Yazan: Özkan Hizaroğlu
1. Sıcak İzostatik Pres (Hot Isostatic Press-Hıp) Yöntemi
Sıcak İzostatik Presleme veya Baskılama yöntemi (Hot Isostatic Pressing-HİP) kimi kaynaklara göre 1950’lerin ortalarında gaz basıncı kullanılarak bazı özel metal alaşımlarının bağlanması amacıyla kullanılmış olsa da günümüz teknolojisinde uygulamaları ve yöntemleri farklılık göstermektedir. Sıcak İzostatik Presleme, çok yüksek basınç altında ısıtılmış gaz (en yaygın olarak argon veya azot) kullanan bir şekillendirme ve yoğunlaştırma işlemidir. Bir iş parçasını bir veya iki taraftan sıkıştıran mekanik kuvvetten farklı olarak, izostatik basınç, bir nesnenin tüm taraflarına eşit şekilde uygulanır ve iç gözenekli yapıları, net şeklini değiştirmeden ortadan kaldırır. İşlem önceden oluşturulmuş metal, seramik veya kompozit parçaların işlenmesi ve kaplanmış toz şekillerin sıkıştırılması için kullanılabilir. Maksimum standart çalışma basınçları 1500 ila 45.000 psi (10 ila 207 MPa) arasında belirlenebilir. Sıcaklıklar 2000 °C'ye kadar değişebilir[1]. Özel uygulamalar için daha yüksek basınç ve sıcaklıklar sağlanabilir.
Sıcak İsostatik Preslemedeki (HIP) güncel ihtiyaçlar doğrultusundaki gelişmeler yeni uygulama alanları doğurmaktadır. Güncel ihtiyaçları açacak olursak, kısaca malzeme mekanik performansı, fiziksel özellikleri ve hatta kimyasal özelliklerinin iyileştirilmesine imkân vermektedir. Aşağıda, Şekil 1.1’de modern bir HIP tesisi görülmektedir.
Şekil 1‑1 Modern HİP tesisi yapı elemanları[1].
Sıcak izostatik presleme (HIP – Hot Isostatic Pressing), malzeme özelliklerini iyileştirmek için yüksek basınç kullanılan bir ısıl işlem biçimidir. Bu basınç genellikle argon olmak üzere asal gaz ile uygulanır. Yüksek sıcaklık ve basınç altında geçen süre plastik deformasyon, sürünme ve difüzyon oluşumuna olanak sağlar. İç yapıda sahip oldukları mikro gözenekliliği ortadan kaldırmak ve böylece kusurları gidererek mekanik özelliklerini iyileştirmek için döküm parçalarına HIP uygulanır. Sıcak izostatik presleme aynı zamanda katı ya da toz halindeki iki veya daha fazla malzemenin bir araya getirilerek birleştirilmesini veya kaplanmasını sağlar[2]. Bir başka tanıma göre, toz metalurjisinin üretim yöntemlerinden biri olan Sıcak İzostatik Presleme (HIP), yoğun malzemelerin üretilmesi için en uygun ilave yöntemlerden birisi olarak bilinmektedir[3]. Bu yöntem, malzeme özelliklerini geliştirmek veya toz metalurjiden net parça üretmek için yüksek basınç ile sıcaklığın es zamanlı uygulandığı imalat ve ısıl işlem yöntemidir[3].
HIP yönteminin hangi uygulama alanlarında kullanıldığı ve malzemede ne gibi iyileştirmeler sağlayacağı gibi soruların cevapları bu çalışmanın sonraki aşamalarında verilecektir. Fakat buraya kadar verilen bilgilerden genel bir değerlendirme ortaya konulacak olunursa; öncelikle bu yöntem malzemenin yoğunlaştırılmasına yardımcı olan bir yöntemdir. Bu yöntemin uygulanması ile üretim kaynaklı malzeme üzerinde oluşan bir takım yapısal hatalar minimize edilmektedir. Yüksek sıcaklık ve asal gazların kullanılması ile elde edilen yüksek basınç eş zamanlı olarak uygulandığında malzeme daha homojen ve yoğun bir yapıya sahip olmaktadır. Sıcak İzostatik Pres (Hot Isostatic Press-HIP) yöntemi; çekinti boşlukları, mikroporlar, sıcak yırtılma gibi porozite kusurlarını ortadan kaldırabilmektedir [6, 7]. HIP, metallerdeki porozite, çekinti gibi döküm hatalarını azaltmak ve seramik malzemelerde yoğunluğu arttırmak üzere geliştirilmiş bir yöntemdir [8]. HIP uygulanacak komponent, yüksek basınca dayanıklı bir tankın içerisine konur, çok yüksek basınç altında ısıtılmış bir gaz kullanılarak işlem gerçekleştirilir [9]. Basınçlandırmada genellikle Argon kullanılmakla birlikte, diğer asal gazlar da kullanılabilmektedir. Basıncın arttırılması dolayısıyla komponentin her yönünden eşit miktarda yükleme olması sonucu izostatik yükleme gerçekleştirilmiş olur. Literatürde HIP işleminin döküm kusurlarını gidermede ve mekanik özelliklere etkisi ile ilgili farklı alaşımlar üzerinde gerçekleştirilmiş çalışmalar mevcuttur[5].
