Metal eklemeli imalatta kullanılan tozların genellikle küresel, akışkan ve dar parçacık boyutu dağılımına sahip olması tercih edilir. Bu çalışma ise hidrürleme–dehidrürleme yöntemiyle üretilmiş, küresel olmayan VT20 titanyum alaşımı tozunun vakum altında elektron ışınıyla katman katman ergitilerek üç boyutlu bir parçaya dönüştürülüp dönüştürülemeyeceğini incelemiştir.

Araştırmacılar, 60–140 µm parçacık boyutundaki Ti–Mo–Al–V–Zr esaslı VT20 tozunu kullanarak dış çapı 85 mm, iç çapı 55 mm ve yüksekliği 35 mm olan içi boş silindirik bir numune üretmiştir. Her biri 300 µm kalınlığındaki toz katmanları önce odaksız elektron ışınıyla ön ısıtılmış, ardından elektron ışınının Arşimet spirali biçimindeki hareketiyle ergitilmiştir. Üretim tamamlandıktan sonra numune vakum içinde 18 saat soğutulmuştur.

Kesit incelemelerinde, tam ergitilmiş iç bölgelerin yoğun ve büyük ölçüde gözeneksiz olduğu görülmüştür. Mikroyapı, ısı uzaklaştırma yönünde uzanan kristalitlerden ve ağırlıklı olarak iğnemsi α′ titanyum fazından oluşmuştur; az miktarda β fazı da belirlenmiştir. Kesitler boyunca bildirilen mikrosertlik 3960–4150 MPa aralığındadır.

Element haritaları titanyum, vanadyum ve diğer alaşım elementlerinin genel olarak homojen dağıldığını göstermiştir. Ancak üretilen parçadaki alüminyum miktarı başlangıç tozunun belirtilen %5,5–7,0 aralığının altında, EDX ölçümünde ağırlıkça yaklaşık %4,26 olarak bulunmuştur. Araştırmacılar bu kaybı, alüminyumun yüksek vakum ve ergitme koşullarındaki uçuculuğuyla ilişkilendirmiştir.

Çalışmanın sonuçları tamamen kusursuz bir üretim göstermemektedir. Numunenin tam ergitilmiş orta bölgeleri yoğun olmakla birlikte dış ve iç kenarlara yakın alanlarda sınırlı ergime eksiklikleri, küçük boşluklar ve yüksek yüzey pürüzlülüğü gözlenmiştir. Araştırmacılar, önce dış ve iç konturların oluşturulmasını ve ardından iki kontur arasındaki alanın ergitilmesini önermiştir.

Çalışma, küresel olmayan ve görece ekonomik HDH titanyum tozlarının elektron ışınlı eklemeli imalatta kullanılabileceğine ilişkin deneysel bir uygulanabilirlik sonucu sunmaktadır. Bununla birlikte yalnızca tek bir numune geometrisi incelenmiş; çekme, yorulma, kırılma tokluğu, artık gerilme, boyutsal doğruluk ve yüzey pürüzlülüğü gibi kritik mühendislik özellikleri nicel olarak değerlendirilmemiştir.

Araştırmanın temel problemi nedir?

Titanyum alaşımları; yüksek özgül dayanım, korozyon direnci ve yüksek sıcaklıklarda çalışabilme özellikleri nedeniyle havacılık, enerji ve türbin parçalarında kullanılmaktadır. Ancak bu alaşımların geleneksel yöntemlerle işlenmesi pahalı olabilir ve karmaşık geometrilerde yüksek miktarda malzeme kaybına yol açabilir.

Eklemeli imalat, parçanın bilgisayar destekli tasarım modelinden doğrudan katmanlar hâlinde üretilmesini sağlar. Elektron ışını kullanılan sistemlerde metal tozu vakum ortamında seçici olarak ergitilir. Bu yaklaşım, özellikle atmosferle kolayca reaksiyona girebilen titanyum gibi metaller için önemlidir.

