Eklemeli imal edilen AlSi10Mg alaşımının üretim parametrelerinin mikroyapı ve mekanik davranışına etkisinin incelenmesi

Abstract

Endüstri 4.0 ile birlikte yaygınlaşan "Eklemeli İmalat" (Eİ) bir nesnenin katman katman malzeme eklenerek üretilmesini sağlayan bir ileri imalat yöntemi olarak tanımlanmaktadır. Bu sayede özellikle prototip oluşturma süreci hızlanmakta ve daha karmaşık geometriye sahip parçaların üretilmesinde zaman ve hammadde tasarrufu sağlanmaktadır. Her tüketiciye özel ve farklı ürünlerin üretilmesinde eklemeli imalat, geleneksel üretim yöntemlerine kıyasla büyük kolaylık sağlamaktadır. Talaşlı imalat yöntemlerinde meydana gelen artık malzeme bu üretim yönteminde ortaya çıkmaz. Ayrıca yine eklemeli imalatta ürün, özellikle karmaşık şekilli geometrilerin üretilmesinde kullanılan döküm yöntemindeki gibi uzun ve birçok aşamadan geçirilmez. Döküm yöntemindeki gibi birbirinden farklı geometrili her parça için maliyeti yüksek kalıplara ihtiyaç yoktur ve bu durum aynı şekilde malzemeden ve zamandan tasarruf edebilmeyi sağlar. Eklemeli imalat yedi farklı alt imalat yöntemine ayrılır. Neredeyse her malzeme türü eklemeli imalatın farklı yöntemleriyle üretilebilmektedir. Eklemeli imalatta kullanılan farklı alt imalat yöntemlerine göre birçok imalat parametresi vardır. Bu tez çalışmasında eklemeli imalatın yedi imalat yönteminden biri olan "Toz Yatak Füzyonu (PBF)" yöntemi ve enerji kaynağı olarak lazer kullanıldığını ifade eden "Lazer Toz Yatak Füzyonu (L-PBF)" tekniğinin bir alt dalı olan, özellikle metal malzemelerin imalatı için geliştirilen "Seçici Lazer Ergitme (SLM)" yöntemi kullanılmıştır. SLM sürecinde lazer ışını, CAD modelinden alınan kesit verilerine göre toz yatağına serili ince bir tabaka halindeki metal tozlarının yalnızca ilgili bölgelerini ergitir. Bu katmanın ergitilmesinin ardından platform (toz yatağı) belirlenen katman kalınlığı kadar aşağı iner. Toz besleme haznesinden bir merdane yardımıyla yeni bir toz tabakası serilir ve lazer kaynağı aynı şekilde bu katmanı da ergitir. Bu işlem birçok kez tekrarlanarak 3 boyutlu nihai parça oluşturulur. SLM sürecinde lazer gücü, tarama hızı, lazer ışın çapı, katman kalınlığı, tarama aralığı, tarama stratejisi, toz morfolojisi ve boyut dağılımı, ön ısıtma sıcaklığı, atmosfer ve toz yayma hızı gibi birçok parametre üretilen ürünlerin kalitesini doğrudan etkiler. Bu tez çalışmasında, SLM tekniği kullanılarak AlSi10Mg alaşım tozundan çekme numuneleri farklı parametrelerle üretilmiştir. İncelenen parametreler yukarıda bahsedilen farklı imalat parametrelerinden tarama hızı, tarama aralığı, lazer gücü ve yığma yönü parametreleridir. Bu parametrelerin AlSi10Mg çekme numunelerine etkisi incelenmiştir. İmal edilen AlSi10Mg çekme numunelerinin mekanik özellikleri çekme deneyleri yapılarak belirlenmiştir. Numuneler 12 x 12 mm ölçülerde kesilerek bakalite alınmış, zımparalama ve parlatma işlemlerinden sonra hem yan kesitleri hem de dik kesitleri optik mikroskopta incelenmiş mikroyapı ve eriyik havuzları ile ilgili detaylı gözlem yapılmıştır. Numunelerin kırık yüzeyleri hem stereo mikroskopta hem de taramalı elektron mikroskobunda (SEM) incelenmiştir. Ayrıca üretilen SLM AlSi10Mg numuneleri bilgisayarlı tomografi ile taranmış ve XCT verileri elde edildikten sonra, görüntü dosyaları Dragonfly yazılımına aktarılmış ve bu sayede kusurların nicel analizi yapılmıştır. Dragonfly yazılımına aktarılan 3B görüntülerde malzeme içindeki gözeneklilik oranları hesaplanmış ve oluşan gözeneklerin şekli ve boyutuna bakılarak gözenek türleri belirlenmiştir. Tarama hızı, tarama aralığı, lazer gücü ve yığma yönü parametreleri hem kendi içlerinde ayrı ayrı hem de hepsi bir arada değerlendirilmiştir. Çalışmada 1000 mm/s, 1200 mm/s, 1300 mm/s, 1400 mm/s tarama hızları; 170 µm, 150 µm, 130 µm, 110 µm tarama aralıkları; 370 W, 350 W, 330 W, 310 W lazer güçleri ve 0° (dikey), 35°, 45°, 90° (yatay) yığma yönleri olmak üzere farklı parametreler değerlendirilmiştir. Tüm