Hip gelişim süreci incelendiğinde görülür otomatik kontrolörler ve malzeme bilimi alanlardaki gelişmeler yeni fırın, pres ve çeşitli dijital kontrol tekniklerinin gelişmesine olanak sağlamış bu durum ise proses sürelerinin kısalmasına yol açmıştır. Presler, son 10 yılda neredeyse iki katına çıktı ve birim başına işlem maliyetlerini önemli ölçüde azalttı. Daha büyük sistemler bile ufukta, yalnızca taşımacılık gerçekleri ile sınırlıdır. Bu, daha büyük ürün ve serilerin yoğunlaştırılmasına, maliyetlerin düşürülmesine ve müşterilerin rekabet avantajlarını artırmalarına yardımcı olmaktadır. HIP, günümüzde her türlü sektörde küresel olarak rekabetçi üreticiler tarafından talep edilen güçlü, uzun ömürlü ürünleri üretmek için her zamankinden daha uygun ve ekonomiktir[1].
2. Sıcak İzostatik Pres (Hot Isostatic Press-Hıp) Yöntemine Neden İhtiyaç Duyulur?
Bu bölümde HIP uygulamasının, diğer üretim yöntemleri ile birlikte kullanıldığında, ürün özelliklerinde ve üretim prosesinde meydana gelen değişiklikler incelenmiştir.
Sıcak izostatik preslemede, prosesin temel avantajı basınç elde etme yöntemidir. Basıncı iletmek için sınırlı güçte (tek eksenli sıcak preslemede sertleştirilmiş aletlerin kullanımı gibi) katı ve sert aletlere ihtiyaç yoktur, onun yerine basınç, iletme kapasitesi daha yüksek olan asal gazlar ile gerçekleşir. Sonuç olarak yüksek basınç seviyeleri elde edilebilir. HIP'in avantajları, tek eksenli sıcak preslemeyle karşılaştırıldığında daha iyi bir sıcaklık kontrolü ve sonuçta elde edilen homojen bir malzeme yapısı ve özellikleridir. Bazı araştırmacılar, plazma püskürtmeli kaplamaları yoğunlaştırmak için HIP tedavileri kullanmış ve sonuçlar, HIP'in gözenekliliğin azaltılmasında ve seramik kaplamaların fiziksel ve mekanik özelliklerinin geliştirilmesinde yararlı olduğunu göstermiştir[10]. Sıcak izostatik preslemenin en önemli avantajı, pahalı talaşlı imalat işleme işlemleri olmadan ürünün boyutunu ve şeklini çok yüksek bir hassasiyetle kontrol edebilme yeteneğidir. İdeal koşullar altında, yapının hiçbir şekil değişikliği (sadece bir miktar ölçek değişikliği hariç) oluşmaz. Neredeyse boyutsuz veya şekil sınırlaması olmayan, son derece hassas bir şekle sahip parçaları üretme becerisine yapısı gereği sahiptir[10].
Şu ana kadar yapılan araştırmalar incelendiğinde görülmektedir ki Hip uygulaması farklı üretim yöntemleri ile başarılı bir şekilde çalışmakta ve malzemelerdeki kusurların giderilmesi aynı zamanda mekanik özelliklerin kazandırılması anlamında çok iyi bir tamamlayıcı olduğu anlaşılmaktadır. Endüstriyel uygulamalarda, bu tamamlayıcılık özelliği Tablo 2.1 de özetlenmiştir.
Hip uygulamasının Bütünleşik endüstriyel imalat yöntemleri ile Hip uygulamalarına yönelik incelemeler bir sonraki bölümde verilmektedir.