Çalışmanın odaklandığı sorun yalnızca parçanın basılabilmesi değildir. Araştırmacılar şu sorulara yanıt aramıştır:

• Küresel olmayan HDH titanyum tozu, katmanlı elektron ışını ergitmesinde kararlı biçimde kullanılabilir mi?
• Üretilen parçanın kesitinde yoğun ve homojen bir metal yapısı oluşur mu?
• Alaşım elementleri üretim sonrasında homojen dağılır mı?
• Yüksek vakum ve elektron ışını ergitmesi kimyasal bileşimi değiştirir mi?
• Parçanın iç ve dış kenarlarında hangi üretim kusurları meydana gelir?

Neden küresel olmayan toz kullanılmıştır?

Ticari metal eklemeli imalat sistemlerinde kullanılan küresel titanyum tozları pahalıdır. Çalışmada kullanılan toz, sinterlenmiş VT20 yarı mamulünün hidrojenle gevrekleştirilmesi ve daha sonra hidrojenden arındırılması esasına dayanan hidrürleme–dehidrürleme, yani HDH yöntemiyle üretilmiştir.

HDH işlemi, küresel atomizasyon tozlarından farklı olarak köşeli ve düzensiz biçimli parçacıklar üretir. Çalışmanın Şekil 1’inde tozların düzensiz, köşeli ve döküm benzeri iç yapıya sahip olduğu görülmektedir. İncelemede 60–140 µm aralığındaki parçacık fraksiyonu kullanılmıştır.

Araştırmanın mühendislik açısından önemli yönü, ideal küresel toz yerine daha farklı bir üretim yöntemiyle elde edilen tozun kullanılabilirliğini sınamasıdır. Bununla birlikte çalışma, küresel ve küresel olmayan tozları aynı üretim parametreleri altında doğrudan karşılaştırmamıştır. Bu nedenle HDH tozunun ticari küresel tozla eşdeğer olduğu sonucu çıkarılamaz.

VT20 alaşımının bileşimi nasıldır?

Başlangıç tozu Ti–Mo–Al–V–Zr sistemine ait VT20 titanyum alaşımıdır. Çalışmada verilen hedef bileşim aralıkları şöyledir:

Çalışmaya göre VT20 alaşımı korozyon direnci, ısı direnci ve mekanik özellikleri nedeniyle seçilmiştir. Alaşımın 500 °C’ye kadar uzun süreli çalışması öngörülen bazı havacılık parçalarında kullanılabildiği belirtilmiştir. Ancak araştırmada üretilen numune üzerinde yüksek sıcaklık dayanımı veya korozyon deneyi yapılmamıştır.

Elektron ışınlı 3B üretim sistemi nasıl çalışmaktadır?

Üretim düzeneği, SV-212M tipi küçük boyutlu elektron ışını kaynak ünitesi temelinde geliştirilmiştir. Sistem şu ana bileşenlerden oluşmaktadır:

• Toz besleme ve yayma mekanizması bulunan vakum odası,
• ELA-60 elektron ışını tabancası,
• 60 kV ve 60 kW darbeli yüksek gerilim güç kaynağı,
• Parçanın Z ekseninde hareketini sağlayan üretim tablası,
• Elektron ışınının X ve Y eksenlerinde yönlendirilmesini sağlayan saptırma sistemi,
• Siemens SIMATIC WinAC tabanlı programlanabilir kontrol sistemi,
• Bilgisayar destekli üretim ve ışın tarama yazılımı.

Elektron ışını tabancası vakum odasının üst bölümüne sabitlenmiştir. Sistem, yaklaşık \(10^{-4}\) mmHg vakum düzeyine ulaşabilmektedir. Güç kaynağının gerilimi 60 kV’a, ışın akımı ise 1000 mA’e kadar ayarlanabilmektedir.

Şekil 3, toz haznelerinden çalışma tablasına beslenen tozun bir yayıcı tarafından ince tabaka hâline getirildiğini göstermektedir. Elektron ışını bilgisayar modelinde belirlenen alanı tarayarak tozu ergitir. Tabla daha sonra bir katman kalınlığı kadar aşağı indirilir ve işlem tekrarlanır.

