Yüzey işlemi uygulanmış Ti-6Al-4V alaşımının darbeli kayma aşınma davranışının incelenmesi ve kuru kayma koşulları altında aşınma haritalarının oluşturulması

Abstract

Ti-6Al-4V alaşımının yüzeyine üç farklı sıcaklıkta (600, 700 ve 800 °C) termal oksidasyon, kutu sementasyon ile alüminyumlama ve 750 °C’ de sıcak daldırma alüminyumlama yüzey işlemleri uygulanarak düşük maliyetli, seri üretime uygun, çevre dostu, yüksek sertlik ve aşınma direncine sahip yüzeyler elde etmek için bu çalışma yapılmıştır. Üç farklı yüzey işlemi uygulanmış örneklerin yapısal karakterizasyonları ile farklı yük ve hızlarda kuru kayma koşullarında ileri geri aşınma testleri gerçekleştirilmiştir. Darbeli kayma aşınma testleri 600 ve 700 °C’ de termal oksidasyon yapılan Ti-6Al-4V alaşımına uygulanmıştır. Kutu sementasyon ile alüminyumlama işlemi sonucunda, alüminyum açısından zengin ve artan işlem sıcaklığı ile kalınlaşan titanyum alüminid tabaka elde edilmiştir. TiAl2 fazından oluşan alüminid tabakanın, en yüksek sertlik değeri 800 °C’ de alüminyumlama yapılmış örnekte 616 HV0,025 olarak ölçülmüştür. Termal oksidasyon işlemi sonrasında, Ti-6Al-4V alaşımı, oksit tabakası ve oksijen difüzyon bölgesinden oluşan bir yapıya sahip olup, en geniş oksit tabakası 6 μm kalınlığında, 700 °C’ de 30 saatlik termal oksidasyon işlemi sonrasında gözlemlenmiştir. En yüksek sertlik ise, yine aynı numunede 700 HV0,025 olarak ölçülmüştür. XRD ile oksit tabakasının rutil fazdan oluştuğu tespit edilmiştir. 25, 350 ve 550 °C’de yapılan darbeli kayma aşınma testleri sonucunda, 700 °C’ de 30 saat termal oksidasyon işlemi her üç deney sıcaklığında da en düşük aşınma hızı sergilediği, sırasıyla %54, %34 ve %37 oranında azalan toplam (darbe+kayma) aşınma hızı değerleri belirlenmiştir. Her üç sıcaklıkta yapılan kutu sementasyon ile alüminyumlama ve termal oksidasyon işleminin kuru kayma ileri-geri aşınma direncini de iyileştirdiği tespit edilmiştir. Sıcak daldırma alüminyumlama ve ardından difüzyon tavlama işlemi sonucunda, 461 HV0,025 sertliğine sahip kompozit tabaka elde edilmiştir. Kuru kayma ileri-geri aşınma sonuçları incelendiğinde kayma hızı arttıkça aşınma direnci azalmıştır.

This study was conducted to obtain low-cost, mass-production-compatible, environmentally friendly surfaces with high hardness and wear resistance by applying surface treatments such as thermal oxidation at three different temperatures (600, 700, and 800 °C), pack cementation aluminizing, and hot-dip aluminizing at 750 °C on the surface of the Ti-6Al-4V alloy. Structural characterizations of the samples subjected to three different surface treatments were performed, and reciprocating wear tests were conducted under dry sliding conditions at different loads and speeds. Impact sliding wear tests were applied to the Ti-6Al-4V alloy that underwent thermal oxidation at 600 and 700 °C. As a result of the pack cementation aluminizing process, an aluminum-rich titanium aluminide layer was formed, thickening with increased process temperature. The highest hardness value of 616 HV0.025 was measured in the sample aluminized at 800 °C, where the layer consisted of the TiAl2 phase. After the thermal oxidation process, the Ti-6Al-4V alloy exhibited a structure consisting of an oxide layer and an oxygen diffusion region. The thickest oxide layer observed after 30 hours of thermal oxidation at 700 °C, is 6 μm thick. The highest hardness, 700 HV0.025, was also measured in the same sample. XRD analysis confirmed that the oxide layer consisted of the rutile phase. Wear tests conducted at 25, 350 and 550 °C showed that the sample subjected to 30 hours of thermal oxidation at 700 °C exhibited the lowest wear rate at both test temperatures, with total wear rate (impact+sliding) reductions of 54%, %34 and 37%, respectively. It was determined that reciprocating dry sliding wear resistance was improved by aluminizing and thermal oxidation at all three temperatures. After hot-dip aluminizing and subsequent diffusion annealing, a composite layer with a hardness of 461 HV0.025 was obtained. Upon reviewing the reciprocating dry sliding wear results, it was observed that as the sliding speed increased, the wear resistance also decreased for coating with hot-dip aluminizing and subsequent diffusion annealing treatment.