3. Örnek Bütünleşik Uygulama Yöntemleri Ve Endüstriyel
Kullanım
3.1 Eklemeli imalat
Bütünleşik uygulama yöntemleri ile anlatılmak istenen, HIP uygulamalarının kendi başına bir ürün geliştirme yöntemi olmasıyla beraber, bazı uygulamaların tamamlayıcısı niteliği taşımasıdır. HIP, eklemeli imalat yöntemleri ile beraber kullanıldığında malzeme üzerinde olumlu sonuçlar vermiş ve uygulama alanı bulmuştur. Eklemeli imalat yöntemlerinden biri olan SLM, tamamen işlevsel üç boyutlu bir parça oluşturmak için bir CAD modelinin kullanıldığı ilave bir üretim sürecidir. İşlem sırasında, art arda metal tozu katmanları tamamen eritilmekte ve birbirlerinin üzerinde birleştirilmektedir. Bununla birlikte, toz yataklı lazer ışınının kısa etkileşimi, termal gerilimlerle birlikte hızlı ısıtma ve erime sağlamaktadır. SLM-CCM'nin gerilme mukavemeti, dökme alaşımın mukavemetini aşabilirken, [12] SLM materyalleri için kritik yükleme durumu yorgunluktur: Leuders et al. SLM tarafından üretilen TiA6V4 raporunda, kalan gözeneklerin yorgunluk davranışı üzerinde çok büyük bir etkisi olduğu rapor edilmiştir [13]. Bu durum sonucunda, SLM'nin yüksek yoğunluklara ulaşabilmesine rağmen, SLM-CCM bileşenlerinin mekanik özelliklerinin yorulma ömrü açısında yeterli verim sağlayamadığı görülmüştür. Malzemelerde meydana gelen çatlamaların, dislokasyonların giderilmesinde HIP uygulaması yapılmış ve sonrasında kullanım ömrü, akma dayanımı ve kırılma dayanımının önemli ölçüde arttığı görülmüştür [11]. Yapılan başka bir çalışma da göstermektedir ki eklemeli imalatın temel kullanım Lazer, Electron Beam veya Recine yöntemi ile üretilen parcalar; HIP te ısıl işleme tabi tutularak yüksek mukavemet ve yorulma ömrü kazandırılabilir[3].
3.2 Dökümlerin Yoğunlaştırılması
HIP işlemi, dökme metal parçaların performansını ve dayanıklılığını geliştirmek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Porozite adı verilen iç gözeneklilik ortadan kaldıran HIPped dökümler tipik olarak daha pahalı işlenmiş veya dövme ürünlerinkilerle karşılaştırılabilir yorgunluk ömrüne ve mekanik özelliklere sahiptir. HiP’in, alüminyum alaşımlarının dökümünde en önemli hatalardan biri olarak kabul edilen poroziteye karşı malzemede iyileştirici bir özelliği bulunmaktadır. Porozite, gözenek anlamında kullanılmakta, açık ve kapalı olmak üzere iki türde malzemede bulunmaktadır[22].Yapı içerisinde porozitenin yer alması, dökümün mekanik özelliklerini ve korozyon dayanımını olumsuz yönde etkilemektedir. Bilinen döküm hatalarından birisi olan porozitenin oluşumu katılaşma sırasında gazın çözeltide çökelmesi ya da hacimsel çekintileri telafi etmek için sıvı metalin taneler arası bölgeleri beslemesindeki yetersizliklerinden kaynaklanmaktadır [23]. Yapı içerisindeki porozitelerin giderilmesi istenilen mekanik özelliklerin (mukavemet, tokluk, %uzama gibi) elde edilmesinde son derece büyük bir öneme sahiptir [24].
HIP yoğunlaştırma için en yaygın kullanılan malzemeler, titanyum, nikel bazlı süper alaşımlar ve paslanmaz çelikler gibi yüksek performanslı metallerdir. Bu malzemeler, havacılık, tıp ve enerji üretim endüstrilerinde kullanılmaktadır. Döküm türbin kanatları, eklem implantları ve motor bileşenleri tipik olarak katılaşma sırasındaki büzülme nedeniyle iç boşlukları ve kusurları içerir. Bu kusurlar HIP sürecinde giderilmektedir.
Şekil 3‑1 İç poroziteyi gidermek için HIP uygulaması yapılan bir döküm ürünü[1].
3.3 Toz Metalürjisi
Sıcak izostatik presleme (HIP), toz metalürjisin de önemli bir rol oynamaktadır. Sıcak Izostatik Presleme yöntemi, toz metalurjisinde tozu tam yoğun parçalara dönüştürmekte de kullanılır. Bu şekilde, geleneksel eritme, presleme ve sinterleme üretim teknolojileriyle elde edilenden malzemeler daha üstün mekanik özellikler ulaşmış olur[3]. Toz, şekillendirilmiş sac metal içine hapsedilir ve net şekle çok yakın parçalar üretmek için HIP işlemine tabi tutularak yüzey kalitesi ve mekanik özellikler açısından ihtiyaçları karşılayan malzemeler elde edilmektedir.
3.4 Endüstriyel Uygulamalar
HIP uygulamalarında başarılı sonuçlar alınmış endüstriyel ürünler incelendiğinde karışımıza pek çok farklı sektörden farklı ürün çıkmaktadır. Bunlar sırası ile bir iki cümlede aşağıdaki gibi açıklanmıştır.
