INVESTIGATION OF ABRASIVE WEAR PROPERTIES OF THE TITANIUM ALLOY MATERIAL PRODUCED BY ADDITIVE MANUFACTURING AND CONVENTIONAL METHOD

Year 2023, , 659 - 668, 28.06.2023

Elif Nur Selçuk , Ertuğrul Durak

https://doi.org/10.21923/jesd.1163332

Abstract

With Additive Manufacturing (AM) methods, materials with desired mechanical properties can be produced. The AM method consists of many different production techniques. There are many parameters to produce materials with the desired mechanical properties. Titanium alloys have high thermal resistance, strength, flexibility, toughness, machinability, weldability, corrosion resistance and biocompatibility. To meet all the mechanical properties in the area in which they are used. Therefore, Titanium alloy suitable for the desired area can be produced by applying different processing techniques to the same material with the AM method. However, depending on the place used in these materials, wear may occur with the applied load, environmental conditions or movement type. One of the most important wear types is abrasive wear. In this study, the abrasive wear behavior of Ti alloys (AMISTi/AMGSTi/CMTi) produced with two different scanning strategies by CM and AM were investigated. Abrasive P800A sandpaper was used for the abrasive wear tests and it was seen that the average of the friction coefficients (μave) values were very close to each other. When the values of the μave of all samples (CMTi-P800A, AMISTi-P800A and AMGSTi-P800A) are taken into account, an increase of 2.45 percent was observed in the AMISTi sample compared to the CMTi sample, while an increase of 1.16 percent was observed in the AMGSTi sample. In the same order, wear rates increased by 64 percent and 51 percent. The lowest wear rate value was found in the P800A-CMTi couple. It is the CMTi alloy of the sample with the highest wear resistance. Severe wear occurred on Ti alloys in all tests with P800A abrasive.

Keywords

Ti6Al4V, Additive Manufacturing, Island Scanning, Grill Scanning, Friction, Wear.

EKLEMELİ İMALAT VE GELENEKSEL YÖNTEMLE İMAL EDİLMİŞ TİTANYUM ALAŞIMLI MALZEMENİN ABRAZİF AŞINMA ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ

Abstract

Eklemeli İmalat (Eİ) yöntemleri ile arzulanılan mekanik özelliğe sahip malzemeler üretilebilmektedir. Eİ yöntemi birçok farklı üretim tekniklerinden oluşmaktadır. Bu üretim tekniklerinde istenilen mekanik özellikte malzeme üretebilmek için birçok parametre bulunmaktadır. Titanyum ve alaşımlarının ısıl direnci, dayanımı, esnekliği, tokluğu, işlenebilirliği, kaynak edilebilirliği, korozyon direnci ve biyouyumluluğu yüksek olduğu için kullanım alanları oldukça fazladır. Geleneksel yöntemle üretilen bu malzemelerin kullanıldığı alandaki tüm mekanik özellikleri karşılaması zordur. Bu yüzden Eİ yöntemi ile aynı malzemeye farklı işleme teknikleri uygulanarak kullanılmak istenilen alana uygun Titanyum alaşımı üretilebilmektedir. Fakat bu malzemelerde kullanılan yere bağlı olarak uygulanan yük, çevre şartları veya hareket tipi ile aşınmalar meydana gelebilmektedir. Aşınma tiplerinden en önemlilerinden biri de abrazif aşınmadır. Bu çalışmada, geleneksel yöntem (GY) ve eklemeli imalat yöntemi (Eİ) iki farklı tarama stratejisi (ada tarama EİAT, ızgara tarama EİIT) ile imal edilen Ti alaşımlarının (EİATTi/EİITTi/GYTi) abrazif aşınma davranışları incelenmiştir. Abrazif aşınma deneyleri için aşındırıcı olarak P800A zımpara kullanılmış ve μort değerlerinin birbirine çok yakın değerde olduğu görülmüştür. Tüm numunelerin (GYTi-P800A, EİATTi-P800A ve EİITTi-P800A) ortalama sürtünme katsayıları (μort) dikkate alındığında, EİATTi numunesinde GYTi numunesine göre yüzde 2.45 artarken, EİITTi numunesinde yüzde 1.16 artış görülmüştür. Aynı sırayla aşınma oranları ise yüzde 64 ve yüzde 51 oranlarında artmıştır. P800A-GYTi çiftinde en düşük aşınma oranı değeri bulunmuştur. En yüksek aşınma direnci gösteren numune GYTi alaşımıdır. P800A zımpara ile yapılan tüm testlerdeki Ti alaşımlarında şiddetli aşınma meydana gelmiştir.

