WELDABILITY Ti6Al4V ALLOYS COUPLES BY PTA METHOD

Transkript

1 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye Ti6Al4V ALAŞIM ÇİFTİNİN PTA YÖNTEMİYLE KAYNAK EDİLEBİLİRLİLİĞİ WELDABILITY Ti6Al4V ALLOYS COUPLES BY PTA METHOD Ali Kaya GÜR a, * Mustafa TAŞKIN a, Ayhan ORHAN a, Uğur ÇALIGÜLÜ a ve Halil DİKBAŞ a Fırat Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Metal Eğitimi Bölümü ELAZIĞ/TÜRKİYE, akgur@firat.edu.tr, * mtaskin@firat.edu.tr, ayorhan@firat.edu.tr, ucaligulu@firat.edu.tr, hdikbas@firat.edu.tr Özet Bu çalışmada; Plazma Tungsten Ark (PTA) kaynak yöntemiyle Ti6Al4V alaşım çifti kaynak edilmiştir. İşlem sabit ilerleme hızı ve farklı amperlerde yapılmıştır. işleminden sonra kaynak metali hem makroskobik ve hem de mikroskobik olarak incelenmiştir. metalinden sertlik ölçülmüş ve max. 151 HV mikrosertlik elde edilmiştir. metalinin XRD analizleri yapılmış ve Al 2O 3 ile Al 3V fazları görülmüştür. Ti6Al4V çifti kaynak metalinde herhangi bir makro ya da mikro çatlağa rastlanmamıştır. htar Kelimeler: Plazma Tungsten Ark Kaynağı (PTA), Ti6Al4V, Ergitme Kaynağı Abstract In this study; Ti6Al4V allyos cuples were welded by Plazma Tungsten Ark (PTA) weld method. Welding were performed with different amperes and constant welding speeds. After welding, weld metal was examined both macroscopically and microscopically. Hardness maximum microhardness of 151 HV was measured in the weld metals. XRD analiysees were done in weld metals, and Al 2O 3 and Al 3V. No micro and macro crack were observed in the joints. Keywords: Plasma Tungsten Arc Welding (PTAW), Ti6Al4V, fusion welding 1.Giriş Titanyum ve titanyum alaşımları düşük yoğunlukları, yüksek sıcaklıklardaki mükemmel mekanik özellikleri ve yüksek korozyon dayanımlarından dolayı, elektrik enerjisi endüstrisi, nükleer enerji, petrokimya, otomotiv, uzay araçları ve medikal endüstride oldukça fazla uygulama alanına sahiptirler.ti6al4v alaşımları uzay araçları endüstrisinde çok geniş bir kullanım alanına sahiptirler[1,3]. A.B.D. dünyada üretilen toplam Ti alaşımlarının yarısını kullanmaktadır[4,5]. Ti6Al4V alaşımları yüksek sürünme ve gerilme dayanımları gerektiren, genellikle jet motorlarında kompresörlerin soğutucu parçaları, disk ve fan kanatlarında kullanılmaktadır[6,7]. Ayrıca uzay araçlarının yüksek gerilmelere maruz kalan iniş takımları, kanat, uçak şasisi gibi kritik parçalarında Ti6Al4V alaşımı tercih edilmektedir[8,9]. Ti-6Al-4V alaşımı α ve β fazı olarak ikiye ayrılır. Mikroyapılarda görülen α-fazı genellikle yapının % ını oluşturur. α fazı hexagonal sıkı paketli kristal yapıdaki