Yüksek sıcaklık basınç, yorulma dayanımı aşınma dayanımı gibi pek çok özelliğe sahip olması gereken jet motorları için kullanılan gaz türbin kanatçıkları havacılık HIP uygulamaları ile iyileştirilmiş parçalardan biridir. Daha hafif ve yakıt açısından daha verimli araçlar arayışı, otomotiv endüstrisinde alüminyum döküm alaşım bileşenlerinin kullanımının artmasıyla sonuçlandı. Bu alanda HIP teknolojisinin ilk uygulaması yarış motor parçaları içindi ve bugün yüksek performanslı ticari otomotiv pazarında sıklıkla tercih edilmektedir[1]. Motor parçaları özellikle alüminyum alaşımlı silindir blokları HIP yöntemi ile daha dayanıklı ve yapısal özellik bakımından daha etkin hale gelmiştir. Şekil 3.2’de Hip uygulaması yapılmış olan alaşımlı metal silindir kapağı görülmektedir.
Şekil 3‑2 HIP silindir kafası[3].
Otomotiv endüstrisinde HIP, motor ve gövde parçalarının yanı sıra otomobil jantlarında da kullanılmaktadır. Jant üretimi için tokluk en önemli mekanik özelliklerden birisidir. Özellikle bir araçta güvenlik ekipmanı olarak kullanılan jantların kırılmaya uğramadan önce belirli bir deformasyona uğraması gerekmektedir. Bu duruma göre uygulama kısmında elde edilen sonuçlar birlikte değerlendirilecek olursa, döküm işlemi sonrası uygulanacak HIP ve ısıl işlem prosesleri jant üretiminde kabul edilebilecek bir tokluk değerlerinin elde edilememesine neden olacaktır. OEM firmalarının belirlemiş olduğu şartnamelere göre akma dayanımlarının minimum 150 MPa, kopma dayanımlarının ise minimum 250 MPa olması kabul edilebilir değerlerdir[5].Firmanın tokluk değerlerini yüksek istemesinin nedeni jantların kullanımı sırasında hasar olayı öncesi önemli ölçüde plastik deformasyonun meydana gelerek darbe ve titreşim enerjisini emebilmesidir.
HIP uygulaması olan bir başka sektör ise medikal ürün sektörüdür. Medikal implant üretiminde kullanılan CoCrMo (Co-bazlı alaşım ASTM (ağırlıkça% 28.5 -% Cr - 6.3 ağırlıkça% Mo), tıbbi implantlar, örneğin; diz protezi ve genellikle yatırım döküm tarafından işlenir[11].), Ti6Al4V gibi özel alaşımlı ürünler kullanılmaktadır. Ayrıca, bu ürünlerin ortak noktası yüksek tokluk, dayanım, aşınma ve korozyon direnci gibi özelliklere sahip ve haddeleme, döküm gibi farklı yöntemlerle elde edilmiş alaşımlar olmasıdır. Farklı yöntemler farklı ürün kusurları demektir. HIP uygulaması ile yoğunluğu artırılan ve yapısal kusurları giderilen bu ürünler implante edilebilirlik seviyesine getirilmektedirler. sektör de var ki Vana gövdeleri ve diğer petrokimyasal işlem ekipmanları; kritik mühimmat parçaları; takımlar, kalıplar ve genel mühendislik parçaları; püskürtme hedefleri ve PM alaşım biletleri ve net şekle yakın (NNS) parçalar[3].
4. Mazlemelerdeki Mevcut İyileştirmelere Yönelik Çalışmalar
Bu bölümde, HIP yöntemine yönelik yapılmış akademik çalışmalar ve neticesinde malzemenin kimyasal, mekanik ve yapısal özelliklerindeki değişimler incelenmiştir. Öncelikle şu bilinmelidir ki, HIP, tek bir proses döngüsünde birden fazla difüzyonla birleşme üretebilir. HIP kaplama, korozyon ve aşınma direnci gibi üstün özelliklere sahip üst düzey malzemeleri, parçanın düşük maliyetli ve etkin şekilde tasarlanabilmesi amacıyla için yaygın şekilde kullanılır. Pek çok kompozit polimer ve seramiğin yanında, nikel, kobalt, titanyum, molibden, alüminyum, bakır ve demir bazlı alaşımlar; oksit ve nitrür seramikler; camlar; ara metalikler ve üst düzey plastikler HIP işlemine tabi tutulabilir.