Numune hangi işlem adımlarıyla üretilmiştir?

1. VT20 tozu üretim tablasına yayılmıştır.
2. 300 µm kalınlığında bir toz katmanı oluşturulmuştur.
3. Katman, odaksız elektron ışını kullanılarak ön ısıtılmıştır.
4. Odaklanmış elektron ışını, dış çaptan iç çapa doğru ilerleyen Arşimet spirali biçiminde hareket ettirilmiştir.
5. Toz seçici olarak ergitilmiş ve silindirik katman oluşturulmuştur.
6. Üretim tablası aşağı indirilmiş ve yeni toz katmanı yayılmıştır.
7. İşlem, 35 mm yüksekliğindeki parça tamamlanıncaya kadar tekrarlanmıştır.
8. Üretim sonrasında parça vakum içinde 18 saat soğutulmuştur.
9. Ergimemiş toz temizlenmiş ve numune metalografik incelemeye hazırlanmıştır.

Üretilen içi boş silindirin dış çapı 85 mm, iç çapı 55 mm ve yüksekliği 35 mm’dir. Şekil 6’da üretim sonrasındaki pürüzlü dış yüzey, kesilmiş halka numunesi ve metalografik inceleme için çıkarılan parçalar gösterilmektedir.

Mikroyapı ve bileşim hangi yöntemlerle incelenmiştir?

Parçanın kesiti tamamen kusursuz mudur?

Hayır. Araştırmacılar kesitin genelinde yoğun, döküm benzeri bir yapı oluştuğunu ve tam ergitilmiş bölgelerde belirgin gözenek bulunmadığını bildirmiştir. Ancak parçanın yan yüzeylerine ve kenar bölgelerine yakın sınırlı ergime eksiklikleri gözlenmiştir.

Şekil 7’deki makro kesitte merkez bölge yoğun görünürken iki dış kenarda daha koyu, düzensiz alanlar bulunmaktadır. Şekil 8’de bu alanlardaki yerel boşluklar ve düzensiz ergime bölgeleri daha yüksek büyütmede gösterilmiştir.

Bu nedenle çalışmanın “gözeneksiz yapı” sonucu bütün parçanın her noktasının kusursuz olduğu biçiminde yorumlanmamalıdır. Daha doğru ifade şöyledir:

• Tam ergitilmiş iç bölgeler büyük ölçüde yoğun ve gözeneksizdir.
• Kenar bölgelerinde sınırlı ergime eksikliği ve küçük kusurlar vardır.
• Parçanın dış yüzeyi ve kenarları yüksek pürüzlülük göstermektedir.

Kenar kusurları için nasıl bir çözüm önerilmiştir?

Araştırmacılar elektron ışınının kenar katmanlarını işleme biçiminin değiştirilmesini önermiştir. Buna göre önce parçanın dış ve iç sınırları ayrı konturlar hâlinde ergitilmeli, daha sonra bu iki kontur arasındaki alan ışın taramasıyla doldurulmalıdır.

Bu yaklaşımın amacı, kenarlarda yetersiz enerji verilmesini ve tam ergimemiş bölgelerin oluşmasını azaltmaktır. Ancak önerilen yöntem çalışma kapsamında yeni bir deney serisiyle nicel olarak doğrulanmamıştır.

Alaşım elementleri homojen dağılmış mıdır?

Şekil 9’daki element haritaları, titanyum, alüminyum ve vanadyumun incelenen alan boyunca genel olarak homojen dağıldığını göstermektedir. Vanadyumun α fazı tane sınırlarına yakın bölgelerde daha yüksek yoğunluk gösterebildiği belirtilmiştir.

İncelenen bölgedeki EDX analizi şu ağırlık yüzdelerini vermiştir:

EDX analizi yalnızca seçilmiş bir inceleme alanını temsil etmektedir. Çalışmada çok sayıda bölgeden elde edilen ortalama, standart sapma veya ölçüm belirsizliği verilmemiştir.