saf titanyumu karakterize eder ve 882 C derece sıcaklıkta erir. β fazı kübik hacim merkezli yapıya sahip saf titanyumdur ve 1671 C derece sıcaklıkta erir [10]. Titanyuma alaşım elementlerinin eklenmesiyle mekanik ve fiziksel özellikleri iyileşir. Bunlar içerisinde özellikle Alüminyum, α fazına eğilimlidir ve bu alaşımın ergime derecesini β fazına doğru yükseltir. Bu sıcaklık β geçiş sıcaklığı olarak bilinir. Alaşıma, Cr, Cu, Fe, Mn, Mo ve V gibi kararlı β fazlı elementler ilave edilince yapı β dan α nın ergime derecesine iner. Mikro yapı eş eksenli tane ya da β matris içinde uzun α taneleri şeklinde olur [11]. Plazma tungsten ark kaynağında, torcla elektrodun etrafından gelen argon gazı tungsten elektrod ve nozul arasındaki pilot ark sayesinde iyonize olmaktadır. Böylece iletken hale gelen plazma gazı nozulun dar uç kısmından geçerek dar bir sütun halinde parçaya iletilmektedir. Koruyucu gaz ise nozulun dış çevresinden kaynak bölgesine iletilerek kaynak banyosunu korumaktadır. Soğutma sisteminden gelen soğutucu sıvı ise özel kanallardan geçerek torca gitmekte ve buradaki ısıyı alarak, tekrar soğutucuda, kapalı devre, soğutmaktadır[12]. Ark kararlılığı ve akım şiddeti yüksek olduğundan daha nüfuziyetli kaynak dikişleri oluşturulur ve kullanım sırasında ark rahat kontrol altında tutulabilir, aynı zamanda kaynak süresi de azaltılır[13]. Tablo 1 de α fazlı Ti6Al4V alaşımının kombinizasyonu verilmiştir [11]. Tablo1. α fazlı Ti-6Al-4V alaşımı Element % Oranı C Fe 0.25 N O2 0.2 Al 5.5 V 3.5 H Ti Diğer Bu çalışmada, PTA kaynak yöntemiyle Ti-6Al-4V alaşımı çifti iki farklı amperde ve sabit 0.15 mm kaynak ilerleme hızında birleştirilmiştir. 2.Deneysel Çalışmalar Bu çalışmada 80x40x1,5 mm ölçülerinde Ti-6Al-4V alaşımı kullanıldı. IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye

2 PTA yöntemiyle kaynatılacak Ti6Al4V alaşım çiftlerinin kaynakla birleştirilecek yüzeyleri birbirine paralel olacak şekilde kesildi. Yüzeyde kalıntı çapakların kalmaması için numunelerin yan yüzeyleri soğutma sıvılı taşlama tezgâhında taşlanarak temizlendi. Şekil 1 de PTA kaynak işleminin şematik resmi, Şekil 2 de PTA kaynağı yapılmış numunelerin makro görüntüleri görülmektedir. PTA kaynak işleminde N 1 ve N 2 numunesine uygulanan kaynak parametreleri Tablo.2 de verilmiştir. ITAB Şekil.2. PTA Dikişlerinin Makro Görüntüsü Şekil.1. Plazma Tungsten Ark (PTA) İşleminin Şematik Görüntüsü Tablo 2. PTA Parametreleri Parametreler N 1 N 2 Akım (A) I Gerilim(V) A Koruyucu Gaz (m3/h) Ar 30 Plazma Gazı (m3/ h) Ar Elektrot Çapı (mm) Torç ile Arası Mesafe (mm) İlerleme Hızı (m/dak) V