3. EKLEMELİ İMALATE YÖNELİK METAL TOZLARI

3.1 Giriş

Metal tozu, eklemeli imalat proseslerinde çok önemli bir rol oynar. Gerçekten de, kullanılan metal tozunun kalitesinin mekanik özellikler üzerinde önemli bir etkisi olacaktır, ancak aşağıdakileri de etkileyebilir:

  • yapımdan yapıma gözlenen tutarlılık,
  • EÜ makineleri arasında yeniden tekrarlanabilirlik,
  • hatasız bileşenler üretilmesi,
  • yüzeylerdeki üretim kusurları.

Metal tozlarının bulunabilirliği sayesinde, eklemeli imalat makinelerinde çok çeşitli alaşımlar kullanılmaktadır:

  • Çelik türleri: 316L, 17-4PH vb.
  • Nikel ve kobalt bazlı süper alaşımlar: 625, 718, CoCr F75 vb.
  • Titanyum alaşımları: Ti6Al4V, CPTi vb.
  • Alüminyum alaşımları: AlSi10Mg vb.

Bununla birlikte birçok diğer metal de değerlendirilmekte ve geliştirilmektedir:

  • bakır alaşımları,
  • magnezyum alaşımları,
  • altın, gümüş, platin gibi değerli metaller,
  • Mo alaşımları, W ve WC gibi ateşe dayanıklı metaller,
  • Metal Matriks Kompozitler, vb.

3.2 Toz üretim yöntemleri

Eklemeli üretime yönelik metal tozları genellikle gaz atomizasyonu prosesi kullanılarak üretilmektedir; bu proseste erimiş bir metal akımı, yüksek basınçlı nötr bir gaz jeti sayesinde küçük metal damlacıkları halinde atomize edilmekte ve hızla sertleşmenin ardından metal tozu taneciklerini oluşturmaktadır.

Gaz atomizasyonu, su atomizasyonu gibi metal tozları elde etmeye yönelik fiziksel bir yöntemdir (kimyasal ve mekanik yöntemlerin aksine). Ancak gaz atomizasyonu ile üretilen tozlar, tozun akıcılığı için çok faydalı olan küre biçimine sahiptir, su atomizasyonu ile üretilen tozlar ile düzensiz şekillere sahiptir.

Gaz atomizasyonu, eklemeli imalat için en yaygın özelliktir, çünkü aşağıdakileri sağlar:

  • Küresel tozlar
  • Küre biçimi ve tane boyut dağılımı sayesinde iyi bir toz yoğunluğu
  • Tane boyut dağılımının iyi bir tekrarlanabilirliği

Bunun yanında, gaz atomizasyonu prosesi kullanılarak çok çeşitli alaşımlar üretilebilir.

Eklemeli üretime yönelik metal tozları (SLM Solutions'ın izniyle)

Eklemeli üretime yönelik metal tozları (SLM Solutions’ın izniyle)

3.2.1 Gaz atomizasyonu yöntemi

Gaz atomizasyonu prosesi, erimiş metalin bir nozül yoluyla potadan dökülmesi ile başlar.

Ardından erimiş metal akımına nitrojen ve argon gibi nötr gaz jetleri tutulur ve çok küçük damlacılar halinde atomize edilir; bu damlacıklar atomizasyon kulesinin içinde düşerken soğuyup sertleşirler. Daha sonra tozla bir kap içerisinde toplanır.

Gaz atomizasyonu süreci, eklemeli imalate yönelik metal tozlarının üretilmesi için en yaygın kullanılan prosestir. Özellikle çelik türleri, alüminyum alaşımları, değerli metaller, vb. için kullanılır.

