Effect of pack aluminizing on hydrogen charging behavior of Ti6Al4V alloy fabricated by selective laser melting
Seçici lazer ergitme yöntemiyle üretilen Ti6Al4V alaşımının hidrojen şarj davranışı üzerine kutu alüminyumlama işleminin etkisi
- Tez No: 981973
- Danışmanlar: PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Titanyum alaşımları, düşük yoğunluk, yüksek dayanım, korozyon direnci ve biyouyumluluk özelliklerinin birleşimiyle tanınır ve bu nitelikler onları yüksek performans gerektiren çok çeşitli uygulamalar için ideal hâle getirir. 20. yüzyılın ortalarında ticari olarak geliştirilmeye başlanmasından bu yana, titanyum ve alaşımları, havacılık, biyomedikal, otomotiv, kimyasal proses ve enerji üretimi gibi sektörlerde vazgeçilmez malzemeler hâline gelmiştir. Titanyum alaşımlarına olan yüksek talep, özellikle ağırlık tasarrufu, yüksek dayanım ve zorlu çevre koşullarına karşı direnç gereken ortamlarda sağladıkları üstün performanstan kaynaklanmaktadır. Bu alaşımlar, yüksek dayanım/ağırlık oranları sunar; bu da yapısal bileşenlerin, mukavemetinden ödün vermeden, önemli ölçüde daha hafif tasarlanabilmesini sağlar. Bu özellik, özellikle havacılık sanayisinde, yakıt verimliliği ve taşıma kapasitesinin artırılmasına doğrudan katkıda bulunduğu için büyük önem taşır. Ayrıca, titanyum alaşımları mükemmel korozyon direncine sahiptir; bu da onları deniz suyu, yüksek sıcaklıkta oksidasyon ve agresif kimyasallar gibi zorlu çevrelere maruz kalan parçalar için ideal kılar. Öte yandan, titanyumun biyouyumlu yapısı, özellikle ortopedi ve diş hekimliği gibi alanlarda tıbbi implantlar ve cihazlar için tercih edilmesini sağlar; çünkü bu uygulamalarda insan dokusuyla uzun süreli uyum esastır. En yaygın kullanılan titanyum alaşımı olan Ti6Al4V, çok yönlü mekanik özellikleri sayesinde bu uygulamaların temel taşını oluştururken; alfa, beta ve alfa-beta alaşımları gibi diğer bazı türler de belirli uygulamalara özgü nitelikler sunarak farklı gereksinimlere hitap eder. Ti6Al4V alaşımı, özellikle havacılık, biyomedikal ve savunma sanayileri gibi sektörlerde yaygın olarak kullanılan en önemli titanyum esaslı alaşımdır. Bu alaşım, yüksek dayanım/ağırlık oranı, korozyon direnci ve biyouyumluluğu ile bilinmektedir. Ancak bu üstün özelliklerine rağmen Ti6Al4V alaşımı, özellikle aşınma ve oksidasyon gibi yüzey bozulmaları açısından zayıf performans gösterebilmektedir. Bu nedenle, bu alaşımın yüzey özelliklerini iyileştirmek amacıyla çeşitli yüzey mühendisliği tekniklerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu kapsamda, alüminyumlama işlemi, titanyum alaşımlarının yüzey dayanımını artırmak için etkili bir yöntem olarak öne çıkmaktadır. Isıl işlem, Ti6Al4V alaşımının mekanik ve yüzey özelliklerini iyileştirmek için sıkça kullanılan bir diğer kritik tekniktir. Isıl işlem, alaşımın mikroyapısını değiştirerek dayanım, tokluk ve süneklik gibi özelliklerin iyileştirilmesini sağlar. Ti6Al4V, alfa (α) ve beta (β) fazlarını içeren çift fazlı bir alaşım olup, bu fazlar arasındaki denge, ısıl işlem parametrelerinin ayarlanmasıyla kontrol edilebilir. Alüminyumlama sonrası ısıl işlem, hem iç yapının hem de yüzey özelliklerinin optimize edilmesine olanak tanır. Katmanlı imalat, fiziksel nesneleri dijital bir 3B model temelinde katman katman oluşturan bir üretim tekniğidir. Geleneksel imalat yöntemlerinden farklı olarak, bu yöntem yalnızca ihtiyaç duyulan alanlara malzeme ekler, bu sayede atık miktarı azalır. Özellikle karmaşık