Keywords

Ti6Al4V, Eklemeli İmalat, Ada Tarama, Izgara Tarama, Sürtünme, Aşınma.

References

• Ameen, N.H., (2017). Soya Yağı Ve Kullanılmış Kızartma Yağı Yağ Asiti Metil Esterleri Karışımlarının Sınır Yağlama Şartlarında Tribolojik Özelliklerinin İncelenmesi. Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 79s.
• Anil Kumar, V., Gupta, R.K., Prasad, M., Narayana Murty, S.V.S., (2021). Recent Advances İn Processing Of Titanium Alloys And Titanium Aluminides For Space Applications: A Review. J Mater Res 36:689–716.
• Atzeni, E., Salmi, A. (2012). Economics Of Additive Manufacturing For End-Usable Metal Parts. Int J Adv Manuf Technol 62:1147–1155. https://doi.org/10.1007/s00170-011-3878-1.
• Aydin, H.S., Gümüş, Ö.Y., Küçük, İ., (2019). Eriyik Yığma Modellemesi Esaslı Üç Boyutlu (3B) Eklemeli Üretim Tekniği Kullanılarak Poliüretan Malzemeden Bir Yapay İnsan Kulak Kepçesi Üretimi. Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilim Enstitüsü Derg 23:666–672. https://doi.org/10.19113/sdufenbed.540029.
• Bacak, S., Varol Özkavak, H., Tatlı, M., (2021). FDM Yöntemi İle Üretilen PLA Numunelerin Çekme Özelliklerine İşlem Parametrelerinin Etkisinin İncelenmesi, Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi, 9(1), 209-216.
• Bahçe, E., Aslan, A. K. , Güler, M. S. , Çakır, N. & Emir, E. (2017). Kalça Protezinin Aşınma Özellikleri Üzerinde Çoklu Tabakalı Kaplanmasının Etkilerinin Sonlu Elemanlar Metoduyla Nümerik Analizi . Ordu Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi , 7 (2) , 201-214 . Retrieved from https://dergipark.org.tr/tr/pub/ordubtd/issue/33029/367261
• Bhushan, B., (2000). Modern Tribology Handbook, Two Volume Set. CRC press. Volume One, Principles of Tribology, 1728 s.
• Çelik, K. Özkan, A., (2017). Eklemeli İmalat Yöntemleri İle Üretim Ve Onarım Uygulamaları. Düzce Üniversitesi, Bilim Ve Teknol Derg 5:107–121.
• Delikanlı, Y.E., (2017). Özel Geometriyle Pürüzlendirilmiş ve Hafifletilmiş Kalça İmplantının Tasarımı ve Lazer Sinterleme Yöntemi İle İmalatı. Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi,186 s.
• Gebhardt, A. Schmidt, F.M. Hötter, J.S. Sokalla, V. Sokalla, P., (2010). Additive Manufacturing By Selective Laser Melting The Realizer Desktop Machine And Its Application For The Dental İndustry. Phys Procedia 5:543–549. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2010.08.082.
• Giganto,S., Martínez-Pellitero,M., Barreiro, J., Leo, P., Castro-Sastre, A., (2022), Impact of the laser scanning strategy on the quality of 17-4PH stainless steel parts manufactured by selective laser melting, Journal of Materials Research and Technology, 20,2022,Pages 2734-2747,ISSN 2238-7854,https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.08.040.
• Grum, J., (2009). Book Review: Modern Tribology Handbook, Volume One: Principles of Tribology and Volume Two: Materials, Coatings, and Industrial Applications edited by Bharat Bhushan. Int J Microstruct Mater Prop 4:388–390.
• Güner, A.T., Meran, C., (2020). Ortopedik implantlarda kullanılan biyomalzemeler. Pamukkale Univ Muh Bilim Derg, 26(1), 54-67.
• Javaid, M., Haleem, A., (2020). 3D Printed Tissue And Organ Using Additive Manufacturing: An overview. Clin Epidemiol Glob Health 8:586–594. https://doi.org/10.1016/j.cegh.2019.12.008.
• Kato, K. Adachi, K., (2000). Wear Mechanisms. In: Modern Tribology Handbook: Volume One: Principles of Tribology. CRC press, pp 273–300.