Gaz atomizasyonu prosesinin şeması

Gaz atomizasyonu prosesinin şeması


[Gaz atomizasyonu uygulanmış <20 μm 17-4PH tozunun SEM resmi

Gaz atomizasyonu uygulanmış <20 μm 17-4PH tozunun SEM resmi (Sandvik Osprey Ltd’nin izniyle)

3.2.2 VIM gaz atomizasyonu prosesi

VIM gaz atomizasyonu prosesinde, ergime bir vakum bölmesinde gerçekleşir. Bu proses, Ti ve Al gibi reaktif elementler içeren alaşımlarla çalışırken özellikle oksijen toplanmasını önlemek amacıyla süper alaşımlar için önerilmektedir.

VIM gaz atomizasyonu prosesinin şeması

VIM gaz atomizasyonu prosesinin şeması (Erasteel’in izniyle)


VIM gaz atomizasyonu uygulanmış Pearl ® Micro Ni718 tozunun SEM resmi

VIM gaz atomizasyonu uygulanmış Pearl ® Micro Ni718 tozunun SEM resmi (Erasteel’in izniyle)

3.2.3 Diğer toz üretim prosesleri

Spesifik alaşımlar için aşağıdakiler gibi bazı diğer toz üretim prosesleri kullanılmaktadır:

  • Plazma atomizasyonu ve küreleştirme işlemi, beslenen materyalin bir plazma torçu ile havada ısıtılması ve eritilmesinden ve ardından kontrollü koşullarda soğumasından ve sertleşmesinden oluşur. Proseslere bağlı olarak, beslenen malzeme tanecikler, çubuk ya da tel şeklinde ham madde olabilir. Plazma atomizasyonu özellikle Mo alaşımları, W ve WC gibi ateşe dayanıklı metallerin küreleştirilmesi için kullanılır.
  • Plazma döner elektrot prosesi olarak da bilinen santrifüjlü atomizasyon, yüksek hızla dönen çubuk şeklindeki ham maddenin ucunun bir plazma torçu ile eritilmesi, böylece santrifüjle erimiş metal damlacıkları oluşturulması işlemlerinden oluşur.
  • Metal Matriks Kompozitler (MMC’ler) üretmek için toz harmanlama ve mekanik alaşımlama
Gaz atomizasyonu uygulanmış Elektron® MAP+ magnezyum tozlarının SEM resmi

Gaz atomizasyonu uygulanmış Elektron® MAP+ magnezyum tozlarının SEM resmi (Magnesium Elektron’un izniyle)


Eklemeli üretim için, mikron boyutlu SiC ya da nano boyutlu MgAl2O4 ile takviye edilmiş Metal Matriks Kompozit AlSiMg tozu

Eklemeli üretim için, mikron boyutlu SiC ya da nano boyutlu MgAl2O4 ile takviye edilmiş Metal Matriks Kompozit AlSiMg tozu. (IIT Istituto Italiano di Tecnologia Politecnico di Torino – DISAT’ın izniyle)

3.3 Eklemeli üretime yönelik metal tozlarının özellikleri

Eklemeli üretime yönelik temel metal tozu özellikler dört ana kategoride toplanabilir:

  • Kimyasal bileşim
  • Tane boyut dağılımı (PSD)
  • Morfoloji
  • Fiziksel özellikler

Tüm durumlarda, metal tozlarının karakterize edilmesine yönelik yöntemlerin belirlenmesi için mevcut bazı yararlı standartlar vardır.

Eklemeli üretim proseslerine yönelik metal tozları seçilirken dikkate alınması önem taşıyan ilave hususlar mevcuttur:

  • Tozların depolanması ve yaşlanması
  • Tozun eklemeli imalat döngülerinden sonra tekrar kullanılabilirliği
  • Sağlık, güvenlik ve çevre konuları

3.3.1 Kimyasal bileşim

Kimyasal bileşim bakımından, alaşım elementleri ve seçilen ölçüm teknikleri (ICP, Spektrometri, vb.) çok önemlidir, ancak aşağıdakilerin dikkate alınması da önem taşımaktadır:

  • yanma ve füzyon teknikleri ile ölçmek için Oksijen, Nitrojen, Karbon ve Sülfür gibi interstisyeller
  • ayrıca eser elementler ve safsızlıklar,

çünkü bunlar alaşımlara bağlı olarak malzeme özelliklerini önemli ölçüde etkileyebilir.

