Hangi Alüminyum Katmanlı Üretim Yöntemleri Mevcuttur?

Düşük yoğunluk, yüksek özgül mukavemet ve sertlik, iyi süneklik, mükemmel elektriksel ve termal iletkenlik ile iyi korozyon direnci, alüminyum alaşımlarını havacılık, ulaştırma ve denizcilik uygulamaları için tercih edilen hafif yapısal malzemeler haline getirmektedir. Ürün geliştirme döngüleri kısaldıkça, geleneksel eritme, döküm ve dövme yöntemleri, karmaşık hassas bileşenlere yönelik talebi karşılamakta giderek daha fazla zorlanmaktadır. Üretim verimli olmalı, tasarım değişikliklerine hızla yanıt vermeli ve karmaşık geometrilere esnek bir şekilde uyum sağlamalıdır.

Katmanlı üretim, fiziksel parçaları katman katman oluşturur. Havacılık, biyotıp ve demiryolu taşımacılığı sektörlerinde, geleneksel yöntemlerin bazı ölçek sınırlamalarını aşarak hızlı tek parça veya küçük seri üretimi, daha fazla tasarım özgürlüğü, karmaşık şekillerin özelleştirilmesini ve pazara sunma süresinin kısalmasını sağlar.

Alüminyum katmanlı üretim süreçleri, temel olarak çalışma prensibine ve ısı kaynağına göre sınıflandırılır: lazer, elektron ışını, ark, ultrasonik ve sürtünmeli karıştırmalı katmanlı üretim. Her birinin kendine özgü süreç özellikleri vardır.

Alüminyum Alaşımlarının Lazerle Katmanlı İmalatı

Lazerle katmanlı üretim, lazer ısı kaynağı kullanır ve yüksek şekillendirme hassasiyeti, nispeten az sayıda iç kusur ve iyi mekanik özellikler sunar. Genellikle alüminyum alaşımlı toz kullanılır. Toz parçacıkları arasındaki düzensiz boşluklar parça yoğunluğunu azaltabilirken, çoğu alüminyum alaşımının yüksek lazer yansıtıcılığı enerji verimliliğini düşürür. Bu nedenle bu yöntem, esas olarak döküm alüminyum alaşımları veya kaynaklanabilirliği iyi olan alaşımlar için kullanılır.

Başlıca iki yöntem, senkronize metal tozu beslemesi ile lazer eritme biriktirme ve lazer toz yatağı füzyonudur. İlk yöntemde toz sürekli olarak beslenir; ikincisinde ise karmaşık yapılar oluşturmak üzere toz yatağındaki ardışık katmanlar hassas bir şekilde eritilir.

Al-Si alaşımları, iyi döküm ve sıcak şekillendirme özelliklerine sahiptir ve bu konuda geniş çaplı araştırmalar yapılmaktadır. Xi’an Jiaotong Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, AlSi10Mg’nin seçici lazer eritme işlemi için lazer gücünü, tarama hızını ve tarama aralığını optimize etmiş ve enerji girişi ile yoğunluk arasındaki ilişkiyi açıklayan bir enerji yoğunluğu modeli ortaya koymuştur. 4,0 ila 6,0 J/mm², yoğunluk 98%’yi aştı. Çin Bilimler Akademisi Metal Araştırma Enstitüsü, 99,63% yoğunluğa ve iyi mekanik özelliklere sahip AlSi10Mg numuneleri üretti ve baskı plakasına paralel yönlendirilmiş malzeme için farklı ısıl işlemleri karşılaştırdı. Biriktirme sonrası yatay çekme mukavemeti 478 MPa'ya ulaşmış, uzama yaklaşık 8% olmuş ve ortalama sertlik yaklaşık 122 HV olarak ölçülmüştür. 130°C'de 4 saat süreyle yaşlandırma işleminden sonra, eriyik havuzları tam bir ağ benzeri silikon yapısını korumuştur. Yüksek mukavemet korunurken plastisite yaklaşık 11,9%'ye yükseldi ve ortalama sertlik, biriktirme sonrası değerin yaklaşık 9% üzerinde, 133 HV'ye çıktı.

Yüksek mukavemetli 2xxx ve 7xxx serisi alüminyum alaşımlarının lazerle işlenmesi hâlâ zorluk teşkil etmektedir. Araştırmacılar, parametre optimizasyonu, nanopartikül çekirdekleştiriciler, bileşim modifikasyonu ve son işlemler yoluyla iç kusurları azaltmakta ve mekanik özellikleri iyileştirmektedir. Farklı silikon içeriğine sahip 7075 tozlarının kullanıldığı lazer toz yatağı füzyon deneylerinde, silikon kaynaklı tane inceltme, mikro çatlakları önemli ölçüde azaltmıştır.

Alüminyum Alaşımlarının Elektron Işınıyla Katmanlı Üretimi

Elektron ışınlı katmanlı üretim, hammaddeye göre elektron ışınlı toz yatağı eritme ve elektron ışınlı tel beslemeli katmanlı üretim olarak ikiye ayrılır.