Eklemeli imalat yöntemleri, diğer üretim yöntemlerine göre, esnek tasarım özgürlüğü, düşük fire miktarları, boyutsal doğruluk, kişiye özgü ürün ve prototip tasarım kolaylığı gibi avantajlara sahip olmasına rağmen malzemede tokluk, süneklik ve diğer mekanik özelliklerdeki yetersizlikleri sebebi ile endüstriyel uygulamalarda aktif bir şekilde kullanılmamaktaydı. SLM, tamamen işlevsel üç boyutlu bir parça oluşturmak için bir CAD modelinin kullanıldığı ilave bir üretim sürecidir. İşlem sırasında, art arda metal tozu katmanları tamamen erimiş ve birbirlerinin üzerinde birleşmiştir. SLM’de, toz yataklı lazer ışınının kısa etkileşimi, termal gerilimlerle birlikte hızlı ısıtma ve erime sağlar. Sıcak izostatik presleme yontemi (HIP), iç boşlukları ortadan kaldırarak dökümlerin mekanik özelliklerini geliştirir. Yüksek basınç ve sıcaklığın eş zamanlı uygulanması, malzemenin katı halde akmasını ve atomik seviyede bağlanmasını sağlar. Metal, seramik, kompozit ve/veya polimer tozlardan tam yoğunlukta malzemeler üretiminde kullanılır. HIP üretim yöntemi, alternatif toz metalurjisi (PM) ile elde edilenden daha iyi malzeme özellikleri sağladığı görülmüştür. Bu çalışmada, ASTM F75 ve ASTM F75 standartlarına göre PM SLM yöntemleri ile üretilen ürünlerin mekanik özellikleri incelenmiştir. Bu çalışmadaki örnekler ilk önce selektif lazerli eritme ile üretildi ve örneklerin bir kısmı sıcak izostatik presleme (HIP) ile yeniden işlendi. PM-SLM materyali, sadece SLM durumunda ki hali ile de mekanik olarak test edildi. SLM malzemesinin mekanik özelliklerinin döküm malzemesi olarak yorulma dayanımı seviyesine ulaşmadığı tespit edilmiştir. HIP tarafından yapılan yoğunlaştırma sonrası muamele, SLM malzemesine kıyasla yorgunluk mukavemeti konusunda belirgin iyileştirmeler sunmuştur[11]. SLM ile ilgili başka bir çalışma göstermektedir ki, SLM-CCM'nin gerilme mukavemeti, dökme alaşımın mukavemetinden daha iyi değerler elde ederken, [12] SLM materyalleri için kritik yükleme durumu malzeme yorgunluğu olduğu gözlemlenmiştir. Leuders et al. SLM tarafından üretilen TiA6V4 raporunda, kalan gözeneklerin yorgunluk davranışı üzerinde çok büyük bir etkisi olduğu rapor edilmiştir.[13] SLM yöntemi ile imalatta mazleme yüksek yoğunluklara ulaşabilir ancak malzemenin mekanik özelliklerinin ve yorulma ömrünün iyileştirilebilmesi için kalan gözenekliliğin giderilmesi gerekmektedir. Çalışmada değinilen bir başka nokta çatlamaların giderilmesi üzerinedir yani çatlamaların minimize edilmesi kullanım ömrünü uzatan, akma dayanımı ve kırılma dayanımını artırmayı sağlayan parametredir. Bu konu ilave yapacak olursak, malzemedeki iyileştirmeler için izotropik olmayan malzemeler için dislokasyonların oluşumu incelenmeye değer bir husus olduğu söylenebilir.Bir başka çalışmada, malzemedeki mikro gözeneklilik miktarını azaltmak için sıcak izostatik presleme (HIP) uygulanmıştır. Bir cıva intrüzyon porozimetresi, HIPped numunelerin gözenek ebadı dağılımını ölçmüştür. Mikro-gözeneklerin çoğunun, HIP'den sonra büyük ölçüde azaldığını belirten sonuçlar elde edilmiştir. HA(hidroksiapatit kompozit kaplama) kaplamalarda HIP sonrası yoğunluk gibi fiziksel özellikler ve mikro sertlik oranlarında iyileşmelere yönelik sonuçlar elde edilmiştir[16].
Malzemelerde oluşan porozite yani gözenekliliğin giderilmesine ilişkin bir başka çalışmada ise gözenekliliğin kökenleri basit gaz muhafazası formlarında bulunduğu, aynı zamanda malzeme büzülmesinde veya bir kaynak havuzundaki bileşenlerinde çözünürlük azalmasında da bulunduğu gözlemlenmiştir. SLM malzemesinin özelliklerini geliştirmek için, bir HIP işlemi olan müteakip ısıl işlemler kurulmuştur. Parçacık sınır karbürlerinin oluşumu, bileşenin çözülmesi için malzemenin 1200 0C veya üstüne ısıtılmasıyla önlenmektedir. Hızlı soğutma daha sonra karbürlerin çökelmesini önler. Malzeme homojenize edildiğinden, ısıtma hızı işlemde hiçbir rol oynamaz. Dökülmüş CCM için bildirilen yorulma dayanımı 310 MPa'nın altındadır, dövme (sonraki ısıl işlemle) ve sonraki HIP işlemi ile döküm, 600 MPa'nın üzerinde bir yorulma dayanımı sağlar[11]. Bununla birlikte, HIP sonrası teorik yoğunluğun% 99.7'sine ulaştıktan sonra küçük bir yoğunlaştırma (% 0.1) elde edildi[17]. Yüksek sıcaklık ve basınç değerleri malzemelerin özelliklerine göre değişkenlik göstermekte olup ergime sıcaklığının altında tutulmaktadır. Üretimde oluşan iç boşlukları ve gözenekliliği ortadan kaldırmak için kritik uygulamalara yönelik döküm parçaları HIP işlemine tabi tutularak hataların giderilip mekanik özelliklerin iyileştirilmesi sağlanmış olunur.