Gaz atomizasyonu sürecinde, tüm toz tanecikleri aynı kimyasal bileşime sahiptir, ancak daha küçük tanecikler, daha yüksek spesifik yüzeyleri nedeniyle daha yüksek bir oksijen içeriğine sahip olma eğilimi gösterirler.

Kimyasal bileşim özellikle aşağıdakileri etkileyecektir:

  • Ergime sıcaklığı
  • Mekanik özellikler
  • Kaynaklanabilirlik
  • Termal özellikler (termal iletkenlik, Isı kapasitesi, vb.)
  • vb.

Son olarak, kimyasal bileşim, eklemeli imalat makinelerinde çok sayıda kullanımdan sonra biraz değişebilir.

3.3.2 Tane boyut dağılımı

Eklemeli üretim teknolojisine ve ekipmanına bağlı olarak, iki ana tane boyut dağılımı türü dikkate alınmıştır:

  • toz yatak sistemlerinin çoğuna yönelik genellikle 50 mikronun altındaki tozlar. Bu durumda, tozun akıcılığı için zararlı olduklarından, 10 ya da 20 mikronun altındaki toz taneciklerinden kaçınılmalıdır.
  • EBM ve LMD teknolojileri için 50 ve 100 ila 150 μm arasındaki tozlar.

Tane Boyut Dağılımı (PSD), hangi boyuttaki taneciklerin hangi oranlarda mevcut olduğunu gösteren bir indekstir; yani ölçülecek örnek tanecik grubundaki taneciklerin toplam miktarı %100 alınarak, ilgili taneciğin miktarını toplam hacmin yüzdesi olarak gösterir.

Frekans dağımı, ilgili tane boyutu aralıklarında mevcut olan taneciklerin miktarının yüzdesini gösterir; kümülatif dağılım ise belirli bir tane boyutundaki ya da daha küçük taneciklerin miktarının yüzdesini ifade eder. Alternatif olarak, kümülatif dağılım, belirli bir boyutun altındaki taneciklerin miktarının yüzdesini ifade eder.

Dağılım aralığını tanımlamak için yaygın bir yaklaşım, x-eksenindeki üç değere işaret etmektir (hacim %):

  • D10; yani popülasyonun yüzde 10’unun D10’un altında olduğu boyut
  • D50 ya da orta; yani popülasyonun yüzde 50’sinin D50’nin altında olduğu boyut
  • D90; yani popülasyonun yüzde 90’ının D90’ın altında olduğu boyut
10-50 mikronluk bir toz için bir PSD eğrisi üzerindeki D10, D50 ve D90 örnekleri

10-50 mikronluk bir toz için bir PSD eğrisi üzerindeki D10, D50 ve D90 örnekleri

Toz örnekleme, toz ayrımı nedeniyle de önemli bir husustur (geçerli standart ASTM B215)

Tane boyut dağılımı ölçümü için olağan yöntemler ve standartlar şunlardır:

  • ISO 4497 Metalik Tozlar, Kuru Eleme ile Tane Boyutu Belirleme (ya da ASTM B214 Metal Tozlarının Eleme Analizi için Test Yöntemi)
  • ISO 13320 Tane Boyut Analizi – Lazer Kırılımı Yöntemleri (ya da ASTM B822 Işık Saçılımı ile Metal Tozlarının ve İlgili Bileşenlerin Tane Boyut Dağılımı için Test Yöntemi).

PSD sonuçlarının, özellikle toz morfolojilerine dayalı olarak farklı sonuçlar verebilecek olan seçilen test yöntemlerine bağlı olacağına dikkat edilmelidir.

