Özet TI-6AL-4V ALAŞIMININ VURUMLU LAZER YÖNTEMIYLE DELINMESINDE GÜÇ YOĞUNLUĞUNUN DELIK KALITESINE ETKISININ ARAŞTIRILMASI Ulaş ÇAYDAŞ a, Mahmut ÇELİK b a Fırat Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü, Elazığ/TÜRKİYE, ucaydas@firat.edu.tr b Fırat Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü, Elazığ/TÜRKİYE, mahmut.celik@firat.edu.tr Titanyum alaşımları, işlenmesi zor malzeme grubu içerisinde yer almaktadır. Bu malzemeler, sahip oldukları düşük yoğunluk ve yüksek korozyon dayanımı gibi özelliklerinden dolayı başta havacılık ve uzay sanayisi olmak üzere endüstrinin birçok alanında yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Özellikle türbin motorlarında kullanılan Ti6Al4V alaşımına geleneksel yöntemlerde soğutma deliklerinin açılması oldukça güçtür. Lazer delme yöntemi, bu alaşımlara hassas deliklerin delinmesi için geliştirilen alternatif ileri imalat yöntemlerinden bir tanesidir. Bu çalışmada, 2 mm kalınlığındaki Ti6Al4V alaşımına vurumlu lazer yöntemi ile farklı enerji seviyelerinde delikler açılmıştır. Deneyler sonrasında, deliklerin lazer giriş ve çıkış yüzeyleri, spatter çapları, spatter kalınlıkları ve eriyik metalin yüzeyi ıslatma açıları taramalı elektron mikroskobu (SEM) yardımıyla incelenmiştir. Çalışmada ayrıca delik kenarından itibaren mikrosertlik taraması yapılmış ve enerji seviyesine bağlı olarak ısıdan etkilenen bölge (IEB) kalınlıkları ölçülmüştür. Sonuç olarak, enerji yoğunluğuna bağlı olarak ölçülen değerlerin arttığı belirlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Lazer delme, Spatter formu, Delik kalitesi INVESTIGATION OF THE EFFECT OF POWER ON THE HOLE QUALITY IN LASER PERCUSSION DRILLING OF TI-6AL-4V ALLOY Abstract Titanium alloys are difficult to cut materials. Due to their low strength to weight ratio and high corrosion resistance, these alloys have been widely used especially in the fields of aerospace industries. It is difficult to machine cooling holes to Ti6Al4V alloy that is especially used in turbine engines with traditional processes. Laser drilling is an alternative advanced machining process to drilling precise holes for these alloys. In this study, Ti6Al4V alloy with 2 mm in thickness was subjected to laser percussion drilling operations at different laser power levels. After experiments, laser entry and exit regions, spatter diameters, spatter thickness and surface wetting angles were measured by using scanning electron microscope (SEM). Furthermore, the heat affected zones (HAZ) were measured by applying microhardness scanning procedure from hole surface to parent materials. Consequently, the measured values were increased with the power level of the laser. Keywords: Laser drilling, Spatter formation, Hole quality 1. GİRİŞ Lazer delme yöntemi, iş parçasına belirli bir mesafede odaklanmış ve yüksek bir enerji yoğunluğuna sahip (10 5 10 7 W/cm 2 ) lazer ışınları yardımıyla yüzeylere delik açan temassız bir imalat yöntemidir. Bu yöntemde, yüzeye uygulanan enerjinin şiddetine de bağlı olarak, iş parçası malzemesi yerel olarak ergitilerek/buharlaştırılarak talaş kaldırılmaktadır. Yöntemde takım