Osprey döküm sisteminin modellenmesi
Modelling of the osprey casting system
Yazar: AHMET GÜNER
Danışman: PROF. DR. M. NİYAZİ ERUSLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Gaz akışı = Gas flow ; Mikroyapı = Microstructure

Özet:
Hızlı katılaşma ile ince tane boyutu, yarı kararlı fazlar, amorf fazlar, yüksek oranda aşırı doymuş fazlar ve ince dağılmış ikincil faz parçacıkları içeren fazlar elde edilebilmektedir. Bu çalışmada, genel katılaşma prensipleri çerçevesinde hızlı katılaşma olayı tanımlanmakta; hızlı katılaşma teknikleri tanıtılarak, Osprey hızlı katılaşma yöntemi ayrıntılı olarak açıklanmaktadır.Osprey döküm sistemi sıvı metalin atomizasyonu ve bir toplama yüzeyinde atomize olmuş damlaların tamamen katılaşmadan toplamasından oluşmaktadır. Atomizasyon işlemi sırasında sıvı metal boyutları 1 ? m ile 200 ? m arasında değişen damlalar haline gelir. Atomizasyon gazının etkisi ile hızlanan damlacıklar uçuşları sırasında soğumaya başlarlar. Sistemin modellenmesinde Visual Basic 6.0, MathCAD 2000, AutoCAD 2000, Flow-3D ve ANSYS 9.0 kullanılmıştır.Damlaların hızlanmaları hesaplanırken kurulan modelde damlaların küresel olduğu kabul edilmiştir. Damlaların küreselliğinin uçuş sırasında değişmediği kabul edilmiştir. Damlalar arasında uçuş sırasında birleşme olmadığı ve çarpışmadıkları kabul edilmiştir. Damlaların doğrusal bir yol izlediği kabul edilmiştir. Gaz hızı sabit olmayıp atomizasyon nozül dizaynından elde edilen veriler kullanılmıştır. Buna göre gaz hızı eksponansiyel bir fonksiyon ile atomizasyon nozül ağzından çıktıktan sonra azalmaktadır. Gaz hızına, yoğunluğuna ve damlanın sürüklenmesine sıcaklığın etkisinin olmadığı kabul edilmiştir. Gaz sıcaklığı sabit kabul edilmiştir. Bu kabuller altında yapılan modelde damlaların hızlanmaları hesaplanmıştır. Isı transfer katsayısı sabit alınmamış damla hızına göre hesaplanmıştır. Damlaların hızlarının değişmesi ile Reynold sayısı, sürüklenme katsayısı ve konveksiyon ile olan ısı transfer katsayısı değişmektedir. Damlaların soğuması değişen ısı transfer katsayısına göre hesaplanmıştır. Damlaların soğuması sırasındaki aşırı soğumaları ve bu değere bağımlı olarak katı oranları hesaplanmıştır.Uçuş modelinden elde edilen veriler toplama yüzeyine gelen damlaların boyutlarına göre sıcaklıkları ve damlalardaki katı oranlarıdır. Toplama yüzeyinin modellenmesinde uçuş modelinin verileri kullanılmıştır.Damlalardan boyutları küçük olanlar toplama yüzeyine gelinceye kadar katı oranları 1 değerini alırken boyutları büyük olan tanelerde tamamen sıvı halde olabilir. Tamamen katı taneler toplama yüzeyinde katı kısımlara gelirlerse yüzeyden sekerler, toplama yüzeyindeki sıvı bölgelere gelirlerse sıvı fazın içine katılırlar. Lapa damlalar ise toplama yüzeyine çarptıkları zaman içlerindeki dendrit kolları kırılmakta ve sıvı fazın içerisinde çekirdek merkezleri oluşturmaktadırlar.Osprey sisteminde elde edilen döküm ürünlerinin mikro yapısı eş eksenlidir. Osprey döküm sisteminin modellenebilmesi için mikroyapının şekillendiği lapa damlaların yüzeye çarpma işlemi deneysel olarak SCN ? Aseton alaşımları ile çalışılmıştır. SCN ? Aseton alaşımı şeffaf alaşımlar olarakta adlandırılmaktadır. Kullanılan sistemin liküdüs eğrisi Al - 4.5 Cu sistemine benzer ve diğer parametrelerinde orantılı olmasından dolayı SCN ? Aseton alaşım sistemi kullanılmıştır. SCN ? Aseton sisteminin en önemli özelliği alaşım sistemi sıvı iken ışık geçirimi yüksek katılaştığı zaman ise ışık geçirimi düşüktür. Böylece katılaşmış bölgeler görülürken sıvı kalan kısım görülmemektedir.Yapılan deneysel çalışmalarda Osprey sistemine benzer şekilde damlaların deforme olabilmelerini sağlamak amacı ile değişik deney düzenekleri kurulmuştur. Bunlardan