In718 tozları için lazer kırılımı ile PSD eğrisinin örneği

In718 tozları için lazer kırılımı ile PSD eğrisinin örneği (Fraunhofer IFAM’ın izniyle)

Tane boyut dağılımı, aşağıdakiler gibi birçok hususu etkileyebileceğinden eklemeli imalatte önemli bir noktadır:

  • Tozun akıcılığı ve eşit olarak yayılma kabiliyeti
  • Toz yatak yoğunluğu
  • Toz tanelerini eritmek için gerekli enerji girişi
  • Yüzey pürüzlülüğü
  • Vb.
Ortalama tane boyutunun bir fonksiyonu olarak enerji girişi ve toz yoğunluğu

Ortalama tane boyutunun bir fonksiyonu olarak enerji girişi ve toz yoğunluğu (Fraunhofer IFAM’ın izniyle)

3.3.3 Toz morfolojisi

Eklemeli üretim için önerilen tanecik morfolojisi küre biçimlidir, çünkü bu biçim tozun akıcılığı için faydalıdır ve aynı zamanda toz yatak sistemlerinde düzgün toz katmanları oluşmasına da yardımcı olur.

Toz morfolojisi, SEM (Taramalı Elektron Mikroskobu) ile gözlemlenebilir. Kontrol edilmesi ve en aza indirilmesi gereken tipik kusurlar şunlardır:

  • uzun parçalar gibi düzensiz şekilli tozlar
  • uydular, yani büyük tanelerin yüzeyine yapışmış küçük toz taneleri
  • açık ya da kapalı poroziteye sahip oyuk toz tanecikleri.

Porozite içeriği, ya SEM gözlemi ya da Helyum Piknometrisi ile değerlendirilebilir. Aşırı miktarda büyük gözenekler ya da içine gaz sıkışmış gözenekler, malzeme özelliklerini etkileyebilir.

Geçerli standart: ASTM B923 Helyum ya da Nitrojen Piknometrisi ile Metal Tozu İskelet Yoğunluğu için Test Yöntemi.

Gaz atomizasyonu uygulanmış <20 mikron tozun SEM resmi

Gaz atomizasyonu uygulanmış <20 mikron tozun SEM resmi (Nanoval’ın izniyle)

3.3.4 Tozların diğer fiziksel özellikleri

Eklemeli üretim ekipmanında kullanılan metal tozları için reolojik özellikler, hem tozun toz kabından çalışma alanına taşınması hem de toz yatak sistemleri söz konusuysa düzgün toz katmanları oluşturulması açısından çok önemlidir.

Reoloji karmaşık bir konudur ama bazı standart test yöntemleri mevcuttur; ancak bu yöntemler eklemeli imalat sistemlerine özgü tanecik boyutları için her zaman tam olarak uygun değildir:

  • Yoğunluk (görünür ya da sıkıştırılmış yoğunluk)
  • Akış hızı
  • Doğal kayma açısı
  • Vb.

Geçerli standartlar:

  • ISO 3923, Metalik tozlar — Görünür yoğunluğun belirlenmesi ya da ASTM B212 Hall Akış Ölçer Huni Kullanılarak Serbest Akışlı Metal Tozlarının Görünür Yoğunluğu için Test Yöntemi
  • ISO 3953, Metalik tozlar — Sıkıştırılmış yoğunluğun belirlenmesi ya da ASTM B527 Metalik Tozların ve Bileşenlerin Sıkıştırılmış Yoğunluğunun Belirlenmesi için Test Yöntemi
  • ASTM B213 Hall Akış Ölçer Huni Kullanılarak Metal Tozlarının Akış Hızı için Test Yöntemi
  • ISO 4324, Tozlar ve granüller — Doğal kayma açısının ölçümü

3.3.5 Tozların diğer özellikleri

  • Toz depolama, kullanım ve yaşlanma. Neredeyse tüm alaşımlar için koruyucu gaz, higrometrinin ve sıcaklığın kontrolü önem taşımaktadır ve şiddetle önerilmektedir.
  • Tozun tekrar kullanılabilirliği; yani eklemeli imalat döngülerinden sonra kullanılmamış tozların yeniden kullanımına ilişkin koşulların tanımlanması (topakların elenmesi, kontrol, tekrar kullanım sayısı, vb.)
  • Sağlık, güvenlik ve çevre konuları

3.4 Alaşım ve malzeme özellikleri

3.4.1 Giriş

Eklemeli üretim süreçleri ile elde edilen malzeme özellikleri, küçük ergitme havuzu ve hızlı sertleşme nedeniyle bu teknolojilere özgüdür.