geometriler, kişiye özel parçalar ve hızlı prototipleme açısından büyük avantaj sağlar. Ayrıca tasarım esnekliği sunar ve gereksiz malzeme kullanımını azaltarak sürdürülebilir üretimi destekler. Günümüzde üç farklı katmanlı imalat yöntemi kullanılmaktadır: Seçici Lazer Ergitme (SLM), Lazer Metal Biriktirme ve Elektron Demeti Ergitme. SLM yönteminde, CAD verilerinin hazırlanmasından üretilen bileşenin üretim platformundan çıkarılmasına kadar olan süreç, bir dizi adımdan oluşmaktadır. CAD verileri SLM makinesine yüklenmeden önce, yazılımlar lazerin katmanları tarayabilmesi için dilimleme verisi (slice data) oluşturur ve aynı zamanda sarkan geometriler için destek yapıları planlar. Üretim odasında, yapım sürecine başlamak üzere ince bir metal tozu tabakası, altlık (substrat) plakası üzerine yayılır. Ardından, işlenmiş CAD verilerine dayanarak, yüksek enerji yoğunluğuna sahip bir lazer, yayılan tozun belirli bölgelerini ergitmek ve birleştirmek amacıyla tarar. Lazer taraması tamamlandıktan sonra üretim platformu aşağı indirilir ve üzerine yeni bir toz tabakası uygulanarak bir sonraki katmanın taranmasına geçilir. Bu işlem, gerekli tüm bileşen katmanları tamamlanıncaya kadar toz yayma ve lazer tarama işlemleri tekrarlanarak devam eder. Bununla birlikte SLM yönteminde, yüksek soğuma hızları ve ardışık tabaka birikimi nedeniyle iç gerilmeler, mikro gözeneklilik ve katmanlar arası bağlanma problemleri oluşabilmektedir. Bu durum, özellikle yorulma dayanımının kritik olduğu uygulamalarda yüzey kalitesinin ve mikro yapının iyileştirilmesi gerekliliğini ortaya koymaktadır. Üretim sırasında lazer gücü, tarama stratejisi, katman kalınlığı ve toz özellikleri gibi proses parametrelerinin hassas şekilde kontrol edilmesi, nihai ürünün mekanik davranışı üzerinde belirleyici rol oynar. Bu nedenle SLM ile üretilmiş bileşenlerde ek yüzey işleme veya kaplama tekniklerinin uygulanması, performansın artırılmasına yönelik temel yaklaşımlardan biri hâline gelmiştir. Alüminyumlama, yüksek sıcaklıkta vakum veya gaz ortamında alüminyumun titanyum alaşımı yüzeyine difüzyon yoluyla aktarılması işlemidir. Bu işlem sonucunda, titanyum ve alüminyum arasında intermetalik fazlar oluşur, bu da alaşımın yüzey sertliğini ve oksidasyon direncini önemli ölçüde artırır. Ayrıca, alüminyumlama işlemi, titanyum alaşımlarının yüksek sıcaklık uygulamalarındaki performansını artırarak aşınma ve korozyon direncini geliştirir. Ancak, bu işlemin başarılı olabilmesi için işlem parametrelerinin ve ısıl işlem koşullarının dikkatlice optimize edilmesi gerekmektedir. Mühendislik uygulamalarında kullanılan birçok alaşımın yapısal bütünlüğünü tehlikeye atan ciddi bir sorun, hidrojen gevrekliğidir. Bu terim, hidrojenin metale nüfuz etmesi ve mikroyapı ile etkileşimi sonucunda ortaya çıkan; süneklik, tokluk ve yük taşıma kapasitesi gibi mekanik özelliklerin bozulmasını ifade eder. Titanyum alaşımları, özellikle Ti6Al4V, yüksek mukavemet özellikleri sayesinde havacılık, biyomedikal ve denizcilik uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak, hidrojenin gerek imalat sürecinde gerekse servis sırasında yapıya girmesi, bu alaşımların performansını ciddi şekilde etkileyebilecek sorunlar doğurabilir. Bu nedenle, hidrojen gevrekliği mekanizmalarının derinlemesine anlaşılması büyük önem taşımaktadır. Hidrojen şarjı, titanyum alaşımlarında hidrojen gevrekleşmesi gibi olguları incelemek amacıyla kullanılan bir yöntemdir. Hidrojen, Ti6Al4V alaşımına difüze olduğunda, mikroyapısal