IV. ULUSAL HAVACILIK VE UZAY KONFERANSI 12-14 Eylül 2012, Hava Harp Okulu, İstanbul AŞINDIRICI PARTİKÜL KARIŞIMLARININ Ti6Al4V ALAŞIMININ KATI PARTİKÜL EROZYON DAVRANIŞINA ETKİLERİ Alp Eren Şahin *, Yasemin Yıldıran, Sinan Fidan, Egemen Avcu, Tamer Sınmazçelik ** Kocaeli Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, İzmit / Kocaeli Kocaeli Üniversitesi Sivil Havacılık Yüksek Okulu, Arslanbey / Kocaeli ÖZET Bu çalışmada Ti6Al4V alaşımının katı partikül erozyonu direncinin partikül çarpma açısı, püskürtme basıncı, partikül boyutu ve partikül karışımlarına bağlı olarak değişiminin incelenmesi amaçlanmıştır. Deneysel çalışmaları ilk aşamasında Ti6Al4V alaşımı farklı partikül çarpma açıları ve püskürtme basınçlarında aşındırılmıştır. Ti6Al4V alaşımı 30 partikül çarpma açısı ve 4 bar püskürtme basıncında sünek bir aşınma davranışı göstererek maksimum miktarda aşınmıştır. Deneysel çalışmaların ikinci aşamasında bu veriler kullanılarak Ti6Al4V alaşımının erozyon direnci maksimum miktarda aşınmanın gerçekleştiği partikül çarpma açısı ve püskürtme basıncında 60, 80 ve 120 mesh boyutlarında alumina partiküllerinin birbirleri içerisinde farklı oranlarda karıştırılması ile hazırlanan partikül karışımları kullanılarak test edilmiştir. Bu karışımlar ile gerçekleştirilen deneyler sonrasında aşındırıcı partikül karışımlarının katı partikül erozyonu üzerindeki etkinliği araştırılmış ve literatürde bu konu ile ilgili boşluk doldurulmaya çalışılmıştır. Deneysel sonuçlar Ti6Al4V alaşımının aynı boyutta aşındırıcılar ile aşındırılması durumunda elde edilen erozyon oranı değerlerinin karışımların meydana getirdiği erozyon oranlarından daha yüksek olduğunu göstermiştir. Diğer yandan aynı boyutta aşındırıcılar ile gerçekleştirilen deneylerin sonuçları karşılaştırıldığında partikül boyutunun küçülmesi ile erozyon oranının arttığı ve malzemenin daha fazla aşındığı belirlenmiştir. Son olarak aşındırılan Ti6Al4V numunelerin yüzeyleri taramalı elektron mikroskopu (SEM) ile incelenmiştir. SEM incelemelerinde partikül çarpma açısı, püskürtme basıncı, partikül boyutu ve partikül karışımlarının malzeme yüzeyinden meydana getirdiği mikrosünme, mikrokesme, mikro çatlama ve plastik deformasyon gibi erozif aşınma mekanizmalarının bu parametreler bağlı olarak değişimi irdelenmiştir. Anahtar Kelimeler: Katı Partikül Erozyonu, Partikül Karışımları, Ti6Al4V, Yüzey Morfolojisi 1. GİRİŞ Bir sıvı ya da gaz akımı tarafından taşınan farklı geometrik boyut ve yapıdaki taneciklerin, temasta bulundukları katı yüzeylerinde sürekli darbe etkisi yaparak oluşturdukları hasar erozyon aşınması olarak tariflenmektedir. Uzay ve havacılık uygulamalarında, enerji dönüşüm sistemlerinde, jet motorlarında, helikopter rotor kanatlarında, türbinlerde ve kömür dönüştürme santrallerinde vb. bu aşınma tipini yoğun olarak görmek mümkündür. Aşındırıcı partiküller hareketli kanatlara, valf deliklerine, boru bağlantılarına, boru dirseklerine ve diğer yüzeylere çarparak şiddetli aşınmalar * Arş. Gör., Makine Müh. Böl., E-posta: alperensahin88@gmail.com Arş. Gör., Makine Müh. Böl., E-posta: yaseminyildiran89@hotmail.com Yrd. Doç Dr, Sivil Havacılık Meslek Okulu, E-posta: sinan_fidan@hotmail.com Arş. Gör., Makine Müh. Böl., E-posta: avcuegemen@gmail.com ** Prof. Dr., Makine Müh. Böl.,E-posta: tamersc@yahoo.com
