Developing surface treatment processes by drag finishing for parts produced from Ti-6Al-4V alloy powders by electron beam melting
Ti-6Al-4V Alaşım Tozlarından Elektron Işını İle Ergitme Yöntemi Kullanılarak Üretilen Parçalar İçin Sürüklemeli Yüzey İşlem Süreçleri Geliştirme
Yazar: KÜBRA YILMAZ
Danışman: PROF. DR. YUSUF KAYNAK
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Ti-6Al-4V, havacılık, otomotiv ve medikal implant endüstrilerinde kullanılan en çekici malzemelerden biridir. Diğer metallerle karşılaştırıldığında, titanyum ve titanyum alaşımları yüksek korozyon direnci ve yüksek özgül mukavemet-ağırlık oranı sergiler. Günümüzde en yaygın kullanılan titanyum alaşımı Ti-6Al-4V'dır. Bu alaşım, mekanik özelliklerin ve işlenebilirliğin dengeli bir kombinasyonuna sahiptir ve kapsamlı bir şekilde araştırılmıştır. Nispeten düşük termal iletkenlik nedeniyle, titanyum ve alaşımlarının işleme yoluyla işlenmesi genellikle zordur. Saf titanyum metalinin çıkarılması da zordur, bu da ham titanyum için diğer metallere kıyasla nispeten yüksek bir fiyatla sonuçlanır. Bu nedenle, işleme sırasında hurda oluşturan malzeme kaldırma yöntemleri uygun değildir. Üretilen hurda miktarını azaltmak için dövme veya döküm gibi net şekle yakın işlemler kullanılabilir. Bununla birlikte, oksijen veya Ti-6Al-4V'ın kalıbı ile yüksek reaktivitesinden dolayı dökümü zordur. Dökme Ti-6Al-4V için ortaya çıkan özellikler, örneğin çekme mukavemeti de genellikle dövme muadilinden daha düşüktür. Bu nedenle, daha az hurda üretimi ve daha verimli üretim süreçleri ile yeni üretim teknolojileri faydalıdır. Minimum malzeme atığı ve kafes hücresel yapılar gibi benzersiz geometriler ile net şekle yakın parçalar üretme olasılığı, eklemeli imalat tekniklerinin önemli avantajlarındandır.
Son yıllarda, farklı eklemeli imalat (AM) süreçleri hem prototiplerin hem de tamamlanmış parçaların üretilmesi için çekici teknikler olarak kabul edilmiştir. Mevcut eklemeli imalat teknikleri, polimerler, seramikler ve metaller gibi birçok malzeme tipine uygulanabilir. Tüm eklemeli imalat süreçlerinin ortak bir özelliği, parçaları oluşturmak için katman bazında bir yöntem kullanmalarıdır. Elektron Işını Ergitme (EBM), 3D-CAD modelleri kullanılarak art arda katman eklenmesiyle parçaların oluşturulmasına izin veren toz yataklı füzyon işlemidir. Elektron Işını Ergitme (EBM), tamamen yoğun ve net şekle yakın parçaların karmaşık geometrilerini üretmek için doğrudan dijital üretim yöntemlerinden biridir.

Uzay ve havacılık endüstrisinde yaygın olarak kullanılan Ti-6Al-4V parçalarının yüzey kalitelerinin önemli olmasının yanında yüksek sıcaklıklara ve yüklere maruz kalacağından dolayı mekanik özelliklerinin de geliştirilmiş olması önemlidir.
Literatürdeki çalışmalarda, EBM üretim süreçlerinin iyileştirilmesi için optimum parametrelerin belirlenmesi amaçlanmıştır. Ancak her ne kadar optimum parametreler seçilerek parçaların yüzey kaliteleri ve mekanik özellikleri iyileşse de Ti-6Al-4V parçalarının yaygın olarak kullanıldığı havacılık endüstrisi için istenilen seviyeye erişilememiştir. Bu yüzden EBM ile üretilen parçalara ikincil işlemlerin yapılmasına gerek duyulmaktadır.