Torç Uç Çapı (mm) 0,5 4, ,25 *Isı Girdisi (KJ) 0,024 0,031 {* Isı Girdisi Q= U.A.60 / 1000.V = KJ [12]. } bölgesinin genel görünümü Şekil 2 de verilmiştir. Birleşmenin başlangıç ve sonunda krater olmasına karşın, genel olarak dikişin homojen ve düzgün bir geometriye sahip olduğu görülmektedir. lı bağlantının ITAB nın çok dar bir alanda oluştuğu görülmektedir. Şekil.3. Kesitinin Geometrik Karakterizasyonu kesiti dört geometrik parametre kullanılarak karakterize edilir. Bunların birincisi ısı etkisi altında kalan bölgeyi de gösteren h 1, kaynak dikişinin nüfuziyet derinliğini gösteren h 2, kot farkının altında oluşan kaynak çukurunu gösteren h 3, kaynak dikişi havuzunu genişliğini gösteren h 4 ve h 5 dikişin nüfuziyet tir. Bu geometrik parametreler Şekil 3 de görülmektedir[1]. 2.1.Metalografik İşlemler Metalografik incelemelerde kullanılacak numuneler Ti6Al4V alaşımı kaynak bölgesinden kesilip standart metalografik parlatma işlemlerinden sonra 50 ml H 2O + 40 ml HNO ml HF dağlayıcısında 3 5 dak. süreyle dağlanmıştır XRD lizleri Deneyde kullanılan Ti-6Al-4V alaşımının PTA kaynak işleminden sonra kaynak dikişine XRD analizi yapılmıştır. XRD analizi (X - Ray Diffraction) analizleri bakır α ışını tüpüne sahip cihazda 1,5406 Å dalga boyunda 2 θ açısında, 40 kv ve 40 ma de Cu-Kα radyasyonu kullanılarak elde edilmiştir Mikrosertlik İncelemeleri Mikrosertlik değerleri Şekil 6 da ki çizgi doğrultusunda HV sertlik skalası kullanılarak, 0.5 mm aralıklarla 10 sn bekleme süresinde ve 5 gr yük ile Future-Tech FM 700 marka mikrosertlik cihazıyla yapılmıştır.

3 3. Tartışma 3.1. Mikroyapı İncelemeleri Şekil 4 te N1 ve N 2 numunesinden alınmış, optik mikroskop görüntüleri verilmiştir. Birleştirme sonrasında kaynak yapılmış numunelerde ITAB belirgin bir şekilde görülmektedir. Özellikle kısmen erimiş bölgeden iri taneli bölgeye geçisin çok belirgin olduğu tespit edilmiştir. ITAB da ince taneli bölge ve ısıdan etkilenmemiş bölgelerde açık bir şekilde görülmektedir. N1 ve N 2 numuneleri aynı özelliklere sahip olduğu için mikroyapıları arasında bir fark görülmemektedir. d Kısmen Erimiş Bölge a İnce Taneli Yapı e α titanyum (Beyaz) α titanyum (Beyaz) β titanyum (Siyah) Geçiş Ara Bölgesi b Β titanyum (Siyah) İkizleme f c Şekil.4. N 1 ve N 2 Numunesinden Alınmış Optik Resimler (a. N 1, b. N 1, c. N 1, d. N 1, e. N 2, f. N 2) Şekil 5 te N 1 ve N 2 numunesinden alınmış SEM görüntüleri verilmiştir. Şekil 5. de PTA kaynakları sonrasında ergime bölgesi görülmektedir. Ergime bölgesinde katılaşmanın ana malzemeye dik yönde dentritik şekilde meydana geldiği görülmektedir.

