Eklemeli imalat yöntemi ile üretilmiş Ti-6Al-4V alaşımının yüksek gerinme hızlarındaki davranışının deneysel ve sayısal yöntemler ile incelenmesi / Fırat Memu ; thesis advisor Nuri Durlu.

Tez (Doktora)--TOBB ETÜ Sosyal Bilimler Enstitüsü Temmuz 2025.

Bu tez çalışmasında, Lazerle Toz Yatağında Füzyon yöntemiyle üretilmiş Ti-6Al-4V alaşımı, toz karakterizasyonu, ısıl işlem sonrası mikroyapı ve mekanik özellikleri, yüksek gerinim hızı altındaki deformasyonu ve Johnson-Cook malzeme modelinin mikroyapı parametreleriyle ilişkilendirilmesi olmak üzere dört ana başlık altında incelenmiştir. İlk aşamada, orijinal, geri kazanılmış ve sıçrantı olmak üzere üç farklı Ti-6Al-4V toz türü morfolojik, mikroyapısal ve kimyasal olarak analiz edilmiştir. Morfolojik olarak sıçrantı toz haricinde orijinal ve geri kazanılmış tozların kullanıma uygun olduğu belirlenmiştir. Mikroyapıda ise tüm toz türlerinde α′ martenzit fazının olduğu, faz kalınlığının 0.2 ile 0.27 µm, dislokasyon yoğunluğunun ise 1.72 ile 9.38 × 1015 m-2 arasında değiştiği belirlenmiştir. İkinci aşamada, Lazerle Toz Yatağında Füzyon yöntemiyle üretilen Ti-6Al-4V numuneleri 725-950 °C aralığında 2 saat süre ile tavlanmış ve üretim sonrası mikroyapıda ultra ince α fazı, tavlama sonrası ise α+β fazları gözlenmiştir. Tavlama ile α faz kalınlığı 0.32 µm'den 1.09 µm'ye, β faz oranı ise %17'ye çıkmıştır. Dislokasyon yoğunluğu üretim sonrası 3.94×1014 m-2 olarak ölçülmüş, ısıl işlemle önce azalmış (800 °C'de 2.08×1014 m-2), ardından 950 °C'de tekrar artmıştır (3.20×1014 m-2). Tavlama sonrasında süneklik genel olarak artsa da, 875 ve 950 °C'de elde edilen sınırlı artış, α fazının kalınlaşması ve β faz miktarının artmasına bağlanmıştır. Üçüncü aşamada, Split-Hopkinson Basınç Çubuğu sistemi ile 400-1000 s⁻¹ gerinim hızlarında dinamik basma testleri yapılmıştır. Lazerle Toz Yatağında Füzyon yöntemiyle ile üretilen ve ultra ince α fazı içeren numune 1000 s⁻¹'de kırılmış, tavlanmış numuneler ise kırılmamıştır. Bunun nedeni, ultra ince α fazının dislokasyon hareketini ve deformasyonu kısıtlamasıdır. Yüksek gerinme hızı etkisiyle üretim sonrası numunelerde α faz kalınlığında %11 seviyesinde incelme gözlenmiştir. Isıl işlemli α+β mikroyapısındaki numunelerde ise gerinim sertleşmesi α fazının kalınlığını azaltırken, ısıl yumuşama bu azalmanın daha sınırlı kalmasına neden olmuştur. Dördüncü aşamada, deneysel verilerle Johnson-Cook malzeme modeli için A, B, n, C ve m parametreleri belirlenmiş, elde edilen parametrelerle LS-Dyna yazılımında Split-Hopkinson Basınç Çubuğu testleri simüle edilmiştir. Simülasyon ve deneysel veriler arasında yüksek doğrulukta (R² = 0.812 – 0.929) uyum elde edilmiştir. Ayrıca α faz kalınlığı, c/a oranı, faz miktarı ve dislokasyon yoğunluğu gibi mikroyapı verileri ile Johnson-Cook malzeme parametreleri arasında korelasyon matrisi oluşturulmuştur. Bu ilişki sayesinde ampirik regresyon denklemleri geliştirilmiş ve Johnson-Cook malzeme parametrelerinin mikroyapı verileri ile tahmin edilebileceği gösterilmiştir.

In this study, Ti-6Al-4V alloy produced by Laser Powder Bed Fusion was examined in four main stages: powder characterization, microstructure and mechanical properties after heat treatment, deformation behavior under high strain rates, and Johnson-Cook material modeling and its correlation with microstructure parameters. In the first stage, three types of Ti-6Al-4V powders, virgin, recycled, and spatter, were morphologically, microstructurally, and chemically analyzed. Morphologically, it was determined that the virgin and reused powders were suitable for manufacturing, except for the spatter powder. In the microstructure, all powder types exhibited α′ martensite phase, with phase thickness ranging between 0.2 and 0.27 µm, and dislocation density varying between 1.72 and 9.38 × 1015 m-2. In the second stage, Ti-6Al-4V samples produced by the Laser Powder Bed Fusion method were annealed at 725–950 °C for 2 hours. While ultra-fine α phase was observed in the as-built microstructure, α+β phases were present after annealing. Through heat treatment, the α phase thickness increased from 0.32 µm to 1.09 µm, and the β phase fraction reached to 17%. The dislocation density was measured as 3.94×1014 m-2 in the as-built condition, which decreased with heat treatment (2.08×1014 m-2 at 800 °C) and then increased again at 950 °C (3.20×1014 m-2). Although ductility generally increased after annealing, the limited increase observed at 875 and 950 °C was attributed to the coarsening of the α phase lath and the increase in the β phase fraction. In the third stage, dynamic compression tests were conducted using the Split-Hopkinson Pressure Bar system at strain rates of 400–1000 s⁻¹. The as-built specimen, containing ultra-fine α phase, fractured at 1000 s⁻¹, whereas the annealed samples did not. This was due to the ultra-fine α phase restricting dislocation motion and deformation. Due to high strain rate, α phase thickness of samples manufactured with laser powder bed fusion reduced by 11%. On the other hand, due to strain hardening and thermal softening effects α phase thickness of heat treated samples show limited deformation relative to the as-built sample. In the fourth stage, the Johnson-Cook material model parameters A, B, n, C, and m were determined using experimental results, and SHPB tests were simulated in LS-Dyna using these parameters. High consistency between simulation and experimental results was achieved (R² = 0.812–0.929). Furthermore, a correlation matrix was established between microstructural features such as α phase thickness, c/a ratio, phase content, and dislocation density, and the Johnson-Cook material parameters. Based on this correlation, empirical regression equations were developed, demonstrating that Johnson-Cook material parameters can be predicted directly from microstructural features.