Alüminyum miktarı neden azalmıştır?

Başlangıç tozu için alüminyum aralığı ağırlıkça %5,5–7,0 olarak verilmesine rağmen üretilen numunenin incelenen alanında %4,26 alüminyum ölçülmüştür.

Araştırmacılar bu farkı, alüminyumun yüksek vakumda ve ergimiş metal sıcaklığında diğer alaşım bileşenlerine göre daha kolay buharlaşmasıyla açıklamaktadır. Buharlaşan alüminyum vakum sistemi tarafından ortamdan uzaklaştırılmaktadır.

Çalışmada önerilen çözüm, başlangıç tozundaki alüminyum miktarının daha yüksek tutulmasıdır. Ne kadar ilave alüminyum gerektiğinin alaşım türüne ve üretim koşullarına göre deneysel olarak belirlenmesi gerektiği belirtilmiştir.

Bu öneri dikkatle uygulanmalıdır. Araştırma, farklı başlangıç alüminyum miktarlarıyla yeni üretimler gerçekleştirmemiştir. Bu nedenle optimum telafi oranı çalışma tarafından belirlenmiş değildir.

Mikroyapı nasıl oluşmuştur?

Üretilen metalin mikroyapısı kesit boyunca ince ve genel olarak homojendir. Kristalitlerin ısı uzaklaştırma yönünde uzadığı görülmüştür.

Şekil 11’deki 500 kat büyütülmüş görüntüde, kristalitlerin içinde ince ve iğnemsi yapıların farklı yönlerde kümelendiği görülmektedir. Araştırmacılar yapıyı ağırlıklı olarak şu fazlarla tanımlamıştır:

• İğnemsi α′ fazı: Alaşım elementlerinin α-titanyum içinde aşırı doymuş katı çözeltisi,
• Az miktarda β fazı: Mikroyapıda ikincil faz olarak bulunan titanyum fazı.

Tane sınırlarının temiz olduğu ve belirgin metal dışı kalıntı içermediği bildirilmiştir. Ancak faz miktarları nicel olarak ölçülmemiş; X-ışını kırınımı, EBSD veya geçirimli elektron mikroskobu gibi ek faz doğrulama yöntemleri kullanılmamıştır.

Mikrosertlik sonucu nedir?

Farklı kesit bölgelerinde yapılan ölçümlerde mikrosertliğin önemli ölçüde değişmediği ve 3960–4150 MPa arasında bulunduğu bildirilmiştir.

Bu sonuç, incelenen kesitlerde sertlik dağılımının görece homojen olduğunu düşündürmektedir. Bununla birlikte çalışmada:

• Kaç sertlik izi alındığı,
• Ölçümlerin kesin konumları,
• Ortalama ve standart sapma,
• Katman yönü ile kesit yönü arasındaki fark,
• Başlangıç malzemesiyle karşılaştırma

ayrıntılı olarak verilmemiştir. Bu nedenle bildirilen aralık, tam bir mekanik özellik haritası olarak değerlendirilmemelidir.

Çalışmanın desteklediği sonuçlar nelerdir?

• 60–140 µm boyutundaki küresel olmayan HDH VT20 tozu elektron ışınıyla katmanlı olarak ergitilebilmiştir.
• İçi boş silindirik ve üç boyutlu bir metal numune üretilebilmiştir.
• Tam ergitilmiş iç bölgelerde yoğun ve büyük ölçüde gözeneksiz yapı oluşmuştur.
• Mikroyapı kesit boyunca ince ve genel olarak homojen bulunmuştur.
• Yapı ağırlıklı olarak iğnemsi α′ fazı ve az miktarda β fazından oluşmuştur.
• Alaşım elementleri incelenen alanlarda genel olarak homojen dağılmıştır.
• Vakum altında ergitme sırasında alüminyum kaybı meydana gelmiştir.
• Kenar tarama stratejisinin ergime eksikliklerini ve yüzey kusurlarını etkilediği görülmüştür.

