Ti-6Al-4V alaşımının tel ark eklemeli imalat sürecinin modellenmesi ve analizi

Tel ark eklemeli imalat (TAEİ) sırasında malzemeleri ergitmek için ısı enerjisi kullanılır. Ancak kullanılan bu ısı katmanların çevrimli olarak oluşturulması sırasında, üniform olmayan tekrarlı termal değişimlere yol açmakta ve dolayısıyla metalik malzemelerin mikroyapısının süreç boyunca değişmesine neden olabilmektedir. Bunun yanında TAEİ ile üretilen parçalarda, maruz kaldıkları termal yüklemeye bağlı olarak yüksek mertebelerde arzu edilmeyen kalıntı gerilmeler ve deformasyonlar meydana gelebilmektedir. Bu nedenle, TAEİ süreçlerinde gerçekleşen fiziksel etkileşimlerin anlaşılıp, süreç kontrolünün sağlanması için gerçekleştirilecek çalışmalar büyük önem arz etmektedir. Bu motivasyonla hazırlanan tez çalışması kapsamında, Ti-6Al-4V alaşımından TIG-TAEİ yöntemiyle üretilecek parçalarda, literatürdeki güncel yaklaşım, gözlem ve bulgular dikkate alınarak, süreç-yapı-özellik ilişkilerinin anlaşılmasına olanak sağlayacak, termal-mikroyapısal-mekanik (TMM) sonlu elemanlar yöntemi (SEY) benzetim modellerinin geliştirilmesine ve deneysel olarak doğrulanmasına yönelik çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Bu bağlamda, ilk olarak süreç benzetim modellerinin geliştirilmesi ve doğrulanmasında kullanılacak laboratuvar ölçekli özgün bir TIG-TAEİ cihazı mekanik, elektronik ve yazılımsal olarak tasarlanmış ve üretilmiştir. Bu cihaz kullanılarak, farklı ısı girdileri, katman sayıları ve tarama desenleriyle numuneler üretilmiş, bunların boyutları ve sınır koşulları dikkate alınarak TMM sonlu elemanlar benzetim modelleri geliştirilmiştir. Benzetim modellerinin geliştirilmesinde ABAQUS sonlu elemanlar yazılımı kullanılıp, Python makroları ve Fortran kullanıcı alt programları yardımı ile çeşitli model bileşenlerinin (sınır koşulları, eleman aktifleştirme tanımlamaları, hareketli ısı kaynağı modeli, malzemenin mikroyapısal ve mekanik özellikleri vb.) esnek ve parametrik bir yapıda tanımlanabildiği bir SEY modeli oluşturulmuştur. Termal modelde iletim, taşınım ve radyasyonla ısı transferleri dikkate alınıp ısı kaynağının tanımlanmasında TIG kaynağı için modifiye edilmiş bir Goldak ısı kaynağı modeli kullanılmıştır. TAEİ işlemi boyunca sıcaklık değişimlerine bağlı olarak meydana gelen mikroyapısal dönüşümlerin tahmini için hem difüzyonlu hem de difüzyonsuz katı hal faz dönüşümlerini hesaba katan bir model dikkate alınmış, böylece α ve β faz oranlarının imalat süreci boyunca değişimleri incelenmiştir. Ayrıca, hesaplanan fazların oranları ve mikrosertlik değerleri dikkate alınarak karışımlar kuralı yardımı ile parçaların mikrosertlik değerlerindeki değişimler hesaplanmıştır. Termal değişimlerin malzemenin mekanik davranışına etkilerinin incelenmesi için tamamıyla bağlaşık modelleme tekniği uygulanmıştır. Bununla birlikte mikroyapısal değişimlerin malzemenin akma davranışına etkisi fazların hesaplanan hacim oranlarını ve akma değerlerini dikkate alan karışımlar kuralı ve Johnson-Cook malzeme modeli kullanılarak benzetim modellerine dahil edilmiştir. Doğrulama çalışmaları öncelikle iki farklı ısı girdisiyle üretilen tek katlı duvar yapılı numuneler dikkate alınarak gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda ilk olarak iki farklı noktadan termokupllarla zamana bağlı olarak ölçülen deneysel sıcaklık değerleri, numunelerin kesitleri üzerinden ölçülen eriyik havuzu ve ısıdan etkilenen bölgenin boyutları, yine numunelerin kesitleri üzerinden ölçülen sertlik değerleri ve bir kenarı ankastre olarak mesnetlenmiş altlık plaka üzerinden ölçülen yer değiştirme sonuçları sonlu elemanlar analizleri ile hesaplanan değerlerle karşılaştırılmıştır. Daha sonra modelin çok katlı yapılar için de doğru sonuçlar üretebildiğini göstermek adına eş yönlü ve zikzak tarama desenleriyle üretilen 5 katlı duvar yapılı numuneler dikkate alınarak benzer doğrulama çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Doğrulama çalışmaları sonucunda geliştirilen benzetim modelleri ile hesaplanan sıcaklık değerlerinin, eriyik havuzu boyutlarının, sertlik değerlerinin ve yer değiştirme sonuçlarının deneysel verilerle oldukça tutarlı olduğu tespit edilmiştir. Bu durum geliştirilen benzetim modellerinin TAEİ ile imal edilen parçaların süreç-yapı-özelliklerinin incelenmesinde kullanılabileceğini göstermiştir.