aşınması olmadığından, özellikle havacılık ve uzay sanayisinde (türbin motorlarında) soğutma amacıyla kullanılan küçük çaplı çok sayıda deliklerin işlenmesinde bu yöntem tercih edilmektedir [1,2]. Bu avantajlarına karşın, yöntemde ergitilen malzemenin tamamı delme bölgesinden dışarıya tahliye edilememekte ve eriyik malzemenin bir bölümü lazer ışınının girdiği delik etrafında yeniden katılaşmak suretiyle belirli bir alanda yüzeye yapışmaktadır. Bu mekanizmadan dolayı, delik etrafında sıçramış metal alanı oluşmakta ve bu bölgeye spatter adı verilmektedir. Genellikle lazer delme yönteminde spatter oluşumu kaçınılmazdır. Spatter oluşumu, soğutma deliklerinden giren ve çıkan havanın akış karakteristiklerini etkilediğinden, istenmeyen bir durumdur. Spatter formunun delik etrafından kaldırılması için ikinci bir abrasiv bitirme işlemine ihtiyaç duyulmakta; bu da hem delik kalitesi ve orijinal yüzey yapısını bozmakta hem de ilave 472
zaman ve maliyet gerektirmektedir. Dolayısıyla delik etrafında oluşan spatter alanının azaltılması için uygun lazer delme şartlarının belirlenmesi büyük önem arz etmektedir [3]. Lazer delme yönteminde spatter formunu azaltmak veya engellemek amacıyla literatürde çeşitli teknikler kullanılmıştır. Williams [4] delinecek esas malzeme ile lazer ışını arasına ikinci bir metal katman yerleştirerek spatter oluşumunun bu katmanda meydana gelmesini sağlamış ve esas malzemede spatter formunu engellemiştir. Ancak bu uygulama, yüzeyde eğilme/bükülme şeklinde hasarlara neden olduğundan tavsiye edilmemektedir. Low vd. [5] ısıya karşı dayanıklı ve nikel esaslı Nimonik 263 alaşımının Nd:YAG lazeri ile delinmesinde güç yoğunluğu ve vurum genişliğinin spatter formuna olan etkilerini araştırmışlardır. Çalışmada, kısa vurum genişliği, düşük enerji yoğunluğu ve yüksek vurum frekansı değerlerinde daha küçük spatter alanlarının meydana geldiği tespit edilmiştir. Çalışmada ayrıca, spatter alanı ile delik giriş ve çıkış çapları arasındaki ilişki değerlendirilmiştir. Jiao vd. [6] 0.3mm kalınlığındaki Si plakaya femtosaniye (sn- 15 ) lazer delmede spatter formunu ve delik koniklik oranını azaltmak amacıyla farklı özelliklere sahip uçucu sıvı filmler kullanmışlardır. Çalışmada, kaynama sıcaklığı düşük olan sıvı kullanımının spatter ve koniklik açısını azalttığı tespit edilmiştir. Low vd. [7,8] vurumlu lazer delme yöntemiyle nikel esaslı malzemelerin delinmesinde, spatter oluşumunu engellemek amacıyla yüzeye elastik silikon matrisli ve seramik takviyeli bir malzeme kaplamışlardır. Deneylerde 400 W gücünde fiber optik bir Nd: YAG lazeri ve oksijen ve argon yardımcı gazları kullanılmıştır. Spatter formları, X ışınları difraksiyonu (XRD), elektron mikroskobu (SEM) ve yüksek hızlı görüntüleme (high speed imaging) teknikleriyle incelenmiştir. Kaplamalı ve kaplamasız yüzeylerdeki spatter formları karşılaştırılmış ve kullanılan kaplama yardımıyla spatter formunun önemli derecede azatlılığı belirlenmiştir. Orita [9], yüksek kromlu çeliklerin lazer ile delinmesinde, eriyik metalin yüzeye yapışmasını engellemek için kesme bölgesine eşeksenli yüksek basınca sahip Na 2 CO 3 ve NaHCO 3 jetleri