Travma ve Artroskopi ygulamalarına yönelik bir çalışma HIP uygulamasını farklı bir açıdan ele almaktadır. Sıcak izostatik presleme (HIP), kemik implantasyonu için ticari olarak saf bir titanyum (cpTi) substratı üzerinde hidroksiapatit (HA) kaplamaları üretmek için kullanılmıştır. Labrador Retriever köpeklerde altçenelerinin alt sınırına yerleştirilen HIP ile işlenmiş HA kaplı implantlar 3 ay boyunca klinik takipte bırakılmıştır. Sonrasında ışık mikroskobu ve SEM'de incelendiğinde görülmektedir ki HIP işlenmiş HA kaplamaları, plazma püskürtmeli kaplamalara kıyasla daha yoğun bir durumdadır. Bununla birlikte, yeni kemik üretimi HA kaplı implantlar için kumlanmış cpTi implantlarından çok daha fazla olmuştur. Kemik oluşturan ve kemik emen hücrelerin varlığı, implant yerleştirilmesinden 3 ay sonra arayüz alanında aktif kemiğin yeniden şekillendiğini göstermektedir. Mevcut sonuçlar, epitaksiyel kemik büyümesinin HA kaplı implant yüzeyinden meydana gelebileceği görüşünü desteklemektedir. Mevcut HIP işlenmiş HA malzemesinin yoğunluğunun, kaplamaların biyoaktif özelliklerini azaltmadığı sonucuna varıldı[18]. Ko-bazlı alaşım F75'ten yapılan ortopedik implantların üretimi için SLM'nin kullanımı araştırılmıştır. Doğru seçilmiş toz özelliklerine ve işlem parametreleri ile, yüksek yoğunluklu ve tek tip mikro yapının üretilebilmiştir. Yorulma dayanımı test edildi ve döküm yolu ile ürettilen F75 malzemesiyle karşılaştırıldı. SLM durumundaki yorulma dayanımı, döküm durumuna göre kayda değer derecede düşük olduğu ortaya çıktı. HIP ile yapılan bir yoğunlaştırma ve ısıl işlem aşaması, kalan tüm gözeneklerin kapatılması ve olağanüstü yüksek yorğunluk mukavemet değerlerine yol açan mikro yapının tamamen yeniden kristalleştirilmesiyle sonuçlandı[11]. Bu çalışma sonuçlarına göre Hip uygulamasının, ASTM standartları da dikkate alındığında implant ürünler için yeterli seviyede mekanik dayanım sağladığını göstermektedir ancak implantın insan vücudunda kullanımı için biyouyumluluk testlerin yapılıp sonuçların valide edilmesi gerektiği unutulmamalıdır.
Bu çalışmada, toz metarlurjisi yöntemi ile HIP yoğunlaştırılması ele alınmıştır. HIP (Hot Isostatic Pressing) yöntemi ile yeni bir matris malzemesi üretildi ve belirli oranlarda CuSn (85/15) bronz alaşımına Kobalt ve Nikel elementleri ilave edildi ve üretim sırasında sinterleme sıcaklığının etkisi incelendi. HIP yönteminin en büyük avantajlarından biri, sinterleme işlemi sırasında ısı ve basıncın aynı anda uygulanmasıdır. Böylece, üretim sırasındaki boşlukların tamamı ya da neredeyse tamamı kaldırıldı ve daha yoğun bir malzeme elde edildi. Operasyon sırasında sinterleme basıncının 30 MPa, sinterleme süresinin 15 dakika olduğu ve sinterleme sıcaklığının 700 0C ile 800 0C arasında değişken parametre olarak seçildiği sabit tutuldu. Sinterleme işlemi, ilk yanma anından sonra vakum altında gerçekleştirildi. Üretilen örnekler daha sonra metalografik olarak hazırlandı ve devamında mikroyapı çalışmaları için SEM ve EDS analizleri yapıldı. Numunelerden mikro sertlik alınmış ve numunelerin mekanik davranışlarını incelemek için üç noktalı eğilme testi yapılmıştır. Son olarak örneklere yoğunluk testi uygulanmış ve deneysel ve teorik yoğunlukları hesaplanmıştır. Sonuç olarak, sinterleme sıcaklığı arttırılarak daha homojen örnekler elde edildiği görülmüştür[3]. Toz metalurjisi yöntemiyle farklı tip ve oranlarda seramik tozu eklenerek yapılan bronz bazlı malzeme üretimi sonrasında aşınma testlerinde en iyi sonuç 350 MPa presleme basıncında ve 820 0C sıcaklıkta elde edilmiştir. Mikro yapı görüntülerinden, malzemedeki düşük erime tozlarının sıvı faz sinterlemesi ve buna bağlı olarak gözeneklerinin küçüldüğü tespit edilmiştir. Sinterleme sırasında düşük erime sıcaklığına sahip bazı metal tozlarının buharlaştırıldığı da gözlenmiştir[3].
