Substrate effects on residual stress of PVD TiN coatings

Sert seramik kaplamaların yük altında davranışlarını etkileyen önemli özelliklerinden biri içerdikleri kalıntı gerilmelerdir. Kalıntı gerilmelerin niteliği ve büyüklüğü kaplamanın taban malzemeye yapışması ve sertliği üzerinde çok etkilidir. Kaplamaların içerdiği kalıntı gerilmeleri ölçmeye yönelik değişik teknikler vardır.Bu teknikler içerisinde en yaygın kullanılanlardan bir tanesi x-ışınları kırınımıdır (XRD). Bu çalışma kapsamında ark-fiziksel buhar biriktirme (ark-FBB) tekniği kullanılarak iki farklı taban malzeme (AISI 304 paslanmaz çelik ve AISI M4 yüksek hız takım çeliği) üzerine kaplanmış olan titanyum nitrür (TiN) kaplamaların kalıntı gerilmeleri klasik kitlesel teknik ve ince film tekniği olmak üzere iki farklı x-ışınları kırınım tekniği  kullanılarak ölçülmüş ve karşılaştırılmıştır.  Anahtar Kelimeler: Kalıntı gerilme ölçümü, XRD, FBB kaplamalar.Residual stress is one of the most important characteristic of hard ceramic coatings that directly affects their behavior under loading. The residual stresses in hard ceramic films consist of thermal stress resulted from cooling after deposition due to differences in the thermal expansion coefficiency of the film and substrate, and growth stress or intrinsic stress generated during deposition. The magnitude of measured residual stress in the film depends on process parameters such as temperature, bias voltage, gas pressure, substrate, deposition time, and film thickness. The magnitude and the type of residual stress govern the adhesion and hardness properties of the coatings. Among several techniques utilized for residual stress measurements, techniques based on XRD are widely used. X-ray diffraction technique is relies on the elastic deformations within a polycrystalline material to measure residual stresses in a material. This study aims to analyze and compare the residual stress on hard ceramic TiN coatings produced by Arc-PVD technique. For this purpose two different XRD stress measurement techniques, namely classical bulk stress measurement, and thin film stress measurement were used. Every coating group were coated by using two different coating ticknesses (approximately 1mm and 3mm), two different  bias voltages (150V and 250V) and  two different substrates (AISI 304 stainless steel and AISI M4 high speed steel).Keywords: Residual stress measurement, XRD, PVD coatings

Performance optimization of drill bits using design of experiments

Deney tasarımı teknikleri mühendislik çalışmalarına önemli avantajlar getirmektedirler. Çalışmada bu yaklaşımın detayları, ince sert seramik kaplı (TiAlN ve TiN) matkap uçlarının performans optimizasyonu örneği ele alınarak incelenmiştir. Hedeflenen optimum noktaya ulaşabilmek için endüstriyel ortamda en önemli faktörler olan kaplama türü, kesme hızı ve ilerleme hızının etkileri Taguchi Deney Tasarımı tekniği yardımı ile incelenmiştir. Deney sonuçlarının değerlendirilmesinde varyans analizi ve sinyal/gürültü oranı kullanılmış, deneyler ise Taguchi L9 dik düzenine göre yapılarak, Tam Faktöriyel Deney Tasarımında gereken deney sayısının sadece üçte biri ile (27 yerine 9 deney) hedeflenen sonuçların elde edilmesi mümkün olmuştur.Anahtar Kelimeler: Deney tasarımı, ince sert seramik kaplamalar, Taguchi.In this paper advantages of design of experiment techniques in engineering applications were investigated by the example of the performance optimization problem of hard ceramic coatings on HSS drills. TiN and TiAlN coatings on HSS tools have shown significant improvements on tool life. To achieve the limits of the improvements, optimization of processing parameters is as important as the selection of proper coating type. Cutting speed and feeding rate have been chosen as the most important process parameter, which can be easily adjusted under industrial conditions. The work focused on the main effects of coating type, cutting speed and feeding rate on the overall performance by using design of experiment techniques. The statistical methods of signal-to-noise ratio and analysis of variance are applied for the analysis of the results and for the determination of the effects of each parameter on the drilling process. Design of the experiments is based on Taguchi L9 orthogonal array, which provides a decrease of the necessary number of experiments to 1/3 of a conventional full factorial design. As a result, the analyses show that an optimum cutting force is provided in case of TiAlN coatings, when cutting speed is 25 m/min and feeding rate is 164 mm/min. The efficiency of the optimization by Taguchi technique under industrial conditions has been proved by the decrease of the number of necessary experiments from 27 to 9.Keywords: Design of experiments, hard ceramic coatings, Taguchi