uygulamıştır. Sharp vd. [10] titanyum malzemesine lazer yöntemiyle kör delik delinmesi işleminde spatter formunu engellemek amacıyla, işlenen yüzeyin gerilmesini azaltan etken bir sıvı kullanarak, eriyik metalin yüzeye yapışmasını engellemişlerdir. Konuyla ilgili yapılan çalışmalar değerlendirildiğinde, lazer delme yöntemiyle çeşitli malzemelerin delinmesinde spatter formunu engellemek amacıyla farklı tekniklerin kullanıldığı belirlenmiştir. Ancak, havacılık ve uzay alanında yaygın bir kullanım alanına sahip olan Ti6Al4V alaşımının lazer yöntemi ile delinmesine ilişkin yeterli çalışmanın yer almadığı ve bu malzeme için deneysel çalışmalara ihtiyaç duyulduğu görülmektedir. Dolayısıyla bu çalışmada, vurumlu lazer ile delme yönteminde enerji yoğunluğunun delik kalitesine (spatter formu, delik koniklik oranı ve yüzey ıslatma açısı) olan etkileri deneysel olarak araştırılmıştır. 2. DENEYSEL YÖNTEM Bu çalışmada, ticari olarak temin edilmiş Ti6Al4V alaşımı kullanılmıştır. Bu alaşım, sahip olduğu düşük yoğunluk, yüksek mukavemet ve korozyon direnci gibi özelliklerinden dolayı başta havacılık ve uzay sanayisi olmak üzere endüstrinin birçok alanında yaygın bir şekilde kullanılmaktadır [11]. Bu alaşıma ait kimyasal bileşim Tablo 1 de verilmiştir. Lazer delme deneyleri için, 2 mm kalınlığa sahip numuneler hazırlanmıştır. Deneylerde 1.06 µm dalga boyuna sahip, 600 W gücünde bir katı hal Nd:YAG lazer tezgahı kullanılmıştır. Bu tezgaha ait işleme aralığı Tablo 2 de verilmiştir. Delinecek yüzey ile lazer lensi arasındaki odak mesafesi 120 mm olarak ayarlanmıştır. Bu mesafeden yüzeyde oluşan lazer ışın çapı 0.5 mm olmaktadır. Delme deneylerinde, nozul içerisinden eş eksenli olarak O 2 (oksijen) yardımcı gazı kullanılmıştır. Gaz debisi 20 litre/dak olarak ayarlanmıştır. Deneyler sonrasında deliklerin koniklik oranlarını belirlemek amacıyla numuneler bir tel erozyon tezgahında delik merkezinden kesilmiştir. Koniklik açısı Şekil 1 de şematik olarak gösterildiği gibi aşağıdaki formül yardımıyla hesaplanmıştır: tanφ = (d giriş d çıkış ) 2 t (1) Burada, t malzeme kalınlığını ifade etmektedir. Delik etrafında oluşan eriyik metalin yüzeyi ıslatma açısı Şekil 2 de gösterildiği şekilde ölçülmüştür. Ölçümler ve görüntüler Jeol JSM 7001F marka taramalı elektron mikroskobu (SEM) yardımıyla alınmıştır. 473
Şekil 1. Koniklik oranının ölçülmesi Tablo 1. Ti6Al4V alaşımının kimyasal bileşimi Ti Al V Fe O C N H 89.464 6.08 4.02 0.22 0.18 0.02 0.01 0.0053 Şekil 2. Yüzey ıslatma açısı 3. DENEY SONUÇLARI VE TARTIŞMA 3.1. Spatter Formu Ölçüm Sonuçları Şekil 3 te vurumlu lazer delme deneyleri sonrasında delik etrafında şekillenen spatter alanının enerji yoğunluğuna bağlı olarak değişimini gösteren SEM fotoğrafları ve grafik verilmiştir. Şekilden de görüldüğü gibi, lazer enerji seviyesinin artışına bağlı olarak, spatter alanı da artmaktadır. Bu durum, yüksek enerji seviyelerinde ergitilen malzeme hacminin artması ve daha fazla malzemenin ara bölgeden dışarı doğru gaz basıncının da yardımıyla tahliye edilmeye zorlanması sonucu delikten taşan malzeme miktarı ile ilişkilendirilebilir. Enerji seviyesinin artışı ayrıca