Eklemeli üretim yoluyla üretilen parçaların mekanik özellikleri genellikle:

  • hassas döküm prosesi ile elde edilen özelliklerden üstündür
  • konvansiyonel döküm parçalardan daha düşük ve bazen bu parçalara yakın niteliktedir.
Toz yatak eklemeli imalat teknolojileri ile üretilmiş farklı malzemeler için Sertlik ve Akma Mukavemeti

Toz yatak eklemeli imalat teknolojileri ile üretilmiş farklı malzemeler için Sertlik ve Akma Mukavemeti (Fraunhofer IFAM’ın izniyle)

Eklemeli üretim yoluyla üretilen malzemelerin temel özellikleri şunlardır:

  • Çok hızlı sertleşme süreci nedeniyle hassas mikro-yapı
  • Katmanların üst üste binmesi nedeniyle biraz daha düşük mekanik özelliklere neden olan, Z yönünde hafif bir anizotropi. Anizotropi, bir uyarlanmış lazer stratejisi kullanılarak X ve Y yönlerinde önlenebilir.
  • Özellikle yüzeyin altında az sayıda küçük artık porozite. Bununla birlikte, eklemeli imalat prosesleri ile %99,9’luk yoğunluklara yaygın bir biçimde erişilmektedir. Tam yoğunluk elde etmek için, hassas döküm ile üretilen parçaları için olduğu gibi HIP ile son işlem uygulanabilir.

[Lazer ışınlı ergitme ile üretilmiş malzemenin mikro-yapısı]

[SLM ve LMD ile üretilmiş çeşitli Ni esaslı malzemeler için Akma Dayanımı (Fraunhofer IFAM’ın izniyle)]

[SLM, SLM+HIP ve dövme ile üretilmiş Ti6Al4V malzemeler için mekanik özellikler (Fraunhofer IFAM’ın izniyle)]

3.4.2 Eklemeli üretim prosesleri ile elde edilmiş malzemelerdeki spesifik kusurlar

Yanlış proses parametreleri, yapım stratejisi, parça yönü ya da yetersiz toz kalitesi durumunda, bazı tipik kusurlar gözlemlenebilir:

  • Erimemiş toz tanecikleri
  • Füzyon eksiklikleri
  • Gözenekler
  • Çatlaklar
  • Kalıntılar
  • Artık gerilmeler
  • Kötü yüzey pürüzlülüğü.
SLM teknolojisi ile üretilen parçalarda bulunabilecek ve kaçınılması gereken hatalar

SLM teknolojisi ile üretilen parçalarda bulunabilecek ve kaçınılması gereken hatalar (IK4 Lortek’in izniyle)

3.4.3 Malzeme özelliklerini iyileştirmek için proses parametreleri nasıl optimize edilebilir?

Parametrelerin optimizasyonu, hem parçanın içi hem de – alt-yüzeyde minimize edilmiş kusurlar ile düşük pürüzlülük arasında iyi bir dengenin istendiği – kenarlar için gerçekleştirilmelidir.

Parametreleri optimize etmek için küpler gibi basit geometrilerin üretilmesi yaygın bir uygulamadır; bu işlemde güç sabit tutulur ve tarama hızı belirli bir katman kalınlığı ve çizgi aralığı için her bir küpte değiştirilir. Bu sayede, her bir küp farklı bir enerji yoğunluğu ile üretilir. Ardından, doğru enerji yoğunluğu penceresini ve ilgili parametreleri tanımlamak amacıyla, iç yoğunluk, alt-yüzey yoğunluğu ve pürüzlülüğün belirlenmesiyle küplerin nitelikleri saptanır.