Önerilen tez çalışmasında, EBM ile Ti-6Al-4V parçalarının yüzey özelliklerini ve yüzey altı karakteristiklerini iyileştirecek ve böylece bu yöntemle üretilecek parçaların kullanılmalarında yüzey kaynaklı sorunların ortaya çıkmasını ve çalışma performans ve yorulma ömürlerinin azalmasını engelleyecek yaklaşımlar ortaya konulacaktır.
Tez kapsamında EBM ile üretilen parçalara yüzey iyileştirme operasyonu (Sürükleme ile yüzey iyileştirme (SYİ)) uygulanarak her bir yüzey iyileştirme operasyonunun EBM ile üretilen parçaların yüzey ve yüzey altı özelliklerine etkisi ortaya konulacaktır ve optimum operasyon parametreleri belirlenecektir. Bu operasyonda kullanılan değişken parametreler, yüzey pürüzlülüğü, boyutsal doğruluk ve mikrosertlik dikkate alınarak en iyilenecektir. Bu kapsamda sürükleme ile yüzey iyileştirme işlemi sırasındaki farklı parametre setlerinin, elektron ışını ile ergitme yöntemi ile üretilen Ti-6Al-4V parçalarının yüzey bütünlüğüne etkisinin deneysel ve ampirik yaklaşımlarla incelenerek belirli oranlarda birbiriyle uyuştuğu sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Ti-6Al-4V is one of the most attractive materials used in the aerospace, automotive and medical implant industries. Compared with other metals, titanium and titanium alloys exhibit high corrosion resistance and a high specific strength-to-weight ratio. The most widely used titanium alloy today is Ti-6Al-4V. This alloy has a balanced combination of mechanical properties and machinability and has been extensively researched. Due to the relatively low thermal conductivity, titanium and its alloys are often difficult to machine by machining. Pure titanium metal is also difficult to extract, resulting in a relatively high price for crude titanium compared to other metals. Therefore, material removal methods that generate scrap during processing are not suitable. Near net shape processes such as forging or casting can be used to reduce the amount of scrap produced. However, it is difficult to cast because of its high reactivity with the die of oxygen or Ti-6Al-4V. The resulting properties for cast Ti-6Al-4V, such as tensile strength, are also generally lower than forged counterparts. Therefore, new production technologies with less scrap production and more efficient production processes are beneficial. Minimal material waste and the producing parts of producing parts close to net shape with unique geometries such as lattice cellular structures are key advantages of additive manufacturing techniques.
In recent years, different additive manufacturing (AM) processes have been recognized as attractive techniques for producing both prototypes and finished parts. Existing additive manufacturing techniques can be applied to many types of materials such as polymers, ceramics and metals. A common feature of all additive manufacturing processes is that they use a layer-by-layer method to create parts. Electron Beam Melting (EBM) is a powder bed fusion process that allows parts to be created by successive layer additions using 3D-CAD models. Electron Beam Melting (EBM) is one of the direct digital fabrication methods to produce complex geometries of fully dense and near net shape parts.

In addition to the important surface qualities of Ti-6Al-4V parts, which are widely used in the aerospace industry, it is important that their mechanical properties are improved since they will be exposed to high temperatures and loads.
In the studies in the literature, it is aimed to determine the optimum parameters for the improvement of the EBM production processes. However, although the surface quality and mechanical properties of the parts have been improved by choosing the optimum parameters, the desired level has not been reached for the aviation industry where Ti-6Al-4V parts are widely used. Therefore, secondary processing is required for the parts produced with EBM.
In the proposed thesis study, approaches that will improve the surface properties and sub-surface characteristics of EBM and Ti-6Al-4V parts and thus prevent the emergence of surface-related problems and the reduction of operating performance and fatigue life in the use of parts produced by this method will be introduced.
Within the scope of the thesis, the effect of each surface improvement operation on the surface and subsurface properties of the parts produced with EBM will be revealed by applying the surface improvement operation (Surface improvement by dragging (SRI)) to the parts produced with EBM and the optimum operation parameters will be determined. The variable parameters used in this operation will be optimized by considering surface roughness, dimensional accuracy and microhardness. In this context, the effect of different parameter sets during the drag surface treatment process on the surface integrity of Ti-6Al-4V parts produced by electron beam melting method was investigated by experimental and empirical approaches and it was concluded that they agree with each other at certain rates