değişikliklere yol açarak mekanik özellikleri olumsuz etkileyebilir. Bu nedenle hidrojen şarjı işlemi, bu etkilerin araştırılması ve hidrojen ile alaşım arasındaki etkileşimin anlaşılması açısından büyük önem taşır. Bu çalışmanın temel amacı, Seçici Lazer Ergitme (SLM) yöntemiyle üretilmiş Ti6Al4V alaşımının, hidrojen şarjına maruz bırakıldıktan sonraki yüzey özelliklerini incelemektir. Çalışmada, hidrojenin neden olduğu olası gevrekleşme etkileri analiz edilerek, üstün mekanik dayanımı ve korozyon direnci nedeniyle havacılık, biyomedikal ve endüstriyel uygulamalarda yaygın olarak kullanılan SLM ile üretilmiş Ti6Al4V alaşımındaki davranışı araştırılmıştır. Ayrıca, kutu alüminyumlama işleminin alaşımın hidrojen şarj davranışı üzerindeki etkisi de değerlendirilmiştir. Bu çalışmada, SLM yöntemiyle üretilmiş Ti6Al4V alaşımının, alüminyumlama ve hidrojen şarjı sonrasında yüzey özellikleri incelenmiştir. Bu amaçla kutu alüminyumlama yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntemde AlCl₃ tozu aktivatör, Al₂O₃ tozu dolgu maddesi ve alüminyum tozu ise alüminyum kaynağı olarak kullanılmıştır. Bu toz bileşenleri karıştırıldıktan sonra bir çelik potaya yerleştirilmiş ve kaplanacak Ti6Al4V alaşımı bu toz karışımına daldırılmıştır. Kutu alüminyumlama işlemi, 700 °C'de 4 saat süreyle gerçekleştirilmiştir. Kaplanma işleminin ardından numuneler fırında oda sıcaklığına kadar soğutulmuştur. Bu proses SLM as built ve SLM numuneye 900 °C ve 1100 °C sıcaklıklarda yarım saat süreyle iki farklı ısıl işlem uygulanmış numunelere uygulanmıştır. Karşılaştırma yapmak amacıyla, hem kaplanmış hem de kaplanmamış numuneler hidrojen şarj işlemine tabi tutulmuştur. Hidrojen şarjı, gliserin ve H₃PO₄ (fosforik asit) karışımından oluşan bir elektrolit içerisinde, elektrokimyasal hücre yardımıyla gerçekleştirilmiştir (gliserin:H₃PO₄ oranı 2:1). Hücrede katot olarak platin levha, anot olarak ise şarj edilecek malzeme kullanılmıştır. Hidrojen şarjı, farklı ısıl işlem koşulları altında, hem kaplanmış hem de kaplanmamış numunelere uygulanmıştır. Karakterizasyon çalışmaları ise optik mikroskop, Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), yüzey pürüzlülüğü ölçümü, X-ışını Difraksiyonu (XRD) ve sertlik ölçümleri ile gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak, kaplamasız numunelerde hidrür tabakası oluşumu ve kaplamasız ısıl işlemli numunelerde çatlak oluşumu gözlemlenmiş, buna karşın kaplamalı numunelerde, kaplamada bozulmalar tespit edilmiş olsa da, hidrojenle şarj edilmiş yüzeyde herhangi bir renk değişimi ve çatlak gözlenmemiştir. Hidrojen şarjı uygulandıktan sonra, ortalama lamel genişliğinde düşüş meydana gelmiştir. Kutu alüminyumlama ve hidrojen şarjı sonrasında yüzey pürüzlülüğü artmıştır. Hidrojen şarjı sonrasında kaplamasız numunelerde oluşan hidrür tabakasında sertlik düşmüştür. Literatürde SLM ile üretilmiş Ti6Al4V alaşımlarının mekanik ve mikroyapısal davranışına yönelik pek çok araştırma bulunmasına karşın, hidrojen şarjı ve kutu alüminyumlamanın birlikte ele alındığı kapsamlı çalışmalar oldukça sınırlıdır. Özellikle hidrojenin kaplama tabakaları üzerindeki etkisinin, kaplama bütünlüğü ve yüzey morfolojisi ile olan ilişkisi yeterince açıklığa kavuşturulmamıştır. Bu nedenle bu çalışma, hem üretim yöntemi hem de uygulanan yüzey modifikasyonları açısından literatürdeki önemli bir eksikliği gidermeyi hedeflemiş ve farklı işlemler altındaki davranışları karşılaştırmalı olarak değerlendirmiştir.