Test küpleri

Test küpleri (IK4 Lortek’in izniyle)

26-2

H13 çelik için farklı lazer parametrelerinin kullanıldığı aşağıdaki örnek, en düşük enerji yoğunluklarında füzyon eksiklikler ve gözenekler oluştuğunu göstermektedir.

Enerji yoğunluğu arttırılırken, porozite miktarı da önemli ölçüde arttırılır. En yüksek yoğunluğu sağlamak için gerekli optimum enerji yoğunluğu, 78 J/mm3 civarındadır.

H13'ün nispi yoğunluğunun enerji yoğunluğu ile değişimi ve elde edilen mikrograflar

H13’ün nispi yoğunluğunun enerji yoğunluğu ile değişimi ve elde edilen mikrograflar (IK4 Lortek’in izniyle)

Ti6Al4V için bir SLM makinesinde lazer parametrelerine sahip aşağıdaki ikinci örnek, bunları hem iç kısım hem de kenarlar için optimize etmek amacıyla gerçekleştirilmiştir.

Burada, 40 J/mm3 enerji yoğunluğu aşıldığında hem iç kısım hem de kenarlar neredeyse tamamen kusursuzdur.
Buna ek olarak, enerji yoğunluğu ile birlikte sadece gözeneklerin sayısı değişmez, kusurların morfolojisi de farklıdır.

Tarama hızının yüksek olduğu düşük enerji yoğunluklarında, parçacıkların – kusurlu bir toz birikimine neden olan – kısmi erimesi nedeniyle, örneklerde büyük (> 100 μm) ve düzensiz kusurlar bulunmuştur.

Düşük tarama hızlarına sahip yüksek enerji yoğunluklarında, eriyik havuzunda sıkışan gazlar nedeniyle gözenekler küre biçimli ve küçüktür (<100 μm).

Ti6Al4V için optimizasyon prosesinde uygulanan enerji yoğunluğuna karşılık nispi yoğunluk ve bir SLM makinesinde küplerin iç tarafı için elde edilen mikrograflar

Ti6Al4V için optimizasyon prosesinde uygulanan enerji yoğunluğuna karşılık nispi yoğunluk ve bir SLM makinesinde küplerin iç tarafı için elde edilen mikrograflar (IK4 Lortek’in izniyle)

Kusur ve malzeme yoğunluğu analizleri, pürüzlülük ölçümleri ile tamamlanmıştır. Daha iyi yüzey kalitesi sağlayan en düşük pürüzlülük değerleri (~10-12 μm), düşük enerji yoğunluklarında (< 30 J/mm3) elde edilmiştir. Ancak bu koşullarda, alt-yüzey porozitesi çok yüksektir. Enerji yoğunluğu hafifçe arttırılarak 30 J/mm3’e kadar çıkarıldığında pürüzlülük hala düşüktür ve alt-yüzeydeki gözenekler önemli ölçüde azalmıştır.

Yüksek enerji yoğunluklarında, yüzeyin yakınındaki gözeneklerin sayısı asgari düzeyde olmakla birlikte, pürüzlülük kötüleşmektedir.
Bu örnekten, %99,7-99,9 nispi yoğunluğa sahip parçalar elde etmek için 40 J/mm3’ten daha iyi enerji yoğunluklarının gerekli olduğu, hem daha iyi yüzey kalitesi hem de kenarlarda asgari kusur elde etmek için 30 J/mm3’lük bir enerji yoğunluğunun yeterli olduğu sonucu çıkarılabilir.

Farklı enerji yoğunlukları için Ti6Al4V küplerin kenarlarının görünümü

Farklı enerji yoğunlukları için Ti6Al4V küplerin kenarlarının görünümü (IK4 Lortek’in izniyle)

[Appearance of borders of the Ti6Al4V cubes for different energy densities (Courtesy of IK4 Lortek)]