Metal toz yataklı ergitme işlemlerinin ısıl modellerinin geliştirilmesi ve mikroyapıya etkilerinin araştırılması
Development of thermal models of powder bed fusion processes and investigation of its effects on microstructure
Yazar: MEHMET MOLLAMAHMUTOĞLU
Danışman: PROF. DR. OĞUZHAN YILMAZ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Füzyon = Fusion ; Isıl işlem = Heat treatment ; Katmanlı üretim = Additive manufacturing ; Metal tozları = Metal powders ; Mikroyapı = Microstructure

Özet:
Bu çalışmada, toz yataklı füzyon proseslerinin ısıl davranışı ve bu ısıl davranışın mikroyapı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Bu amaçla, ilk olarak, iki temel toz yatağı prosesi olan seçici lazer ergitme ve elektron demeti ergitmenin yapısı araştırılmıştır. Daha sonra bu prosesler matematiksel olarak modellenmiş ve bazı iyileştirmeler yapılmıştır. Seçici lazer ergitme işleminde Ti-6Al-4V alaşımı için yeni bir hacimsel ısı kaynağı modeli ve ampirik bir emilim korelasyonu geliştirilmiştir. Elektron demeti ergitme işleminde ise buharlaşma olgusu üzerinde durulmuştur. Bu amaçla, buharlaşma enerji kaybı ve buharlaşmanın ergiyik havuzu profili üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Ergiyik havuzdaki buharlaşma ısı kaybını ve geri tepme basıncını tanımlamaya yönelik olarak Anisimov yöntemi için matematiksel bir ifade türetilmiştir. Her iki proses için de deneysel çalışmalar yapılmış ve muhtelif Ti-6Al-4V numuneleri üretilmiştir. Seçici lazer ergitme işlemi ile oluşan mikro yapılar incelenmiş ve sayısal analiz ile elde edilen termal çıktılar ile ilişkilendirilmiştir. Böylece 20 K/s altı, 20 ila 410 K/s, 410 ila 1900 K/s ve 1900 K/s üzeri olmak üzere dört soğuma hızı rejimi belirlenmiştir. Elektron demeti ergitme işleminde vakum ortamında meydana gelen muhtemel geri tepme basıncı ve buharlaşma ısı kaybı, deneyden elde edilen katılaşmış eriyik havuzu profilleri ve sayısal analiz yardımıyla araştırılmıştır. Mutedil işlem parametreleriyle gerçekleştirilen taramalarda buharlaşma yollu ısı kaybının yaklaşık %10 civarında olduğu görülmüştür. Vakum ortamında, çeşitli koşullar ve proses parametrelerinde, çeşitli hız rejimlerinin oluşabileceği ve bu rejimler altında buharlaşma ısı kaybının artabileceği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
In this study, the thermal behavior of powder bed fusion processes and the effect of this thermal behavior on the microstructure are discussed. For this purpose, the nature of the two principal powder bed processes, selective laser melting and electron beam melting, was investigated. Then, the processes were mathematically modeled, and some improvements were made. A new volumetric heat source model and an empirical absorptivity correlation have been developed for the Ti-6Al-4V alloy in the selective laser melting process. In the electron beam melting process, the evaporation phenomenon is emphasized. For this purpose, evaporative energy loss and the effects of evaporation on the melt pool profile were investigated. A mathematical expression has been derived for the Anisimov method to define the evaporation heat loss and the recoil pressure on the melt pool. Experimental work was carried out for both processes, and various Ti-6Al-4V samples were manufactured. The microstructures formed by the selective laser melting process were examined and correlated with the thermal outputs obtained by numerical analysis. Thus, four cooling rate regimes were determined as below 20 K/s, 20 to 410 K/s, 410 to 1900 K/s, and above 1900 K/s. The possible recoil pressure and evaporative heat loss occurring in the vacuum environment in the electron beam melting process were investigated via the solidified melt pool profiles obtained from the experiment and numerical analysis. In the scans with moderate process parameters, it was observed that the heat loss by evaporation was around 10%. It has been concluded that in a vacuum environment, various speed regimes may occur under various conditions and process parameters, and evaporation heat loss may increase under these regimes.