her bir vurumda kaldırılan malzeme miktarını arttırdığından, işleme süresinin de kısalmasına neden olmaktadır [12]. Enerji seviyesinin 100 W olduğu durumda spatter çapı 2.30 mm olarak ölçülürken, enerji seviyesinin en yüksek değere ulaşmasıyla bu değer 3.61mm olmaktadır. Dolayısıyla enerji şiddetindeki %500 lük bir artış, spatter çapında %36.28 lik bir genişlemeye yol açmaktadır. Şekil 4 te enerji seviyesine bağlı olarak spatter kalınlıklarındaki değişim ve SEM görüntüleri verilmiştir. Şekilden de görüldüğü gibi, enerji yoğunluğunun 1. Seviyeden 5. Seviyeye çıkmasıyla, spatter kalınlığı % 56.95 artmıştır. 474
Şekil 3. Spatter çapının SEM görüntüleri ve enerji seviyesine bağlı değişimi 475
Şekil 4. Spatter kalınlığının SEM görüntüleri ve enerji seviyesine bağlı değişimi 3.2. Koniklik Oranı Ölçüm Sonuçları Lazer delme yönteminde, delik koniklik oranı işleme performansının değerlendirilmesinde kullanılan önemli parametrelerden bir tanesidir. Şekil 5 de numunelerin delik bölgelerinden alınan ön kesit görünüşü verilmiştir. Şekilden de görüldüğü gibi, lazer ışınının malzemeye ilk temas ettiği üst bölge ile çıkış bölgesindeki delik çapları farklıdır. Malzeme kalınlığı boyunda delik çapları giderek azalmaktadır. Şekil 5. Deliklerin kesit görüntüleri Enerji seviyesinin 200 W, 300W ve 500 W olduğu deneylerde delik kesitleri V profilli bir yapıya sahiptir. Bu durum, lazer ışın enerjisinin delinen yüzey tarafından yutulması ile ilişkilendirilebilir [13]. Yüzey tarafından yutulan lazer enerjisi, delik alt bölgesinde daha düşük bir seviyeye ulaştığından, kaldırılan malzeme miktarı azalmakta ve delik çapı küçülmektedir. Diğer yandan, delinen malzeme Ti6Al4V alaşımının termal iletkenlik katsayısı düşük olduğundan, malzemenin üst bölgesinden alt bölgeye doğru olan ısı transferi hızı oldukça yavaştır. Dolayısıyla delik bölgesindeki eriyik malzemenin vizkozitesi azalmakta ve dışarıya tahliyesi için daha küçük kuvvetler gerekmektedir. Enerji yoğunluğunun 100W ve 400W seviyelerinde, malzeme hacmine ilave olarak yardımcı gaz basıncının da soğutma etkisiyle birlikte malzemenin akışkanlığı azalmakta ve malzemenin tamamı dışarı atılamamaktadır. Dışarı atılamayan eriyik malzeme, delik duvarının alt bölgelerine yapışarak 476
buradaki çapı düşürmektedir. Dolayısıyla çap farkının azalması koniklik oranının da artmasına yol açmaktadır [14]. Enerji seviyesindeki artışa bağlı olarak V kesit görüntüsü nispeten paralel bir yapıya doğru değişmektedir. Ancak, deliklerde tam paralellik sağlanamamaktadır. Deliklerin orta bölgelerinde nispeten fıçılaşma şeklinde genişlemeler görülmektedir. Fıçılaşma formu, daha önceki çalışmalarda da ifade edilmiştir [15]. Bu yapı, talaş kaldırma oranından ziyade, delik içerisindeki gaz basıncının artışı ile ilgilidir. Dolayısıyla sabit gaz basıncı değerinde, artan enerji yoğunluğuna bağlı olarak ergitilen malzeme miktarı da artmaktadır. Böylece, birim zamandaki dışarı atılan malzeme akışı düzensiz bir rejim sergilemekte ve delik içerisindeki yerel malzeme akış karakterizasyonlarından dolayı genişlemeler yaşanmaktadır. Enerji seviyesinin azalmasıyla, malzeme akışı daha düzenli hale gelmekte ve fıçılaşma görülmemektedir. 