Elektron ışınlı toz yatak eritme yöntemi, vakum ortamında ısı kaynağı olarak elektron ışını kullanır. Yüksek hızlı tarama, metal tozunu katman katman ısıtır ve eriterek bir parça oluşturur. Tel beslemeli elektron ışını eklemeli imalatı, senkronize olarak beslenen teli yüksek enerjili bir ışınla eritir ve yoğun bir bileşen oluşana kadar CAD ile tanımlanan bir yol boyunca katman katman biriktirir. Elektron ışınının emilimi lazer ışınının emiliminden iki kat daha fazla olduğundan, bu teknoloji yüksek mukavemetli alüminyum alaşımları için önemli bir potansiyele sahiptir.

Araştırmalar hâlâ sınırlıdır ve esas olarak tel beslemeli elektron ışını işlemlerine odaklanmaktadır. NASA Langley Araştırma Merkezi, 2219 alüminyum alaşımının işleme aralığını ve ilerleme hızı, tel besleme hızı ile ışın gücünün mikro yapı ve mekanik özellikler üzerindeki etkilerini incelemiştir. Lockheed Martin Space Systems'tan Brice, elektron ışını yönlendirilmiş enerji biriktirme yöntemiyle 2139 alüminyum numuneleri üretmiş ve magnezyum buharlaşmasının çökelme ve mekanik performansı nasıl etkilediğini değerlendirmiştir; biriktirme sırasında magnezyum kaybı 65% seviyesine ulaşmıştır. Tsinghua Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, 2024 alüminyum alaşımının elektron ışını toz yatağı işleme yöntemiyle işlenmesini inceledi. Işın akımı ve tarama hızı, bağıl yoğunluğu ve mikroyapıyı önemli ölçüde etkiledi. α-Al matrisinde tane sınırları boyunca bakır, manganez ve demir içeren çökelmeler oluştu. Uygun parametreler, 314 MPa’ya varan çekme mukavemeti ve 6% uzama sağladı.

Alüminyum Alaşımlarının Ark Eklemeli İmalatı

Ark eklemeli üretim, ark ısı kaynağı ve senkronize tel beslemesi ile parçaları katman katman oluşturur. Yüksek malzeme verimliliği, nispeten düşük ekipman maliyeti ve geniş üretim alanı, büyük ve karmaşık yapılar için uygundur. Bununla birlikte, yüksek kaynak ısı girişi ile nispeten düşük yüzey kalitesi ve hassasiyet, genellikle önemli ölçüde son işlem gerektirir. Hassasiyeti ve yüzey kalitesini iyileştirmek için ısı girişini azaltmak, temel bir araştırma hedefidir.

6xxx ve 7xxx serisi alaşımlar üzerine yapılan araştırmalar nispeten sınırlıdır. Gaz metal ark kaynağı ve gaz tungsten ark kaynağı yöntemleriyle 4047, 5356, 2024 ve 7075 alaşımlarının biriktirilmesi başarıyla gerçekleştirilmiştir. Elde edilen numuneler, geleneksel yöntemlerle üretilen numunelere kıyasla daha yüksek çekme mukavemeti ve daha ince taneler sergilemiştir.

Soğuk metal transferi yöntemi ayrıca, ince taneli, az gözenekli ve geliştirilmiş mekanik özelliklere sahip 2319, 5087 ve 5183 alüminyum alaşımlı numuneler üretmiştir. 5336 alüminyum alaşımının soğuk metal transfer birikintilerinde, neredeyse hiç eş eksenli veya sütunlu tane yapısı gözlemlenmemiştir ve tane boyutu ısı girişi ile azalmıştır. Isı girişi, geometriyi, mikroyapıyı, kusurları ve mekanik ile kimyasal özellikleri belirler. Çok katmanlı biriktirme sırasında, özellikle yüksek ısı girişinde düzensiz ısıtma ve soğutma, ısı birikimine, iri tanelere, kalıntı gerilime ve bozulmaya neden olabilir. İşlemin başarılı olması için akım, gerilim, tel besleme hızı, hareket hızı ve diğer değişkenlerin kontrol edilmesi gerekir.

Alüminyum Alaşımlarının Ultrasonik Katmanlı İmalatı

Ultrasonik katmanlı üretim, yüksek güçlü ultrasonik enerji kullanır. Alüminyum alaşımlı folyo katmanları arasındaki titreşim ve sürtünme, ısı üretir, arayüzdeki atomik difüzyonu hızlandırır ve katı hal metalurjik bir bağ oluşturur.

Japonya’daki Tohoku Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, 6061 alüminyum alaşımının ultrasonik katmanlı imalatında arayüzey mikroyapısını ve dağılımını incelediler. Arayüzey, mikroyapı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir; yeniden kristalleşmenin itici gücü, arayüzey bölgesinde mikroskobik faz değişikliklerine yol açmakta ve arayüzeyde gözenekler oluşmaktadır.

