Design, development and test of an inert gas enclosure for LMD

The aim of this thesis is the development of an inert gas enclosure for having optimal conditions for the additive manufacturing of reactive alloys. Due to their high reactivity with oxygen and moisture in atmospheric air titanium and aluminium are very hard to manage material without incurring in oxidation and, consequently, waste of mechanical properties of the component. In laser metal deposition (abbreviated to LMD) this aspect represents a non-trivial problem since the entire workpiece must be enclosed in an inert atmosphere. In fact, to avoid of thermal oxidation phenomena in the whole heat diffusion zone the presence of oxygen must be avoided. Additionally, reactive powders, such as aluminium and titanium, while in suspension with oxygen create a potentially explosive atmosphere. State of the art of oxidation behaviour of titanium and aluminium alloys together with safety standards were used to carry out the specification that started the design phase. An inert enclosure system capable to achieve low level of oxygen necessary to prevent hazardous explosive atmosphere were designed and successfully validate. A comparison of stainless steel deposition made with and without the inert chamber pointed out that the oxide film formed during LMD process in the inert enclosure is thinner compared to the atmosphere exposed one. In addition, also atmosphere impurities pick up are reduced confirming the quality of the designed solution. Finally, aluminium alloy single track depositions were successfully carried out.

Lo scopo di questa tesi è lo sviluppo di un involucro di gas inerte per avere condizioni ottimali per la produzione additiva di leghe reattive. A causa della sua elevata reattività con ossigeno e umidità nell'aria atmosferica, il titanio e l'alluminio sono molto difficili da gestire senza incorrere nell'ossidazione e, di conseguenza, nel deperimento delle proprietà meccaniche. Nel processo denominato laser metal deposition (abbreviato in LMD) questo aspetto rappresenta un problema non indifferente poiché l'intero pezzo deve essere racchiuso in un'atmosfera inerte. Infatti, per evitare il fenomeno dell'ossidazione termica nell'intera zona di diffusione del calore la presenza di ossigeno deve essere evitata. Inoltre, le polveri reattive, come l'alluminio e il titanio, mentre sono in sospensione con l'ossigeno creano un'atmosfera potenzialmente esplosiva. La ricerca dello stato dell'arte sull'ossidazione del titanio e delle leghe di alluminio, insieme alle indicazioni delle normative di sicurezza sull’argomento, sono stati utilizzati per identificare le specifiche che hanno dato il via alla fase di progettazione. Un sistema di camera inerte in grado di raggiungere un livello di ossigeno necessario a prevenire la formazione dell'atmosfera esplosiva è stato progettato e validato con successo. Un confronto tra deposizioni di acciaio inossidabile fatte con e senza la camera inerte hanno evidenziato che il film di ossido formato durante il processo LMD svolto nella camera inerte è più sottile rispetto a quello del processo svolto in atmosfera. Inoltre, anche le impurità raccolte sono ridotte confermando la qualità della soluzione progettata. Infine, delle deposizioni di singole tracce di lega di alluminio sono state eseguite con successo.