Seçici lazer ergitme teknolojisi ile bakır esaslı malzemelerin geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and characterization of copper based materials by selective laser melting technology
Yazar: BURCU ASLI ÖZKAN
Danışman: PROF. DR. DENİZ UZUNSOY ; DOÇ. DR. CİHAN KABOĞLU
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Eklemeli imalat yöntemleri, teknolojideki ilerlemeler sayesinde özellikle geleneksel yöntemlerle üretiminde zorluk yaşanan karmaşık yapılı parçaların üretilmesi için alternatif bir yöntem olmaya başlamıştır. Bu teknoloji grubuna ait proseslerden, Seçici Lazer Ergitme prosesiyle (SLE), pek çok metal malzeme başarılı bir şekilde üretilebilmektedir. Yüksek termal ve elektriksel özelliklerinin yanında iyi mekanik özelliklere de sahip olan bakır (Cu) ve alaşımlarının da bu prosesle üretilmesi konusunda yapılan çalışmalar dikkat çekmektedir. 
Saf bakır, yüksek termal iletkenlik ve yüksek yansıtma özellikleri nedeniyle SLE ile proses edilmesi zor bir malzemedir. Proses parametrelerinin optimizasyonu, yüksek lazer enerji yoğunluğunda veya kısa dalga boylarında lazerler ile çalışılması, alaşımlama ve bakırın yüzeyinin kasıtlı olarak oksitlenmesi gibi uygulamalar yeterli enerji yoğunluğu sağlanarak tozun eritilebilmesi için çalışılan konular arasındadır. İstatistiksel bir yaklaşımla saf bakırın proses parametrelerinin optimize edilmesi, (remelting) çift tarama stratejisinin uygulanması ve tribolojik özelliklerinin incelenmesine yönelik az sayıda çalışma yapılmıştır. Ayrıca, CuCrZr alaşımının, çift tarama stratejisi ve ısıl işlem uygulanarak mekanik, elektriksel, termal, tribolojik ve korozyon özellikleri üzerindeki etkilerinin incelenmesi konularında da yapılan çalışmalar kısıtlıdır.
Bu çalışmada, saf Cu tozunun SLE teknolojisi grubuna ait yerli yazıcı Ermaksan ENA 250 ile proses parametrelerinin belirlenmesi amacıyla Taguchi deney metodu ve ANOVA analiz yöntemi kullanılmış; istatistiksel bir yaklaşımla optimum proses parametreleri belirlenmiştir. Parametrelerin yapısal, mekanik ve tribolojik özellikler üzerindeki etkileri incelenerek literatüre yeni bir katkı sağlanmıştır. Taguchi deney metodu ile katman kalınlığı, lazer ışın çapı ve tarama mesafesi gibi parametrelerin önemi ortaya konmuş; her bir parametrenin yoğunluk üzerindeki katkısını belirlemek için ANOVA analiz yöntemi kullanılmıştır. Çalışmada, tozun erimesine katkı sağlanması ve katmanlar arası metalurjik bağlanmanın iyileştirilmesi amacıyla yüksek enerji yoğunluğunda çalışılmış ve çift tarama (remelting) yöntemi uygulanmıştır. Saf bakır için sekiz farklı parametre matrisi uygulanarak optimum parametreler belirlenmiştir. Bu parametrelerin yoğunluk, mikroyapı, sertlik, aşınma direnci, üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Özellikle lazer ışın çapının saf bakırın yoğunluğu üzerindeki etkisi, bu çalışmayı diğer çalışmalardan ayıran bir unsurdur. Elde edilen sonuçlar, katman kalınlığının yoğunluk üzerinde en etkili parametre olduğunu, lazer ışın çapı ve tarama mesafesinin etkisinin ise oldukça sınırlı kaldığını göstermiştir. Ayrıca, yüksek mekanik özellikleri ile birlikte üstün elektriksel ve termal iletkenliğe sahip CuCrZr alaşımının proses parametrelerinin optimizasyon çalışması yapılmıştır. CuCrZr alaşımının SLE prosesiyle üretilerek ve ısıl işlem uygulanarak; mekanik, elektriksel, termal, tribolojik ve korozyon özellikleri üzerindeki etkilerinin incelenmesi konularında çalışılmıştır. Çift tarama stratejisi uygulanarak beş farklı parametre matrisinden oluşan bir ön çalışma ile yüksek enerji yoğunluğunda çalışılmış ve lazer enerji yoğunluğu ile bağıl yoğunluk, sertlik, mikroyapı, tribolojik özellik ilişkisi incelenmiştir. Ön çalışmadan türetilen on altı farklı parametre seti ile optimum parametreler belirlenmiş ve optimum parametrelerle üretilen numunelere doğrudan yaşlandırma prosesi uygulanarak yaşlandırma prosesinin etkileri incelenmiştir. SLE prosesiyle üretim sonrası oldukça iyi seviyede sertlik, çekme dayanımı, yüksek sıcaklıkta çekme dayanımı ve basma dayanımı elde edilmiştir. Uygulanan yaşlandırma ısıl işlemi sonrasında tüm özelliklerin iyileştiği gözlenmiştir. Ayrıca, dikey ve yatay yönde çekme testi numuneleri de üretilerek; yön farkının çekme dayanımı üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Çekme dayanımının üretim yönüne bağlı olarak değiştiği belirlenmiştir.