Özet (Çeviri)
The Ti6Al4V is the most popular alloy made of titanium, particularly significant in industries such as aerospace, biomedical, and defense. This alloy is famous for its corrosion resistance and high strength-to-weight ratio, and biocompatibility. However, despite these excellent properties, the Ti6Al4V alloy can exhibit poor performance in terms of surface degradation, especially in wear and oxidation. Therefore, various surface engineering techniques are required to enhance the surface properties of this alloy. In this context, the aluminizing process has emerged as an effective method to improve the surface resistance of titanium alloys. Heat treatment is another critical technique frequently used to improve the mechanical and surface properties of the alloy. Heat treatment can alter the alloy's microstructure, enhancing properties such as toughness, strength and ductility. Ti6Al4V is a dual-phase alloy (with alpha and beta phases), and the balance between these phases can be controlled by adjusting the heat treatment parameters. Post-aluminizing heat treatment can be applied to optimize both the internal and surface properties of the alloy. Additive manufacturing is a production technique that builds physical based on a digital 3D model, layer by layer. In contrast to conventional manufacturing techniques, which frequently entail cutting or shaping material from a larger block, this approach adds material only where needed, resulting in less waste. This technology is especially valuable for producing complex shapes, custom parts, and prototypes quickly and efficiently. It allows for significant design flexibility and supports sustainable manufacturing by minimizing excess material use. Aluminizing is a process in which aluminum is deposited onto the surface of the alloy in a high-temperature vacuum or gaseous environment. As a result of this process, intermetallic phases form between titanium and aluminum, significantly increasing the surface hardness and oxidation resistance of the alloy. Additionally, the aluminizing process can enhance alloy's performance in high-temperature applications by enhancing their wear and corrosion resistance. However, the successful implementation of the aluminizing process requires careful optimization of the process parameters and heat treatment conditions. Hydrogen charge is a process used to study issues such as hydrogen embrittlement in titanium alloys. When hydrogen diffuses into the Ti6Al4V alloy, it can induce microstructural changes that negatively affect the mechanical properties. The hydrogen charging process is essential for investigating these effects and understanding the interactions between hydrogen and the alloy. The primary objective of this study is to investigate the surface properties of Ti6Al4V alloy fabricated through Selective Laser Melting (SLM) after exposure to hydrogen charging. The study aims to analyze and potential embrittlement effects induced by hydrogen absorption in the SLM-manufactured Ti6Al4V alloy, which is widely used in aerospace, biomedical, and industrial applications due to its superior mechanical strength and corrosion resistance. Furthermore, this research explores the impact of pack aluminizing on the hydrogen charging behavior of the alloy. In this study, the surface properties of Ti6Al4V alloy fabricated by the SLM method after aluminizing and hydrogen charge were investigated. For this purpose, the pack aluminizing method was employed. In this method, AlCl3 powder was used as the activator, Al2O3 powder as the filler material, and aluminium powder as the aluminium source. After mixing these powder components, they were placed into a steel crucible, and then the Ti6Al4V alloy to be coated was immersed into the powder mixture. The pack aluminizing process was performed at 700 °C for 4 h. After the coating process was completed, the samples were cooled in the furnace to the room temperature. For comparison, as built with aluminizing and as built without aluminizing samples were subjected to the hydrogen charge process. Hydrogen charging was conducted in an electrochemical cell, where the electrolyte consists of glycerol and H3PO4 with a ratio of 2:1. In the cell, the anode is a platinum sheet, and the cathode is the material to be charged. Hydrogen charging was applied to both coated and uncoated specimens under different heat treatment conditions. Characterization was carried out with optical microscopy, SEM, surface roughness measurements, XRD, and hardness measurements. In conclusion, the formation of a hydride layer was observed on the uncoated specimens, and cracks were observed on the uncoated heat-treated specimens, whereas in the coated specimens, although degradation of the coating occurred, no color change and cracks was observed on the hydrogen-charged surface.
Benzer Tezler
- Katodik ark fbb yöntemi kullanılarak çelik yüzeylerin alüminyumlanması
Aluminising of steel surfaces by using cathodic arc pvdmethod
TUĞBA ÇELİKEL
Doktora
Türkçe
2020
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN
- Çelik bantların sıcak daldırma yöntemi ile alüminyum kaplanması
Hot-Dip aluminizing of steel strip
ERTUĞRUL ARABACI
- Katodik ark destekli yayındırma yöntemi ile çeliklerin alüminyumlanmasına manganın etkisi
Effect of manganese addition on aluminizing of steels with cathodic arc based diffusion process
GİZEM SOYDAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. NURİ SOLAK
- Soğuk sprey eklemeli imalat yöntemiyle üretilen ınconel 718 süperalaşımının yüzey özelliklerine kutu alüminyumlama işleminin etkisi
Effect of pack aluminizing process on surface properties of inconel 718 superalloy produced by cold spray additive manufacturing
OSMAN KAHRAMAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN
- Development of aluminizing coatings on additively manufactured INCO 939 alloy
Katmanlı imalat metoduyla üretilmiş INCO 939 alaşımda alüminit kaplama geliştirilmesi
ECE CANAN KARABASTIK
Doktora
İngilizce
2025
Mühendislik BilimleriMarmara ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEVAT SARIOĞLU