numunelerde aynı katman kalınlığı (30 µm) kullanılmıştır. Bu parametreler kullanılarak L-PBF/SLM süreçlerinde birim hacme aktarılan enerji miktarını ifade eden hacimsel enerji yoğunluğu (Lazer gücü / (tarama hızı x tarama aralığı x katman kalınlığı)) (VED) hesaplanmış ve hacimsel enerji yoğunluğunun malzemenin gözeneklilik ve kusur oluşuma etkisi incelenmiştir. VED parametresinin gözenekliliği tahmin etmede büyük oranda etkili olduğu ancak parametre türüne göre farklılık gösterdiği bulunmuştur. Örneğin tarama hızının azalması ve tarama aralığının azalması VED'de artışa neden olurken tarama aralığı parametresindeki azalma gözenekliliği ve mukavemeti daha fazla etkilemiş, gözeneklilikte daha fazla artışa ve mukavemette daha fazla düşüşe neden olmuştur. Lazer gücünün azalması ise VED değerini düşürmüş ve bu durum da gözenekliliğin artışına ve mekanik özelliklerin kötüleşmesine neden olmuştur. VED değerindeki değişim numune eriyik havuzları boyutlarında da değişime neden olmuş ancak burada da aynı şekilde parametre önemli bir etken olmuştur. VED değerinin artması ve azalmasıyla gözeneklilikte artış meydana gelmiş ancak oluşan gözenek türleri farklılık göstermiştir ve en az gözenekliliğin oluştuğu VED değeri 60 J/mm3 olarak belirlenmiştir. VED'in artmasıyla birlikte eriyik havuzları anahtar deliği şeklinde dar ve uzun bir şekle sahip olmuş ve durum buharlaşan metal buharının eriyik havuzu dibinde hapsolmasına neden olarak anahtar deliği gözeneklerinin oluşmasına neden olmuştur. VED'in azalması ise metal tozunun yeteri kadar ergiyememesine ve dolayısıyla kaynaşamamasına neden olarak uzunlamasına ve karmaşık şekilli yetersiz ergime gözeneklerinin oluşmasına sebep olmuştur. Ayrıca düşük VED metal toz içerisinde atmosferden gelen gazların yetersiz ergime nedeniyle eriyik içinden kaçamamasına ve malzeme içinde kalmasına neden olur. Yüksek VED nedeniyle oluşan anahtar deliği poroziteleri özellikle en yüksek VED değerine sahip en düşük tarama hızı 1000 mm/s ile üretilen H1000 numunesinde ve en düşük tarama alığı 110 µm ile üretilen A110 numunesinde gözlemlenmiştir. Anahtar deliği poroziteleri kısmen daha küresel şekilli, özellikle eriyik havuzunun alt kısmında ve optik mikroskopta gözlemlenebilecek kadar büyüktür. Aynı şekilde yetersiz ergime gözenekleri ise düşük VED değerine sahip 1400 mm/s tarama hızıyla üretilmiş H1400 numunesinde optik mikroskopta görülmüş ve tomografi verileriyle doğrulanmıştır. En düşük lazer gücüyle üretilen ve dolayısıyla düşük VED değerine sahip G310 numunesinde ise yeterli boyutta eriyik havuzu oluşmadığı optik mikroskopta görülmüş ve kırık yüzey incelemelerindeki SEM görüntülerinde yetersiz ergimeye bağlı uzun şekilli ve karmaşık geometrili birçok yetersiz ergime gözeneği görülmüştür. Ayrıca 5 µm'den küçük tam küresel şekilli gaz porozitelerine rastlanmıştır. Numunelerin kırık yüzeyleri stereo mikroskopta incelendiğinde mikro boyutta Si partikülleri olduğu görülmüş ve bu Si partiküllerinin yoğunluğu ve boyutunun VED değeriyle doğru orantılı olarak artıp azaldığı tespit edilmiştir. En çok Si partikülü VED'in en yüksek olduğu H1000 ve A110 numunelerinin kırık yüzeylerinde gözlemlenmiş, G310 ve yatay olarak üretilen Y90 numunelerinde ise neredeyse Si partikülü gözlemlenmemiştir. Aynı şekilde gözeneklerin fazla olduğu numunelerde mekanik özellikler kötüleşmiş, en düşük akma dayanımı A110 numunesinde 152 MPa, en düşük çekme dayanımı ise G310 numunesinde 290 MPa olarak meydana gelmiştir. En düşük kopma uzaması ise 35° yığma yönüyle imal edilen Y35 numunesinde meydana gelmiştir. Tüm çıktılar bir arada değerlendirilerek en iyi mekanik özellik gösteren ve en düşük gözenekliliğe sahip numunenin üretildiği parametreler 1200 mm/s tarama hızı, 170 µm tarama aralığı, 370 W lazer gücü ve dikey yığma yönü optimum parametre olarak seçilmiştir. Optimum parametrelerle üretilen OP numunesi 214 MPa akma dayanımına, 330 MPa çekme dayanımına ve %10,13 kopma uzamasına sahiptir.