Havacılık malzemelerinde yüzey altı boşluklarının lazer şoklu çekiçleme performansına etkisinin araştırılması
Investigation of the effect of subsurface cavities on laser shock peening performance in aviation materials
Yazar: MURAT İZCİ
Danışman: DOÇ. DR. HÜSEYİN KÜRŞAD SEZER
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Endüstriyel Tasarım Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Havacılık = Aviation ; Yüzey altı boşluklar = Subsurface spaces ; Çekiçleme = Hammering

Özet:
Lazer şoklu çekiçleme (LSP), havacılık endüstrisinde metalik bileşenlerin yorulma performansını artıran yenilikçi bir yüzey iyileştirme tekniğidir. Bu proses ile malzemede bası yönlü kalıntı gerilmeleri oluşturularak, yorulma mukavemeti ve ömrü arttırılabilmektedir. LSP prosesi ile havacılık parçalarında istenen hafiflik ve yüksek yük döngülerinde servis ömrünün artırılması sayesinde daha emniyetli ve uzun ömürlü parçalar üretilerek maliyetlerin azaltılması sağlanabilir. LSP, her ne kadar standart parçalarda iyi karakterize edilmiş ve yaygın bir uygulama olsa da, farklı geometrilerdeki yüzey altı boşluklara sahip parçalarda, prosesi nasıl etkileyeceğine dair literatürde çok fazla çalışmaya rastlanmamıştır. Literatürdeki bu eksiklik tespit edilip, havacılık endüstrisinde yaygın kullanılan Ti-6Al-4V yüzey altı farklı geometrik boşluklu parçaların lazer şoklu çekiçleme proses performansı araştırılmıştır. Bu amaçla ticari bir sonlu elemanlar modelleme programı ve Fortran kodları derlenerek, farklı yüzey altı boşluk geometrilerinde LSP simülasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu modelle farklı plazma basıncı, lazer ışını bindirme oranı, spot çapı, etkileşim süresi gibi parametreler altında LSP deney grupları belirlenerek, proses performans ve karakterizasyonu çalışılmıştır. Yüzey ve yüzey altındaki farklı tür ve yönlerdeki kalıntı gerilmeler farklı parametre kombinasyonlarında elde edilmiş ve sonuçlar kritik bir şekilde incelenip yorumlanmıştır. Genel olarak yüksek şok basıncı etkisiyle, enerjiyi malzeme üzerinde indükleyerek hugonoit elastik limit ötesi plazma basıncı oluşturabilecek enerji yoğunluğunun, yüzey altı boşluksuz malzemelere göre daha yüksek olması gerektiği tespit edilmiştir. Farklı yüzey altı geometrilerinde kalıntı gerilme profilinde prosesi etkileyebilecek önemli değişikler olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca bu çalışma, LSP prosesi kullanılarak kalıntı gerilmeleri artırmak suretiyle malzemeyi güçlendirmek ve aynı zamanda da yüzey üzerinde çatlak gelişimi ve ilerleyişini durdurabilmek için farklı geometriye sahip malzemeler için optimum parametrelerin deneysel yaklaşımla belirlenmesinden önce FEM analizi ile öngörebilme fırsatı sunduğundan, endüstri ve akademik camianın faydalanması anlamında önemlidir.

Abstract:
Laser shock peening is an innovative surface improvement technique that improves the fatigue performance of metallic components in the aerospace industry. With this process, compression-directed residual stresses are created in the material and fatigue strength and fatique life can be increased. By using the LSP process, it is possible to reduce costs by producing safer and longer-lasting parts, thanks to the desired lightness of aviation parts and increasing the service life in high load cycles. Although LSP is well-characterized and widely used in standard parts, there are not many studies in the literature on how it will affect the process in parts with subsurface cavities in different geometries. After identifying this deficiency in the literature. The laser shock peening process performance of Ti-6Al-4V parts with different geometric subsurface cavities, which are widely used in the aerospace industry, has been investigated. For this purpose, a commercial finite element modeling program and Fortran codes were compiled and LSP simulation was performed in different subsurface cavity geometries.  With this model, LSP experimental groups were determined under different parameters such as plasma pressure, laser beam overlap ratio, spot diameter, interaction time, and process performance and characterization were studied. Residual stresses of different types and directions at the surface and under the surface were obtained with different parameter combinations and the results were critically analyzed and interpreted. Generally, it has been determined that the energy density, which can create beyond hugonoid elastic limit plasma pressure by inducing energy on the material with the effect of high shock pressure, should be higher than that of subsurface void-free materials. It has been observed that there are significant changes in the residual stress profile in different subsurface geometries that may affect the process. In addition, this study is important in terms of benefiting the industry and academic community, as it provides the opportunity to predict the optimum parameters for materials with different geometries by using the experimental approach, before determining the optimum parameters for materials with different geometries, in order to strengthen the material by increasing the residual stresses by using the LSP process and at the same time to stop the crack development and propagation on the surface.