Çalışmada kullanılan CuCrZr alaşım tozu ve SLE yazıcı, yerli üretimdir ve bu durum ülkemiz adına önemli bir kazanımdır. Çalışmanın nihai hedefi, uydu fırlatma sistemleri için sıvı yakıtlı roket motoru yanma odası prototipinin üretilmesidir. Sonuç olarak, CuCrZr alaşım tozu başarıyla üretilmiş ve SLE prosesiyle optimum proses parametreleri belirlenmiştir. Yanma odası prototipinin üretimine başlanmış olup, performans analizleri başka bir projenin konusu olarak devam ettirilecektir. Çalışma, özellikle yüksek termal ve mekanik özelliklerin istenen kompleks yapılı ürünler için umut vaat etmektedir.

Abstract:
Additive manufacturing methods have become an alternative method for the production of complex parts that are difficult to produce with traditional methods, thanks to advances in technology. Many metal materials can be successfully produced with the Selective Laser Melting process (SLE), which is one of the processes belonging to this technology group. Studies on the production of copper (Cu) and its alloys, which have good mechanical properties as well as high thermal and electrical properties, are also drawing attention with this process.
Pure copper is a difficult material to process with SLE due to its high thermal conductivity and high reflectivity. Optimization of process parameters, working with lasers at high laser energy density or short wavelengths, alloying and deliberate oxidation of the copper surface are among the topics studied to provide sufficient energy density and melt the powder. Few studies have been conducted on optimizing the process parameters of pure copper with a statistical approach, applying the double scanning strategy (remelting) and examining its tribological properties. In addition, studies on the effects of the double scanning strategy and heat treatment on the mechanical, electrical, thermal, tribological and corrosion properties of the CuCrZr alloy are limited.
In this study, Taguchi test method and ANOVA analysis method were used to determine the process parameters of pure Cu powder with domestic printer Ermaksan ENA 250 belonging to SLE technology group; optimum process parameters were determined with a statistical approach. A new contribution was made to the literature by examining the effects of the parameters on structural, mechanical and tribological properties. The importance of parameters such as layer thickness, laser beam diameter and scanning distance was revealed with Taguchi test method; ANOVA analysis method was used to determine the contribution of each parameter on density. In the study, high energy density was studied and double scanning (remelting) method was applied in order to contribute to the melting of the powder and to improve the metallurgical bonding between the layers. Optimum parameters were determined by applying eight different parameter matrices for pure copper. The effects of these parameters on density, microstructure, hardness, wear resistance were investigated. In particular, the effect of laser beam diameter on the density of pure copper is an element that distinguishes this study from other studies. The obtained results showed that layer thickness is the most effective parameter on density, while the effect of laser beam diameter and scanning distance is quite limited. In addition, the optimization study of the process parameters of the CuCrZr alloy, which has superior electrical and thermal conductivity along with high mechanical properties, was carried out.
The effects of CuCrZr alloy on mechanical, electrical, thermal, tribological and corrosion properties were investigated by producing it with SLE process and applying heat treatment. A preliminary study consisting of five different parameter matrices was studied at high energy density by applying double scanning strategy and the relationship between laser energy density and relative density, hardness, microstructure and tribological properties was investigated. Optimum parameters were determined with sixteen different parameter sets derived from the preliminary study and the effects of the aging process were investigated by applying direct aging process to the samples produced with optimum parameters. After production with SLE process, quite good hardness, tensile strength, high temperature tensile strength and compressive strength were obtained. It was observed that all properties improved after the applied aging heat treatment. In addition, vertical and horizontal direction tensile test samples were produced and the effects of direction difference on tensile strength were investigated. It was determined that tensile strength changed depending on the production direction.
The CuCrZr alloy powder and SLE printer used in the study are domestic production and this is an important gain for our country. The final goal of the study is to produce a liquid-fueled rocket engine combustion chamber prototype for satellite launch systems. As a result, CuCrZr alloy powder has been successfully produced and optimum process parameters have been determined with the SLE process. The production of the combustion chamber prototype has started and performance analyses will be continued as the subject of another project. The study is promising especially for complex structured products where high thermal and mechanical properties are required.