Düşük sıcaklıkta gerçekleştirilen işlem, alaşım elementlerinin buharlaşmasını önler ve birleşme özelliklerini korur; bu da süreci özellikle alüminyum için uygun hale getirir. İleri düzey ekipmanlara yönelik ihracat kısıtlamaları ve sınırlı yerel araştırma faaliyetleri, önemli bir araştırma potansiyeli ortaya çıkarmaktadır. Malzeme arayüzündeki atomik difüzyon için henüz eksiksiz bir teorik model oluşturulmamıştır ve arayüzdeki plastik deformasyon ile sürtünme ısınmasını açıklayan tek bir çerçeve bulunmamaktadır. Doğruluk, verimlilik ve ticarileştirme açısından daha fazla geliştirme yapılması önemlidir.

Alüminyum Alaşımlarının Sürtünmeli Karıştırmalı Katmanlı İmalatı

Sürtünmeli karıştırma ile katmanlı üretim, sürtünmeli karıştırma kaynağından geliştirilmiştir. Hızla dönen bir alet, alüminyum levhaya girer ve belirlenen bir yön boyunca ilerler. Sürtünmeden kaynaklanan ısı, malzemeyi plastikleştirir ve yumuşatır; malzeme, aletin arkasında akarak boşluğu doldurur ve bir biriktirme tabakası oluşturur. Ardından, ek malzeme aynı yol boyunca istiflenir ve işlenir. Kaynak, elde edilen mekanik özelliklerin dövme parçalarla rekabet edebileceğini belirtmektedir, ancak bu cümlenin bir kısmı eksiktir.

Northwestern Politeknik Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, sabit omuzlu sürtünmeli karıştırma eklemeli imalat yöntemini geliştirdiler ve yüksek mukavemetli 7075-O alüminyum alaşımlı bileşenleri başarıyla ürettiler. Araştırmacılar, biriktirme sırasında metal akış davranışını incelediler ve üretim yönü boyunca mikro yapıda ve mekanik özelliklerde önemli farklılıklar gözlemlediler. Geleneksel döner omuzlu sürtünmeli karıştırma teknolojisiyle karşılaştırıldığında, kaynak sırasında pim yüksek hızda dönerken sabit omuz sabit kalır; bu sayede omuzdan etkilenen bölge ortadan kalkar ve net şekle yakın üretim mümkün hale gelir.

Yüksek mukavemetli 2024 alüminyumun sürtünme karıştırmalı katmanlı imalatı, yeniden kristalleşmiş, ince eşeksenli tane yapısı oluşturdu. Tane boyutu, yapının altından üstüne doğru azaldı. İkinci faz yeniden çözündü; genel içeriği alt tabakaya kıyasla belirgin şekilde daha düşüktü, ancak tabandan tepeye doğru artış gösterdi. Erime ve katılaşmanın önlenmesi iç kusurları büyük ölçüde azaltmakla birlikte, uygun olmayan işlem parametreleri yine de arayüzey kusurlarına yol açabilir.

Pekin Teknoloji Enstitüsü’ndeki araştırmacılar, 2024-O alüminyum için sürtünmeli karıştırmalı katmanlı üretim yönteminin şekillendirme mekanizmasını analiz ettiler. Mekanik özelliklerdeki yönsel farklılıklara ve bunların nedenlerine odaklandılar ve kusursuz çok katmanlı, çok geçişli bir biriktirme işlemi gerçekleştirdiler.

Gelişim Eğilimleri

Alüminyum katmanlı üretim, karmaşık hassas şekillendirme ve hafif tasarımları desteklediği için askeri ve sivil alanlarda büyük bir potansiyele sahiptir. Başlıca araştırma yönleri arasında yeni süreçlerin geliştirilmesi ve süreç-mikro yapı-özellik ilişkilerinin daha derinlemesine incelenmesi yer almaktadır. Araştırmalar, özellikle büyük ve karmaşık bileşenlerde gerilme oluşumunu açıklamalı ve kalıntı gerilimin büyüklüğünü ve dağılımını kontrol etmelidir. Ayrıca, mikro ölçekli eriyik havuzlarındaki kütle transferi, dengesiz katılaşma, soğutma, fiziksel metalurji ve faz dönüşümlerini netleştirmeli ve böylece mikro yapının hassas bir şekilde kontrol edilebilmesini sağlamalıdır. Sayısal simülasyonla birleştirilen deneyler, sıcaklık alanlarını tahmin edebilir ve ısıdan etkilenen bölgeleri yönetebilir. Katmanlı üretim ve frezelemeyi birleştiren hibrit ekipmanlar, şekillendirme doğruluğunu artırabilir ve hassas son işlem sağlayabilir. Proses ve ekipman iyileştirmeleri, gözenekliliği ortadan kaldırabilir, yoğunluğu artırabilir ve genel mekanik özellikleri iyileştirebilir; böylece teknolojiyi daha yüksek doğruluk, verimlilik ve işlevsellik düzeyine taşıyabilir.