HIPed seramik numunelerin mekanik değerleri, oda sıcaklığında sinterlenmiş olanlardan çok daha yüksektir. HIPed te elde edilen kusur boyutları yaklaşık 10 um iken sinterlenmiş numunelerden 50-500 / um arasındadır ve görülmektedir ki HIPed kusur boyutlarını çok daha küçük seviyeye indirgemektedir. Tek eksenli sıcak presleme ile üretilenler üzerine HIPing ile üretilen ZTA seramiklerinin bir avantajı, mikro yapının ve dolayısıyla mekanik özelliklerin daha izotropik ve homojen olmasıdır[20].Bu nedenle, önlenmiş zirkonya ile sertleştirilmiş alümina seramiklerinin mekanik özellikleri, kapsülleme olmaksızın bir molibden fırında HIP sonrası düşük sıcaklık sonrası önemli ölçüde iyileştirilebilir.
HIP yöntemini, FeCrAl ve Zr alaşımlarına da uygulanmıştır. Çalışmada HIP sıcaklıklarını 700 0C ile 1050 0C arasında seçtiler. HIPped örneklerinin mekanik özelliklerini dört noktadan bükme ve çekme testleri ile değerlendirdiler. 700 0C'de HIP ile elde edilen örneklerden daha yüksek dayanımlar elde etmişlerdir. HIP sıcaklığının artmasıyla arayüzde oluşan difüzyon tabakasının ve kalınlığının arttığını ve 950 0C'ye kadar olan arayüzeyde intermetalik bileşik ve oyuğun gözlenmediğini belirtti[19]. Ayrıca, HIP ile sıcaklığın Cr ve Si üretimi üzerindeki etkileri üzerine bir çalışma yapılmış, numunelerin mikroyapıları ve gözeneklilik özelliklerini incelenmiştir. Çalışma sonucunda HIP uygulamalarındaki optimum sıcaklığı 1100 0C olarak belirlenmiştir.
Üretim sürecinin farklı noktalarında yapılan bu uygulamaların genelinde HIP uygulaması ile yapı içinde var olan boşluk ve porozitelerin mikroyapı görüntülerinde de gözle görülür bir şekilde kaybolduğu sonucuna varılmıştır. Özellikle HIP uygulaması sonrasındanumunelerin dış yüzeyinde oluşan çukurlaşmalar (üstte) (Şekil 4.1) numunenin içyapısındaki bu boşlukların basınç etkisi ile doldurulduğunun(altta) bir göstergesi niteliğindedir. Gaz giderme uygulanmış numune incelendiğinde ise aynı işlem uygulanmış numunelere ilave olarak HIP uygulanması yapı içerisindeki porozitelerin bertaraf edilmesinde büyük bir avantaj sağlamaktadır[21].
Şekil 4‑1 Hip öncesi(üstte) ve sonrası (altta) durum
Alüminyum alaşımlarında HIP sonrasındaki akma dayanımlarının bariz bir şekilde iyileşmesinin ana nedeni HIP uygulaması sonrasında yapı içerisindeki porozitelerin giderilmesi [21] ve A356 alüminyum alaşımına ısıl işlem uygulanması durumunda yapı içerisinde mukavemet artışını sağlayan Mg2Si fazlarının oluşmasıdır[5]. Çalışma verileri dikkate alındığında en uygun işlem proses sırasının döküm ardından HIP ve akabinde ısıl işlem uygulaması olduğu görülmektedir.
6. Kaynaklar
1. Zimmerman, Franz X., and Jerry Toops. "Hot isostatic pressing: today and tomorrow." Avure Technologies, www. avure. com(2008).
2. Bodycote,Sıcak izostatik presleme, https://www.bodycote.com/tr/hizmetler/sicak-izostatik-presleme/(2019)
3. Yildiz T,Kati N., Gür A.K., "The effect of sintering temperature on microstructure and mechanical properties of alloys produced by using hot isostatic pressing method", Journal of Alloys and Compounds, 20018.