ilkinde lapa damlanın serbest düşmesini sağlanmış ve toplama yüzeyine çarptıktan sonra oluşan mikro yapı mikroskop altında incelenmiştir. Lapa damla içinde dendrit kollarının kırılmamış olduğu ve uçuş sırasında dendrit kollarının kırılmadığı kabul edilmiştir. Elde edilen mikro yapıdaki dendrit kolları tamamen kırılmıştır. Bununla birlikte yapının içinde çok fazla kırılmış dendrit kolu bulunduğundan sistem yeniden toplama yüzeyinin şartları altında soğutulduğunda sistem katı oranından dolayı şeffaflığını yitirmekte ve oluşan yapı görülmez bir hal almaktadır. Toplama yüzeyindeki mikroyapının gelişimi hakkında bir bilgi edinilemezken damlanın uçuş sonrası toplama yüzeyine çarptığındaki oluşan mikroyapıyı bu sistem göstermektedir. Sistemin dezavantajları ise sistemin açık atmosferde olmasından dolayı aseton buharlaşması ve zaman ile damlanın konsantrasyonunun değişmesidir. Damlanın 20 cm'lik uçuş mesafesinde bileşiminin değişmesinin dendrit kollarına kırılmasına etkisi yok kabul edilmiştir.Dendrit kırılmasının daha detaylı incelenebilmesi için tek bir dendritin oluşturulup daha sonrada deforme edilebileceği bir deney düzeneği kurulmuştur. Dendritlerin deformasyonunu gözlemleyebilmek için kurulan deney düzeneğinde lapa damla direkt olarak cam plakanın üzerinde dururken ikinci bir cam plaka üzerine bırakılmıştır. Deformasyon oranı iki cam plakanın arasındaki mesafe olarak ayarlanmıştır. Bu çalışmada damlanın yüzeyinde oluşmuş olan ince katı tabaka kırıldığından damla içindeki mikro yapı daha net gözlemlenmiştir. Oluşan mikro yapı serbest düşme deney düzeneğinden elde edilen mikro yapı ile benzerdir. Bu sistemde lapa damlanın içinde oluşmuş olan dendritler ikinci damlanın ağırlığının etkisi ile kırılmış fakat deformasyon oranı olarak belirli bir orandan daha fazla deformasyona izin verilmemiştir. Damlanın içinde oluşan dendrit sayısının fazlalığından dolayı bu sistemde de kırılma mekanizması net olarak izlenememiştir.Değiştirilen sistemde yine çift cam sistemi kullanılmıştır. Asetonun buharlaşmasını engellemek için iki camın arasına yuvarlak deforme olabilen silikon conta konulmuştur. Deformasyon işlemi için kullanılan cam plakanın hareketi bir mekanizma ile gerçekleştirilmiştir, böylece cam plakanın kendi ağırlığı ile değilde istenen oranda lapa damlayı deforme edebileceği bir düzenek kurulmuştur. Kurulan deney düzeneğinde damlaya uygulanan aşırı soğuma değiştirilebilmektedir. Damla yüzeylerinden itibaren aşırı soğumanın etkisi ile hızla katılaştıktan sonra içinde tek bir katı partikül kalıncaya kadar ergitilmiştir. Bu işlem sırasında alaşım ergime noktasının çok küçük bir miktar üzerine ısıtılmış böylece katı partiküllerin ergimesi mikroskop altında izlenebilmiştir. Kalan son partikül tamamen ergitilmemiş ve sıcaklık banyolarından soğuk olan devreye sokularak sistem soğumaya bırakılmıştır. Böylece tek bir tane üzerinden büyüyen dendrit üzerinde oluşan ikincil kollarla birlikte deformasyon uygulandığında dendrit kollarının kırılması incelenmiştir. Dendrit kollarının kırılması için ikinci cam levhanın dendrit kollarına dokunması yeterlidir. Deformasyon miktarının ayarlanmasının modellemede bir etkisi olmamıştır. Damlalar uçuş sırasındaki hızlarından dolayı toplama yüzeylerine çarptıkları anda benzer bir çarpma enerjisi ile karşılaşacaklarından sistemde ki eş eksenli dendritlerin oluşması için yeterli çekirdek miktarının dendrit kollarının kırılması ile oluştuğu kabul edilmiştir. Sistemin dezavantajı ise ikincil dendrit kollarının deformasyon uygulayacak olan cam yüzeyine değip değmediğinin bilinmemesidir. Ancak oluşan mikroyapıdan dendrit kollarının toplama yüzeyine çarpmaları durumunda kırıldıkları ve yeni dendrit merkezi oluşturdukları bulunmuştur.