• Kayacan, M.C., Delikanlı, Y.E., Duman, B., Özsoy, K., (2018). Ti6Al4V Toz Alaşımı Kullanılarak SLS İle Üretilen Geçişli (Değişken) Gözenekli Numunelerin Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi. Gazi Üniversitesi Mühendis Mimar Fakültesi Derg 33.
• Kragelsky, I.V. Alisin, V., (2016). Friction Wear Lubrication: Tribology Handbook. Vol:3, ISBN 0-08.027591-5.
• Kumar, A., Choudhary, A. Tiwari,A., James, C., Kumar, H., Arora, P.K., Khan, S.A., (2021). An İnvestigation On Wear Characteristics Of Additive Manufacturing Materials, Materials Today: Proceedings 47, 3654–3660.
• Ma C, Andani MT, Qin H, Moghaddam, N.S. Ibrahim, H. Jahadakbar, A. Amerinatanzi, A. Ren, Z. Zhang, H. Doll, G.L. Dong, Y. Elahinia, M. Ye, C., (2017). Improving Surface Finish And Wear Resistance Of Additive Manufactured Nickel-Titanium By Ultrasonic Nano-Crystal Surface Modification. https://doi.org/10.1016/J.JMATPROTEC.2017.06.038.
• Melchels, F.P.W. Domingos, M.A.N. Klein, T.J. Malda, J. Bartolo P.J. Hutmacher D.W. (2011). Additive Manufacturing of Tissues and Organs. Prog Polym Sci 37:1079–1104. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2011.11.007.
• Öncü, G., (2019). Atık Bitkisel Yağ Metil Esterlerinin Yağlama Yağı Olarak Değerlendirilmesi, Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, 158 s.
• Özkan, D.Ç., (2019). Hızlı Prototipleme Teknolojisinin Gelişimi, Çeşitleri Ve İmalat Sektöründe Sağladığı Avantajlar. Mühendis Ve Makina Güncel, Aralık 2019, www.mmo.org.tr.
• Özsoy, K. Duman, B.. (2017). Eklemeli İmalat (3 Boyutlu Baskı) Teknolojilerinin Eğitimde Kullanılabilirliği (Usabılıty Of Addıtıve Manufacturıng (Three Dımensıonal Prıntıng) Technologıes In Educatıon), 1:36–48.
• Özsoy, K., (2016). Lazer Ergitme Yöntemi İle Kişiye Özel Hafifletilmiş Gerçek Kafatası Parçası İmplant İmalatı. Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, 178 s.
• Pereira, T., Kennedy, J.V., Potgieter, J., (2019). A Comparison Of Traditional Manufacturing Vs Additive Manufacturing, The Best Method For The Job. Procedia Manuf 30:11–18. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2019.02.003.
• Segu, D.Z. Wang, L.L. Hwang, P. Kang, S.W., (2021). Experimental Characterization Of Friction And Wear Behavior Of Textured Titanium Alloy (Ti-6Al-4V) For Enhanced Tribological Performance. Mater Res Express 8:085008.
• Selçuk, E. N., (2019). Eklemeli İmalat Ve Geleneksel Yöntem İle İmal Edilmiş Titanyum Alaşımlı Biyomedikal Malzemenin Tribolojik Özelliklerinin İncelenmesi. Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 134 s.
• Song, Y., Sun, Q., Guo, K., Wang, X., Liu,J., Sun,J., (2020), Effect of scanning strategies on the microstructure and mechanical behavior of 316L stainless steel fabricated by selective laser melting, Materials Science and Engineering: A, 793,2020,139879,ISSN 0921-5093,https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139879.
• (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921509320309515)
• Sreesha, R.B. Kumar, D. Chandraker, S. Agrawal, A., (2021). Room Temperature Sliding Wear Behavior of Ti6Al4V: A Review. In: AIP Conference Proceedings. AIP Publishing LLC, p 040041.
• Upex, P. Jouffroy, P. Riouallon, G., (2017). Application Of 3D Printing For Treating Fractures of Both Columns of The Acetabulum: Benefit of Pre-Contouring Plates On The Mirrored Healthy Pelvis. Orthop Traumatol Surg Res 103:331–334. https://doi.org/10.1016/j.otsr.2016.11.021.
• Yang, Y., Zhu , Y., Yang, H., (2019). Enhancing wear resistance using selective laser melting (SLM): Influence of scanning strategy. Jurnal Tribologi 23, pp.113-124.