabilmektedir. Bu nedenle, SLE ile üretilen malzemelerin sabit ve değişken genlikli yükler altında yorulma davranışlarının incelenmesi ve yorulma ömrünün geliştirilmesi büyük önem taşımaktadır. Yorulma hasarının yüzey özellikleri ile doğrudan ilişkili olduğu bilindiğinden, yüzey özelliklerinin iyileştirilmesi, yorulma performansını artırmaktadır. Bu kapsamda, SLE ile üretilen Ti6Al4V yorulma ve kırılma mekaniği numuneleri işlemsiz, 850ºC-2 saat ısıl işlem ve elektrokimyasal parlatmaya tabi tutulan (ikincil işlemli) ve ısıl işlem ardından Kapalı Alanda Dengesiz Manyetik Sıçratma yöntemiyle DLC kaplanan (kaplama uygulanan) üç grupta değerlendirilmiştir. Numunelerin farklı ortam sıcaklıklarındaki (25 ºC, -50 ºC, 50 ºC, 250 ºC ve çevrimsel -50/+50 ºC) yorulma ve çatlak ilerleme davranışları incelenmiş, yapısal, morfolojik ve mekanik özellikleri XRD, SEM, XPS, optik mikroskop, 3D optik profilometre ve mikro sertlik cihazları ile analiz edilmiştir. Yorulma çatlak ilerlemesi sırasında çatlak boyutlarındaki değişiklikler, dijital kameralar ve dijital görüntü alma/işleme (DIC) yöntemi ile tespit edilmiştir. Testler sonucunda, tüm numune gruplarında 25 ºC'de en iyi yorulma dayanımı sağlanırken; 250 ºC'de yüzey altı oksit tabakasının oluşumu, -50 ºC'de düşük sıcaklığa bağlı gevrekleşme ve -50/+50 ºC çevrimsel sıcaklık koşullarından kaynaklanan termal genleşme farkı, malzemenin yorulma ömrünü olumsuz etkilemiştir. Isıl işlem ve yüzey işlemleri, malzemenin sertliğini artırarak yüzeyde bası artık gerilmeleri oluşturmuş ve bu sayede tüm test sıcaklığı koşullarında yorulma ömrünü iyileştirmiştir.

Abstract:
This study aims to analyze the fatigue behavior and fracture mechanics properties of the Ti6Al4V alloy produced by the Selective Laser Melting (SLM) method under different service conditions. SLM is one Additive Manufacturing (AM) technique where metal powders are melted layer-by-layer using a computer-controlled high-energy laser to produce complex geometries. Due to their high strength-to-weight ratio, titanium alloys are widely used in automotive, defense, and aerospace applications. Turbine blades produced by SLM are subjected to repetitive loads under various service conditions, which can trigger crack formation leading to failure. In the aerospace and defense industries, turbines are expected to operate efficiently when exposed to high temperatures or extreme cold environments. Additionally, materials can be subjected to sudden overloads under variable loads. Therefore, it is crucial to investigate the fatigue behavior of SLM-produced materials under constant and variable amplitude loads and to enhance their fatigue life. Since fatigue damage is known to be directly related to surface properties, improving these properties can enhance fatigue performance. In this context, the Ti6Al4V fatigue and fracture mechanics samples produced by SLM were evaluated in three groups: as-built, heat-treated at 850ºC for 2 hours followed by electrochemical polishing (secondary treated) and coated with DLC using the Closed Area Non-Uniform Magnetic Spraying method after heat treatment. The fatigue and crack propagation behaviors of the samples at different ambient temperatures (25 ºC, -50 ºC, 50 ºC, 250 ºC, and cyclic -50/+50 ºC) were examined, and their structural, morphological, and mechanical properties were analyzed using XRD, SEM, XPS, optical microscopy, 3D optical profilometry, and microhardness testing. Changes in crack sizes during fatigue crack propagation were detected using digital cameras and the Digital Image Correlation (DIC) method. The results showed that the best fatigue resistance was achieved at 25 ºC for all sample groups; however, the formation of subsurface oxide layers at 250 ºC, embrittlement due to low temperatures at -50 ºC, and thermal expansion differences caused by cyclic -50/+50 ºC conditions negatively affected the material's fatigue life. Heat treatment and surface processes increased the material's hardness, creating residual compressive stresses at the surface, thereby improving fatigue life under all test temperature conditions.