Abstract:
The fine grained, semi-stable phases, the amorph phase, highly saturated phases and the phase which has fine dispersed secondary phase particles in it can be obtained by rapid solidification. The rapid solidification is defined within the general solidification rules and the explanation of the Osprey rapid solidification process detailed below.The Osprey casting system consists of liquid metal atomization and collecting the atomized droplets before they are completely solidified. During the atomization process the liquid metal becomes droplets. Their size varies between 1 ? m and 200 ? m. The droplets start cooling while they are accelerated with the atomization gas. The Visual Basic 6.0, MathCAD 2000, AutoCAD 2000, Flow-3D and ANSYS 9.0 are used to model the system.It is accepted that the shape of the droplets is spherical in droplets accelerating calculations and the droplets sphericity is accepted as not changing. It is accepted that there is no collision between those droplets and the droplets following the linear path. Gas velocity is not constant and is obtained from the atomization nozzle design. The gas velocity decreases exponentially while moving away from the nozzle. It is accepted that the temperature doesn?t affect the gas velocity, density, and droplets dragging. And the temperature of the gas is accepted as constant. The droplets velocities are calculated according to these acceptances. The heat transfer coefficient is calculated according to the gas velocity.The Reynolds number, dragging coefficient, and convection heat transfer coefficient are changing while changing velocity of the droplets. The temperature of the droplets is calculated according to the varying heat transfer coefficient. The droplets undercooling and solid fraction are calculated. The data obtained from the droplets? flying model are temperature and the solid fraction of the droplets. The droplets? flying models data is used to model the deposit surface.The small droplets? solid fraction value would be 1 when they arrive at the deposit surface. The bigger ones may remain liquid. If completely solid droplets hit solid part of the deposit surface, they may bounce. If droplets hit the liquid part of the deposit, then they will be added to it. When mushy droplets hit the surface, the dendrite arms inside the droplets are broken and become nuclei centers.The microstructure of the Osprey system is equiaxed. The SCN-Acetone alloy system is used to observe the microstructure formation of the mushy droplets while they are impacting on the deposit surface. The SCN-Acetone alloy system is also called the transparent alloy system. The SCN-Acetone alloy system is used because slope of liquidus and the other properties are similar to the Al-4.5Cu alloy system. The most important property of the transparent alloy system is that the liquid alloy transmits the light. The transmission of light decreases while solidifying, so the solid parts can be seen.A different experimental setup is established to observe the droplet deformation like in the Osprey system. First of all free the fall of the mushy droplets impact microstructure is studied. It is accepted that the dendrite arms are not broken inside the mushy droplets while preparing and flying. The dendrite arms are broken after impacting on the surface. The droplet microstructure can not be seen because of fragmentation. The system couldn?t help us to understand the microstructure evaluation of the deposit surface but it showed that the dendrite arms are broken after the impact. The disadvantage of the system is the concentration is changing because of the vaporization of the acetone. It is accepted that concentration of the droplets is not changing while at 20 cm flight and there is no dendrite arm breaking according to the acetone vaporization.The new experimental setup is established to prepare a single dendrite arm and to deform it. A second glass plate is put onto the mushy droplet to observe the dendrite arm deformation while the mushy droplet is on the first glass plate. The deformation amount is controlled by the distance between the two glass plates. In this system, the microstructure can be seen more clearly because there are no shell occurrences on the droplets surface. The microstructure is similar to the free fall system?s microstructure. The dendrite arms are broken by the weight of the second glass plate but the deformation amount is controlled. The breaking mechanism can not be seen clearly because there are lots of dendrite fragmentations in this system, too.The two glass plate system is used again in the developed system. The deformable silicone o-ring is used to obstruct acetone vaporization between the two glass plates. The glass plate which is used to deform the droplet is mounted to the mechanism so the plate does not deform the droplet with its weight. And the amount of the deformation is controlled by the mechanism. Undercooling could be changed in the newly developed system.The droplet starts to melt after rapidly solidifying from its surfaces. The droplet keeps on heating until one solid particle remains in it. The alloy is heated just about at its melting point, so the melting of the droplet can be observed. The last particle is not melted and cooling system is switched on. The effect of the deformation on the single dendrite and complete droplet is observed.It is enough to touch the glass plate for the dendrite arms to break. Controlling the deformation amount doesn?t affect the breaking system.It is accepted that droplets have high impact energy because of their velocity in their flight to the deposit surface and that their energy is enough to break the dendrite arms and make enough nucleus centre to obtain equiaxed microstructure.The disadvantage of the system is that it is not known whether the secondary dendrite arms are touching the top plate before deformation or not.It has been found that the dendrite arms will be broken and make new nuclei centers when the mushy droplets hit the deposit surface.