meydana getirmektedir. Üstün mekanik ve termal özellikleri nedeni ile uçak kompresörlerinin disk ve kanatlarında, helikopter rotor kanatlarında, atık su sistemlerinde kullanılan vana, boru hatları ve santrifüjlü pompa imalatında Ti6Al4V alaşımının kullanımı tercih edilmektedir[1-3, 6, 7, 10]. Bu uygulama alanlarında Ti6Al4V alaşımı katı partikül erozyonuna maruz kalmakta ve hasara uğramaktadır. Diğer tribolojik sistemlerde olduğu gibi katı partikül erozyonu da bir çok değişik parametreye bağlıdır. Bu parametreler; deneysel parametreler (çarpma açısı ve kütlesel debi, vb.), aşındırıcı malzemeye bağlı parametreler (şekil, sertlik, boyut, cins, vb.), hedef malzemeye bağlı parametreler ( sertlik, dayanaklılık, elastisite modülü, kırılma davranışı, vb.), ortam ve test koşulları (sıcaklık, aşındırıcı malzeme ile hedef malzeme arasında kimyasal etkileşim, vb.) [2, 4, 5, 8, 9]. Bu nedenle, bu çalışmada Ti6Al4V alaşımının farklı parametreler (açı, basınç,boyut ve partikül karışımları) altında katı partikül erezyonu incelenmiştir. 2. MALZEME VE YÖNTEM 2.1. Hedef Malzeme Katı partikül erozyonu davranışlarını incelemek amacıyla sünek Ti6Al4V numuneler hedef malzeme olarak seçilmiştir. Ti6AL4V un XRF (X-Işını Floresan Spektrometre) ile alınan elementsel analizi verilmiştir. Tablo 1: Çalışmalarda kullanılan titanyum alaşımının (Ti6Al4V) elementsel analizi % Ağırlık Oranı Element Al Fe S Si Ti V 5,629 0,089 0,006 0,052 91,455 2,769 Tablo 4.4 te deneysel çalışmalarda kullanılan alüminyum oksit aşındırıcıların partikül boyutları verilmiştir. Çalışma kapsamında katı partikül erozyonu testleri gerçekleştirilirken üç farklı boyuttaki (60 mesh, 80 mesh, 120 mesh) aluminyum oksit aşındırıcılar farklı konsantrasyonlarda karıştırılarak hedef malzemelere gönderilmişlerdir. Deneysel çalışmalarda kullanılan aşındırıcı partikül karışımlarının konsantrasyonları Tablo 4.5 te verilmiştir. Tablo 2: Deneysel çalışmalarda kullanılan aşındırıcı partiküllerin kodları ve boyutları Aşındırıcı Partikül Adı Beyaz Alüminyum Oksit F 60 Beyaz Alüminyum Oksit F 80 Beyaz Alüminyum Oksit F 120 Aşındırıcı Tane Büyüklüğü 212-300 µm 150-212 µm 90-125 µm Tablo 3: Deneylerde kullanılan 9 farklı aşındırıcı partikül karışımı konsantrasyonu No Karışım içeriği (ağırlıkça %) No Karışım içeriği (ağırlıkça %) No Karışım içeriği (ağırlıkça %) 60 mesh 120 mesh 60 mesh 80 mesh 80 mesh 120 mesh 1 75 25 4 75 25 7 75 25 2 50 50 5 50 50 8 50 50 3 25 75 6 25 75 9 25 75 Şekil 1: Beyaz alüminyum oksit (60 mesh) SEM fotoğrafları Kullanılan alüminyum oksit partiküllerden 60 mesh boyuta sahip alüminyum oksit partiküllerin taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri ve karışımlarından 60-120 mesh boyutlu 2
partiküllerin karışımına ait SEM görüntüleri Şekil 4.5 de verilmiştir. Kumlama işlemleri özel olarak tasarlanan aşağıda şekil 4.11 de gösterilen kumlama düzeneği ile gerçekleştirilmiştir. 3. Deneysel Sonuçlar ve Tartışma Şekil 2: Katı partikül erozyonu test düzeneği Deneysel çalışmalar sonucunda Ti6Al4V alaşımının sünek davranış sergileyerek 30 çarpma açısında maksimum aşınma sergilediği gözlenmiştir. Ayrıca artan basınç ile paralel olarak erozyon oranının arttığı görülmüştür. Şekil 3 te yer alan 60 mesh boyutunda aşındırıcı ile elde edilen grafikte bu ilişki verilmiştir. Bu doğrultuda maksimum erozyon oranının 30 çarpma açısında ve 4 bar püskürtme basıncında meydana geldiği tespit edilmiştir. Çalışmanın devamında ise katı partikül erozyonuna partikül karışımlarının etkisini irdelemek amacı ile hedef malzeme maksimum erozyon oranının meydana geldiği 30 çarpma açısında ve 4 bar püskürtme basıncında incelenmiştir. Şekil 3 : Partikül püskürtme basıncı ve partikül çarpma açısının etkisi Şekil 4 te farklı boyutlardaki partikül karışımlarının meydana getirdiği erozyon oranları görülmektedir. Grafikler incelendiğinde tek tip partikül ile meydana gelen erozyon oranları karışımların meydana getirdiği erozyon oranlarından daha yüksektir. Buna ek olarak tek tip partiküllerin meydana getirdiği erozyon oranları karşılaştırıldığında, partikül boyutu küçüldükçe meydana gelen erozyon oranı artmaktadır. Şekil 4 incelendiğinde 