Çalışma neyi kanıtlamamaktadır?

• Küresel olmayan tozun küresel tozla aynı akış ve üretim performansına sahip olduğunu kanıtlamamaktadır.
• Üretilen malzemenin sertifikalı havacılık parçası olarak kullanılabileceğini göstermemektedir.
• Parçanın tamamının gözeneksiz olduğunu kanıtlamamaktadır.
• Alüminyum kaybını telafi edecek kesin başlangıç bileşimini belirlememektedir.
• Çekme dayanımı, akma dayanımı, uzama, yorulma veya kırılma tokluğu hakkında sonuç sunmamaktadır.
• Katman yönüne bağlı mekanik anizotropiyi değerlendirmemektedir.
• Yüksek sıcaklık veya korozyon performansını doğrudan sınamamaktadır.
• Farklı parça geometrilerinde aynı sonuçların alınacağını göstermemektedir.
• Üretim süresini, enerji tüketimini veya ekonomik maliyeti karşılaştırmamaktadır.

Türkiye’deki ileri imalat çalışmaları açısından anlamı nedir?

Çalışmanın “yerli toz” vurgusu Ukrayna sanayisinin tedarik sorunlarına yöneliktir. Buna rağmen temel mühendislik sorusu Türkiye açısından da geçerlidir: Yerel olarak veya daha ekonomik yöntemlerle üretilen titanyum tozları, ithal küresel tozlara alternatif olabilir mi?

Araştırma, alternatif tozların yalnızca kimyasal bileşimle değerlendirilmemesi gerektiğini göstermektedir. Aşağıdaki unsurlar birlikte ele alınmalıdır:

• Parçacık boyutu ve şekli,
• Tozun serilme davranışı,
• Katman kalınlığı,
• Işın gücü ve tarama yolu,
• Vakum altında alaşım elementi kaybı,
• Kenar ve kontur ergitme stratejisi,
• Gözeneklilik ve yüzey pürüzlülüğü,
• Faz yapısı ve mekanik özellikler.

Türkiye’de havacılık, savunma, enerji ve medikal sektörler için yürütülecek benzer çalışmalarda; yerel tozların farklı elektron ışını parametreleriyle sistematik olarak sınanması, küresel tozlarla doğrudan karşılaştırılması ve sonuçların mekanik testlerle doğrulanması gerekir.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Deneysel yöntem özeti

Ana bulguların toplu değerlendirmesi

Yeniden üretilebilirliği sınırlayan eksik bilgiler

• Üretimde kullanılan kesin ışın akımı belirtilmemiştir.
• Tarama hızı raporlanmamıştır.
• Odak çapı ve enerji yoğunluğu verilmemiştir.
• Tarama çizgileri arasındaki mesafe açıklanmamıştır.
• Toz yatağı sıcaklığı ölçülmemiş veya bildirilmemiştir.
• Üretilen bağımsız numune sayısı açıklanmamıştır.
• Gözeneklilik hacimsel olarak ölçülmemiştir.
• Yüzey pürüzlülüğü sayısal bir Ra veya Rz değeriyle verilmemiştir.
• Boyutsal sapmalar raporlanmamıştır.
• Faz oranları nicel olarak belirlenmemiştir.
• Mekanik özellikler mikrosertlik dışında sınanmamıştır.
• Alüminyum kaybının numunenin farklı bölgelerinde değişip değişmediği gösterilmemiştir.