3.3. Yüzey Islatma Açısı Ölçüm Sonuçları Yüzey ıslatma, genel bir ifade olarak, sıvı veya katı bir yüzeydeki havanın su ya da katı bir eriyik tarafından yer değiştirmesi şeklinde tanımlanmaktadır [16]. Yüzeydeki sıvı ile katı faz arasındaki temas açısı (θ), yüzey ıslatma kabiliyetini belirleyen önemli ve geçerli bir faktördür. Yüzeyde ıslanmanın gerçekleşmesi için, θ açısı 90 den küçük olmalıdır. θ 90 den büyük olursa, katı yüzey sıvı tarafından ıslatılamaz ve yapışma gerçekleşmez [17]. Young eşitliğine göre, sıvı yüzeyin enerjisi γ lv, katı yüzeyin enerjisi γ sv, ve katı - sıvı ara yüzey enerjisi γ sl olmak üzere temas çizgisi üzerindeki birim uzunlukta 3 temel kuvvet bileşeni bulunmaktadır. Kısmi ıslatma durumunda, bu enerjilerin temas açısı ile olan ilişkisi aşağıdaki şekilde yazılabilir [8]: cosθ = γ sv γ sl γ lv (2) Bu çalışmada θ yüzey ıslatma açısı SEM mikroskobu yardımıyla ölçülmüştür. Şekil 6 da spatter formu ile yüzey arasındaki temas açıları görülmektedir. Şekilden de görüldüğü gibi, enerji yoğunluğu arttıkça, temas açısı azalmaktadır. 400W güç seviyesinde sıçrama gözlemlenmediğinden ölçüm alınamamıştır. Lazer gücünün 100W değerinden 500W değerine çıkmasıyla θ açısı % 58.82 oranında azalmaktadır. Dolayısıyla sıçrayan metal, yüzeyi daha geniş bir alanda ıslatmakta ve spatter çapını da arttırmaktadır. Şekil 6. Yüzey ıslatma açılarının ölçülmesi 477
Mikrosertlik (HV) 7 th International Symposium On Machining, November 3-5, 2016, Marmara University, Istanbul 4. MİKROSERTLİK ÖLÇÜM SONUÇLARI Şekil 7 de, delik yüzeylerinden esas malzemeye doğru 10 µm aralıklarla alınan mikrosertlik ölçüm sonuçları verilmiştir. Şekilden de görüldüğü gibi, eriyik metalin yeniden katılaşarak yüzeye yapışması sonucu oluşan artık katmanın sertlik değeri, tüm enerji seviyeleri için esas malzemeden oldukça yüksektir. Sertlik değerleri esas malzemeye doğru gidildikçe azalma eğilimindedir. Sertlik değerinin değişmediği noktaya kadar olan uzunluklar, IEB olarak değerlendirilmiştir. Enerji seviyesinin 100W olduğu durumda IEB genişliği 40 µm iken, 500W değerine çıkılmasıyla bu değer iki katına çıkarak 80µm olmaktadır. 1400 1300 1200 1100 1000 900 100W 200W 300W 400W 500W 800 700 600 500 400 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Delik merkezinden mesafe (µm) 5. SONUÇLAR Şekil 7. Delik merkezinden mesafeye bağlı olarak mikrosertlik değişimi Bu çalışmada, havacılık ve uzay sanayisinde yaygın bir kullanım alanına sahip olan Ti6Al4V alaşımı, vurumlu lazer yöntemiyle farklı enerji seviyelerinde delinmiştir. Deneyler sonrasında delik kesitleri alınmış ve SEM mikroskobu yardımıyla incelenmiştir. Lazer giriş bölgesinde, delik etrafındaki spatter alanı genişliği, delik kesitinde koniklik oranı ve yüzey ıslatma açıları ölçülmüş ve değerlendirilmiştir. Çalışma sonucu elde edilen sonuçlar aşağıdaki şekilde özetlenebilir. 1. Lazer enerji seviyesinin artmasıyla kaldırılan malzeme miktarına bağlı olarak spatter çapı da artmaktadır. 2. Lazer enerji seviyesinin artmasıyla deliklerin koniklik oranları azalmaktadır. Yüksek enerji düzeylerinde düzensiz malzeme akışı nedeniyle delik kesitlerinde fıçılaşma şeklinde genişlemeler görülmüştür. 