4 3.2. XRD lizleri XRD analizleri sonucu elde edilen XRD grafiği Şekil 6 da, fazlar ve kristal sisteminde ki birim hücre parametreleri Tablo 3 de verilmiştir. N 1 Şekil.5. XRD lizleri Grafiği Tablo 3 de de görüldüğü gibi kaynak dikişinde hexagonal Ti, kübik Al, hexagonal Al 2O 3, tetragonal Al 3V kristal sistemleri oluşmuştur. Yapıların α, β ve γ açıları Tablo 3 de verilmiştir Mikrosertlik Değerleri N 2 Elde edilen veriler Şekil 6 da grafik halinde verilmiştir. Şekil 6 da ki mikrosertlik değerleri incelendiğinde mikrosertlik değerleri ana malzeme yüzeyinde HV den, ITAB da HV ye, N 2 numunesinin mikrosertlik değeri kaynak dikişinin merkezinde 166 HV e, N 1 numunesinin mikrosertlik değeri kaynak dikişinin merkezinde 163 HV e çıkmıştır. Sertlik deneyi sonuçlarına bakıldığında her iki ana metal tarafında sertlik değerlerinin birbirine yakın olduğu Şekil 6 da açıkça görülmektedir. Fakat kaynak arakesitinde sertlikteki artış göze çarpmaktadır. Bu yükselmenin sebebinin, XRD sonuçları incelendiğinde de görüleceği gibi kaynak arakesitinde oluşan sert fazlar olduğu düşünülmektedir. Şekil.5. N 1 ve N 2 Numunesinden Alınmış SEM Resimleri

5 Bileşiğin Tablo.3. XRD lizleri Bileşikleri ve Birim Hücre Parametreleri Kristal Sistemi Birim Kafes Parametreleri lar Bravais Örgüsü Z * İsmi Kapalı Formül a b c Alfa α Beta β Gama γ Titanyum Ti Hegzagonal Basit 2 Aluminyum Al Kubik Yüzey 4 Merkezli Kround Al 2 O 3 Hegzagonal Basit 6 Aluminyum Vanadyum Al 3 V Tetragonal Hacim Merkezli 2. 3.Sonuçlar Şekil.6. Sertlik Ölçümü Yapılan Bölgeler ve Mikrosertlik Değerleri Ti-6Al-4V alaşım çifti PTA kaynağıyla Ar atmosferinde sıvı faz kaynağıyla birleştirilmiştir. dikişinde mikro yada makro çatlağa rastlanmamıştır. Mikrosertlik değerleri ITAB dan kaynak dikişine doğru artmaktadır, sertlik ısı girişine paralel bir şekilde artış göstermiştir. dikinde hexagonal Ti, kübik Al, hexagonal Al 2 O 3, Tetragonal Al 3 V fazları oluşmuştur. dikişinin karekterizasyonu yapılmış ve N 1 numunesinde h 1: 8.4 mm, h 2 : 1.4 mm, h 3 : 0.1 mm, h 4 : 5.7 mm,, h 5: 2.1 mm ; N 2 numunesinde h 1: 8.5 mm, h 2: 1.4 mm, h 3 : 0.1 mm, h 4 : 5.8 mm, h 5: 2.2 mm çıkmıştır. [1] Akman, E., Demir, A., Canel, E., Sınmazçelik,T., 2008, Laser welding of Ti6Al4V titanium alloys, Journal of Materials Processing Technology. Protec:12338, No.of Pages 9 [2] Ding R., Gou Z.X. Wilson A. 2002, Microstructual evolution of a Ti6Al4V alloy during thermochemnical prısesing, J.Materials Science and Enginering A, 327: [3] J.C.Ion, 2005, Laser Processing of Engineering Materials: Principles, Procedure And Industrial Application, Elsevier, Oxford. [4] Titanium Alloys Ti6Al4V Grade5, [5] I.J.Polmear, 1981, Light Alloys Metallurgy of the Light Metals, Edward Arnold (Publishers) Ltd. [6] E.W.Collings, 1984, The Physical Metallurgy of Titanium Alloys, American Society for Metals. [7] HAN Ming-chen. Thermohydrogen treatment of titanium alloys [J]. Aerospace Materials and Technology, 1999(1): [8] Applications for Titanium alloys, International Titanium Association, 2003, [9] Sui Him M.,Guijun B., Janet F., Ian P.,DepositionofTi 6Al 4V using a high power diode laser and wire,parti:investigation on the process characteristics, Surface Coatings Technology,202, (2008) [10] [11] Modgil A., 2003, Effect of High Speed Maching on Surfacee Topography of Titanium Alloy (Ti6Al4V) A Thesis Presented to the Graduate School of the University of Florida in Pratial Fulfillment of the Requirements fort he Degree of Master of Science, University of Florida [12] [13] Kaluç, E., Taban, E. 2004, Plazma Arkı ile ve Endüstriyel Uygulamaları MakinaTeknolojileri, Sayı 84.