9 farklı karışıma ait teorik ve deneysel aşınma oranlarının karşılaştırıldığını görebilmekteyiz. Grafikler incelendiğinde rahatlıkla anlaşılabilmektedir ki, karışımların meydana getirmiş olduğu erozyon oranları teorik olarak hesaplanmış erozyon oranlarına kıyasla çok daha düşük tür. Bu durum farklı boyuta sahip partiküllerin, püskürtme sırasında kendi içinde etkileşim içinde olmasına bağlanabilir. Karışımların deneysel sonuçları kendi içerisinde değerlendirildiğinde; karışım içerisinde küçük taneciklerin yani tek başına daha yüksek aşınma meydana getiren boyuttaki taneciklerin oranı arttıkça karışımın meydana getirdiği aşınma oranı da artış sergilemektedir. 3
ŞAHİN, YILDIRAN VE FİDAN Şekil 4: Farklı karışım oranlarında partiküllerin meydana getirdiği erozyon oranları. (a) %75 60 mesh - % 25 120 mesh (b) %50 60 mesh - % 50 120 mesh ( c) % 25 60 mesh - % 75 120 mesh (d) % 100 60 mesh Şekil 5: Farklı karışım oranlarında 60-120 mesh boyutlu partiküller ile aşınmış Ti6Al4V numunelerin (SEM) 4
Şekil 5 te yer alan SEM fotoğrafları incelendiğinde mikro sürme ve mikro kesme aşınma mekanizmalarına ait aşınma izleri görülmektedir. Tek tip aşındırıcı partikül ile aşındırılan numunede bu izlerin yüzeyin tamamına yayıldığı gözlenirken, partikül karışımları ile aşındırılan numunelerde aşınma izlerinin bazı bölgelerle sınırlı kaldığı görülmektedir. 60 meshlik partiküller ile aşındırılan numunenin SEM fotoğrafında görülen aşınma izlerinin, karışımlar ile aşındırılan numunelerin aşınma izlerine göre çok daha derin ve uzun olduğu dikkat çekmektedir. Partikül karışımları daha kısa ve yüzeysel izler meydana getirmiştir. SONUÇLAR: Farklı boyutlarda partiküller ile hazırlanan karışımlar Ti6Al4V malzemeyi karışım içerisindeki partiküllerin tek başlarına kullanılmalarına nazaran daha az aşındırmaktadırlar. Karışım içerisindeki küçük partikül oranının artması ya da diğer bir deyişle karışım içerisinde daha yüksek aşınmaya sebep olan partikül oranının artması karışımın aşınma performansının arttırmaktadır. Deneysel çalışmalar öncesinde hesaplanan teorik aşınma oranları ile deneysel aşınma oranları büyük farklılıklar içermektedir. Tüm karışımlarda ve içeriklerde deneysel aşınma oranı teorik aşınma oranından daha düşüktür. SEM fotoğrafları incelendiğinde karışımların aşındırdığı yüzeylerde yüzey morfolojisinin tek tip aşındırıcıların oluşturduğu yüzey morfolojisinden farklılık gösterdiği görülmüştür. KAYNAKÇA [1] Curkovic, L., Kumic, I. ve Kresimir, G., Solid particle erosion behavior of high purity alumina ceramics, Ceram Int, Vol.37, 29-35, 2011. [2] Sınmazçelik, T. ve Sarı, N., Erodent size effect on the erosion of polyphenylene sulphide composite, Polym Composite, Vol.31, No.6, 1-10, 2009. [3] Harsha, A. P. ve Thakre, A. A., Investigation on solid particle erosion behavior of polyetherimide and its composites, Wear, Vol.262, No7-8, 807-818, 2007. [4] Sınmazçelik, T., Taşkıran, İ., Erosive wear behavior of polyphenylenesulphide (PPS), Mater Design, 2007, Vol.28, No.9, 2471-2477. [5] Sahin, Y. ve Durak, O., Abrasive wear behaviour of austempered ductile iron, Materials & Design, Vol.28, 1844-1850, 2007, [6] Gandhi, B.K.; Borse, S.V. Wear, 257, 73-79, 2004. [7] Tewari, U. S., Harsha, A. M., Hager, A.M. ve Friedrich, K. Solid particle erosion of carbon fibre-and glass fibre-epoxy composites, Wear, Vol.63, No.3-4, 549-557, 2003. [8] Rajesh, J. J., Bijwe, J., Tewari, U. S. ve Vankataraman, B, Erosive wear behavior of various polyamides, Wear, Vol.249, No.8, 702-714, 2001. [9] Bhushan, B., Introduction to Tribology, John Wiley and Sons, New York, 2001 [10] American Society for Metals, Friction, Lubrication and Wear Technology, (ASM handbook), ASM International, 18, 1992. 5