3. Lazer enerji seviyesinin artmasıyla yüzey ıslatma açısı azalmaktadır. 4. Deliklerin yüzey sertlikleri esas malzemeye nazaran yaklaşık iki kat artmaktadır. Enerji seviyesinin yüksek olduğu durumlarda, IEB genişlikleri de artmaktadır. KAYNAKLAR [1] A.G. Corfe, 1983. Laser drilling of aero engine components, Proceedings of the 1st International Conference on Lasers in Manufacturing, Brighton, East Sussex. [2] C.M. Banas, 1993. Multikilowatt laser in manufacturing, Trans. ASME: J. Engng Gas Turb. Power cilt 115 s.137 176. [3] D.K.Y. Low, L. Li, A.G. Corfe, 1999 in: Proceedings of the AMPT 99, s. 457. 478
[4] D.L. Williams, 1966 in: Engineering Proceedings, College of Engineering, Pennsylvania State University, University Park, PA, USA, s. 44. [5] D.K.Y. Low, L. Li, A.G. Corfe. 2001. Characteristics of spatter formation under the effects of different laser parameters during laser drilling, Journal of Materials Processing Technology, cilt 118 s.179 186. [6] L. S. Jiao, E. Y. K. Ng, L. M. Wee, H. Y. Zheng, 2011 The effect of assist liquid on the hole taper improvement in femtosecond laser percussion drilling, Physics Procediacilt 19 s. 426 430. [7] Low, D.K.Y., Li, L., Corfe, A.G. and Byrd, P.J., 2001. Spatter-free laser percussion drilling of closely spaced array holes, International Journal of Machine Tools and Manufacture, cilt 41 sayı 3 s. 361-377. [8] Low, D.K.Y., Li, L. and Byrd, P.J., 2003. Spatter prevention during the laser drilling of selected aerospace materials, Journal of Materials Processing Technology, cilt 139 sayı 1 s. 71-76. [9] N. Orita, 1988 Laser cutting method for high chromium steel and a device to carry out that method, US Patent 4 774 392 [10] C.M. Sharp, M.E. Mueller, J. Murthy, M.H. McCay, J. Cutcher, 1997 Proceedings of the ICALEO 97, 83A, Laser Institute of America, s. 41. [11] Hasçalık, A. and Çaydaş, U., 2007 Electrical discharge machining of titanium alloy (Ti 6Al 4V), Applied Surface Science, cilt 253 sayı 22 s.9007-9016. [12] Chen, X., Lotshaw, W.T., Ortiz, A.I., Staver, P.R., Erikson, C.E., McLaughlin, M.H., Rockstroh, T.J., 1996 Laser drilling of advanced materials: effects of peak power, pulse format and wavelength, Journal of Laser Applications cilt 8 s.233 239. [13] F.A. Al-Sulaiman, B.S. Yilbas, M. Ahsan, 2006 CO 2 laser cutting of a carbon/carbon multi-lamelled plain-weave structure, Journal of Materials Processing Technology cilt 173 s.345 351. [14] R. Goyal, A. K. Dubey, 2016 Modeling and optimization of geometrical characteristics in laser trepan drilling of titanium alloy, Journal of Mechanical Science and Technology cilt30 sayı3 s.1281~1293. [15] Kacar, E., Mutlu, M., Akman, E., Demir, A., Candan, L., Canel, T., Gunay, V., Sınmazcelik, T., 2009 Characterization of the drilling alumina ceramic using Nd: YAG pulsed laser, Journal of Materials Processing Technology, cilt 209 sayı 4s.2008-2014. [16] J.T. Davies, E.K. Rideal, 1963 Interfacial Phenomena, Academic Press, New York, [17] M. Alger, 1997 Polymer Science Dictionary, Chapman & Hall, London, 479