Elektron ışını ile ergitme yöntemi ile Tİ-6AL-4V için ısıl modelleme ve ergiyik havuzun geometrik incelenmesi
Heat transfer modelling and simulations of melt pool geometry for electron beam melting method with Tİ-6AL-4V
Yazar: HİLAL AKILLILAR
Danışman: DOÇ. DR. GÖKHAN KÜÇÜKTÜRK
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Katmanlı imalat, günümüzde karmaşık geometrilere sahip fonksiyonel parçaların üretiminde ileri gelen yöntemlerden biri haline gelmiştir. Üretim maliyetini, kullanılan malzeme miktarını, üretim süresini veya kullanılan takım maliyetini en aza indirerek bir dizi avantaj sağlamaktadır. Genel olarak geometrik tasarım verilerinin katmanlar halinde dilimlenmesi ve istenilen nihai şekil oluşuncaya kadar katmanların üst üste serilerek ergitilmesi prensibine dayanır. Kullanılan malzeme çeşidine, enerji kaynağına, malzemenin yığılma şekline göre farklı türde yöntemler bulunmaktadır. Elektron ışını ile ergitme (EBM) yöntemi, toz yataklı katmanlı imalat yöntemlerinden biridir. Vakum ortamında gerçekleşen temassız ergitme yöntemi ile yüksek ergime sıcaklıklarına sahip veya reaktif malzemelerden parça üretimi gerçekleştirilmektedir. Yöntem sırasında kullanılan üretim parametreleri, elde edilecek nihai ürün üzerinde önemli etkilere sahiptir. Işın gücü, tarama hızı, katman kalınlığı, ışın çapı gibi kullanılan parametreler için optimum aralık belirlemek üretilecek parçanın kalitesinin artırılması açısından büyük önem taşımaktadır. Yapılan tez çalışmasında EBM yöntemi modellenerek simülasyon üzerinde, Ti-6Al-4V toz katmanı ve hareketli enerji kaynağı etkileşiminin incelenmesi amaçlanmaktadır. Belirlenen tarama hızı, elektron ışın gücü parametrelerinin, ergiyik havuz üzerinde etkileri incelenmiş, toz katmanında meydana gelen değişimlerden yola çıkılarak uygun parametre aralığı belirlenmiştir. Işın gücünün 1750 W sabit tutularak tarama hızının artırılması, ışın ve toz katmanı arasındaki etkileşim süresinin azalmasıyla ergiyik havuz derinliği 53,1 µm' den 7,91 µm'ye kadar azaldığı görülmüştür. Işın hızının 2,4 m/s sabit değerinde ise elektron ışın gücünün artırılması, toz katmanına uygulanan enerji yoğunluğunu artırması sebebi ile ergiyik havuz derinliğini 17,9 µm'den 53,1 µm'ye kadar artış görülmüştür. Seçilen parametrelerin ergiyik havuzda meydana gelen en yüksek sıcaklığı büyük oranda etkilediği de simülasyonlar ile belirlenmiştir. Bu sonuçların yanında ergime ve buharlaşma noktaları arasında kalan sıcaklık değerleri için en uygun parametre kombinasyonları, elde edilen grafikler ile belirlenmiştir.

Abstract:
Additive manufacturing has become one of the leading methods in the production of functional parts with complex geometries. It provides a number of advantages by minimizing the production cost, the amount of material used, the production time or the cost of the tool used. It is generally based on the principle of slicing geometric design data in layers and melting the layers by overlapping until the desired final shape is formed. There are different types of methods depending on the type of material used, energy source, and how the material is built. Electron Beam Melting (EBM) method is one of the powder bed layered manufacturing methods. Parts with high melting temperatures or reactive materials are produced by the non-contact melting method in a vacuum environment. The production parameters used during the method have significant effects on the final product to be obtained. Determining the optimum range for parameters such as beam power, scanning speed, layer thickness, beam diameter is of great importance in terms of increasing the quality of the part to be built. In the study, the EBM method is modelled and it is aimed to analyse the interaction between Ti-6Al-4V powder layer and energy source via simulation. The effects of the determined scanning speed, electron beam power on the melt pool were examined, and parameter range selection was achieved based on the changes in the powder layer. It has been observed that the melt pool depth decreased from 53.1 µm to 7.91 µm by increasing the scanning speed with keeping the beam power constant at 1750 W and decreasing the interaction time between the beam and the powder layer. The increasing the electron beam power, so higher energy density, applied to the powder layer at the fixed value of 2.4 m / s of the beam velocity the melt pool depth increased from 17.9 µm to 53.1 µm. It is also determined by simulations that the selected parameters greatly affect the highest temperature occurring in the melt pool. In addition to these results, the most suitable parameter combinations for the temperature values between the melting and evaporation points were determined with the graphics obtained.