4. Hasmak, "AVURE TECHNOLOGIES - Sıcak İzostatik Presler", http://www.hasmak.com.tr/yeni/avure-sicak-izostatik-press-(hip).html(2019).
5. Aybarç, Uğur, et al. "Sıcak izostatik preslemenin A356 alaşımının metalürjik ve mekanik özelliklerine etkisi." Gazi Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi 32.4 (2017): 1327-1336.
6. Dadbakhsh S., Hao L., Effect of hot isostatic pressing (HIP) on Al composite parts made from laser consolidated Al/Fe2O3 powder mixtures, J. Mater. Process. Technol., 2474-2483, 2012.
7. Ceschini L., Morri A., Sambogna G., The effect of hot isostatic pressing on the fatigue behaviour of sand-cast A356-T6 and A204-T6 aluminum alloys, J. Mater. Process. Technol., 204, 231-238, 2008.
8. Mostafavi Kashani S.M., Rhodin H., Boutorabi S.M.A., Effects of hot isostatic pressing on the tensile properties of A356 cast alloy, Iranian Journal of Materials Science & Engineering, 10, 54-64, 2013.
9. Zimmerman F.X., Toops J., Hot Isostatic Pressing: Today and tomorrow, http://www.hasmak.com.tr /eng/tozpdf/HIP-Today-and-Tomorrow.pdf, Yayın tarihi Ocak 15, 2008. Erişim tarihi Ağustos 2, 2016.
10. Mohseni, Ehsan, Erfan Zalnezhad, and Abdul Razak Bushroa. "Comparative investigation on the adhesion of hydroxyapatite coating on Ti–6Al–4V implant: A review paper." International Journal of Adhesion and Adhesives 48 (2014): 238-257.
11. Haan, J., et al. "Effect of subsequent Hot Isostatic Pressing on mechanical properties of ASTM F75 alloy produced by Selective Laser Melting." Powder Metallurgy 58.3 (2015): 161-165.
12. Takaichi, Atsushi, et al. "Microstructures and mechanical properties of Co–29Cr–6Mo alloy fabricated by selective laser melting process for dental applications." Journal of the mechanical behavior of biomedical materials 21 (2013): 67-76.
13. Leuders, Stefan, et al. "On the mechanical behaviour of titanium alloy TiAl6V4 manufactured by selective laser melting: Fatigue resistance and crack growth performance." International Journal of Fatigue 48 (2013): 300-307.
14. Xu, Hanbing, et al. "Degassing of molten aluminum A356 alloy using ultrasonic vibration." Materials letters 58.29 (2004): 3669-3673.
15. Xu, Hanbing, Thomas T. Meek, and Qingyou Han. "Effects of ultrasonic field and vacuum on degassing of molten aluminum alloy." Materials Letters 61.4-5 (2007): 1246-1250.
16. Khor, K. A., C. S. Yip, and P. Cheang. "Post-spray hot isostatic pressing of plasma sprayed Ti 6Al 4V/hydroxyapatite composite coatings." Journal of materials processing technology 71.2 (1997): 280-287.
17. Scherrer, S. S., et al. "Post-hot isostatic pressing: A healing treatment for process related defects and laboratory grinding damage of dental zirconia?." Dental materials 29.9 (2013): e180-e190.
18. Wie, Henrik, Håkon Herø, and Tore Solheim. "Hot isostatic pressing-processed hydroxyapatite-coated titanium implants: light microscopic and scanning electron microscopy investigations." International Journal of Oral & Maxillofacial Implants 13.6 (1998).
19. Park, Dong Jun, et al. "FeCrAl and Zr alloys joined using hot isostatic pressing for fusion energy applications." Fusion Engineering and Design 109 (2016): 561-564.
20. Barinov, S. M., et al. "Effect of post-hot isostatic pressing on mechanical properties of zirconia-toughened alumina." Journal of materials science letters 14.12 (1995): 871-872.
21. Lee, Min Ha, et al. "Effects of HIPping on high-cycle fatigue properties of investment cast A356 aluminum alloys." Materials Science and Engineering: A 340.1-2 (2003): 123-129.
22. Porozite, Gözenekli iç ve dış kusurlar "Metalurji terimleri",http://www.metalurjix.com/porozite-terimi-59.html,2010
23. Xu H., Jian X., Meek T.T., Han Q., Degassing of Molten Aluminum A356 Alloy Using Ultrasonic Vibration, Mater. Lett., 58, 3669-3673, 2004.
24. Xu H., Meek T.T., Han Q., Effects of ultrasonic field and vacuum on degassing of molten aluminum alloy, Mater. Lett., 61, 1246-1250, 2007.
Comments