Sonuçları güçlendirecek ek çalışmalar

• Küresel ve HDH tozlarının aynı koşullarda doğrudan karşılaştırılması,
• Farklı parçacık boyutu dağılımlarının sınanması,
• Işın akımı, tarama hızı ve katman kalınlığının parametrik olarak değiştirilmesi,
• X-ışını bilgisayarlı tomografiyle üç boyutlu gözeneklilik ölçümü,
• Optik profilometriyle yüzey pürüzlülüğü ölçümü,
• XRD ve EBSD ile faz ve kristal yönelimi analizi,
• Yatay ve dikey yönlerde çekme testleri,
• Yorulma ve kırılma tokluğu deneyleri,
• Artık gerilme ve çarpılma ölçümleri,
• Farklı başlangıç alüminyum oranlarıyla telafi deneyleri,
• Isıl işlem öncesi ve sonrası mikroyapı karşılaştırması,
• Daha karmaşık ve ince duvarlı geometrilerde üretim doğrulaması.

Kaynak ve Yöntem Notu

• Çalışmanın özgün adı: Microstructure of VT20 Titanium Alloys Produced by the Method of Layer-by-Layer Electron Beam Fusion Using Domestic Powder Materials
• Yazarlar: V.M. Nesterenkov; V.A. Matviichuk; M.O. Rusynik; T.B. Yanko; A.E. Dmitrenko
• Yazar sıralaması: Yazarlar yukarıda çalışma metnindeki özgün sırayla verilmiştir.
• Eş katkı veya eş birinci yazarlık: Beyan bulunmamaktadır.
• Sorumlu yazar: Açıkça tanımlanmış bir sorumlu yazar bulunmamaktadır.
• Birinci kurum: E.O. Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukrayna
• İkinci kurum: PJSC Titanium Institute, Ukrayna
• Üçüncü kurum: NSC Kharkov Institute of Physics and Technology, Kharkov, Ukrayna
• Dergi: The Paton Welding Journal
• Yıl ve sayı: 2019, Sayı 9
• Sayfalar: 2–7
• Teslim tarihi: 12 Haziran 2019
• Yayın tarihi: 17 Ekim 2019
• DOI: 10.15407/tpwj2019.09.01
• Hakemlik durumu: Hakemli dergi makalesi
• Yayınevi: International Association “Welding” — Paton Publishing House
• Yayın dili: İngilizce
• Resmî makale bağlantısı:The Paton Welding Journal resmî makale sayfası
• Kalıcı DOI bağlantısı:10.15407/tpwj2019.09.01
• Finansman: Makalede ayrı bir finansman beyanı bulunmamaktadır.
• Çıkar çatışması: Makalede ayrı bir çıkar çatışması beyanı bulunmamaktadır.
• Veri erişimi: Ham deney verileri veya açık veri deposu bağlantısı verilmemiştir.

Bu Verianla makalesinin bilimsel içeriği yalnızca yüklenen çalışmanın metni, malzeme bileşim tablosu, üretim düzeneği, deney yöntemi, makro ve mikroyapı görüntüleri, element haritaları, EDX analizi ve araştırmacıların sonuçları esas alınarak hazırlanmıştır. Dış kaynaklar yalnızca bibliyografik kimlik, DOI, dergi, yayınevi, yayın tarihi ve hakemlik durumunun doğrulanması amacıyla kullanılmış; dış kaynaklardan yeni bilimsel bulgu eklenmemiştir.

Çalışmada kullanılan parçacık boyutu 60–140 µm, toz katmanı kalınlığı ise 300 µm’dir. Taranmış metinlerde mikro sembolünün yanlış okunabileceği durumlarda, özgün sayfa görüntülerindeki birimler esas alınmıştır.

Çalışmanın özetinde gözeneksiz ve homojen yapı vurgulanmasına rağmen sonuç bölümünde yan yüzeylere yakın yerel ergime eksiklikleri ve kenar kusurları gösterilmiştir. Bu nedenle makalede “parçanın tamamı gözeneksizdir” biçiminde genelleme yapılmamış; tam ergitilmiş iç bölgeler ile kusurlu kenar bölgeleri birbirinden ayrılmıştır.

EDX analizindeki %4,26 alüminyum değeri seçilmiş bir ölçüm alanına aittir. Çalışmada farklı alanların ortalaması veya ölçüm belirsizliği verilmediğinden bu değer bütün parçanın kesin ortalama alüminyum oranı olarak yorumlanmamalıdır.