NiTi shape memory alloy produced by selective laser melting : processing, mechanical and functional properties

The aim of this thesis is the realization and characterization of NiTi Shape Memory Alloy parts using Selective Laser Melting (SLM), an Additive Manufacturing technique. Unlike conventional processes, 3D printing allows the realization of complex NiTi components. The first part of the work is the study of the raw material, the powder, followed by the choice of the process parameters, based on the state of the art. These parameters are summarized in the energy density that characterize the families of samples in the printing matrix. A relative density of 99 % for the as-built specimens is evaluated through Archimedes method and confirmed by optical microscopy. The microstructure is evaluated after etching and the texture of the SLM process with pulsated laser input is obtained. DSC analysis on the as-built and annealed (950°C, 5 h, vacuum sealed, water quenched) samples shows transformation temperatures in a wide range; their dependence on the process parameters is investigated in order to find some trends. Pseudoelastic behaviour while cycling the specimens under compressive stress at constant temperature shows a global stabilization in the irrecoverable strain per cycle as well as an increasing value for the maximum stress up to 4% of strain. The highest mechanical hysteresis and the lowest total irrecoverable strain is found for samples from families produced with higher energy density. Vicker’s microhardness presents values in the range of conventionally produced NiTi, although its variation among the process parameters is not clear yet. Thermal cycling under constant stress results in a perfect strain recovery, with transformation temperatures quite different from DSC analysis and a thermal hysteresis which is similar within the samples. Finally, thermal cycling under increasing stress is evaluated on only one specimen, which shows negligible irrecoverable strain even when the highest load is applied; this sample exhibited recoverable strain up to 4.7 %.

L’obiettivo della seguente tesi è quello di produrre dei provini di leghe a memoria di forma di Ni-Ti (nichel titanio), utilizzando la tecnica di Additive Manufacturing del Selective Laser Melting (SLM). Rispetto alle lavorazioni convenzionali, la stampa 3D permette di realizzare componenti più complesse. La prima parte del progetto si basa sullo studio del materiale grezzo, la polvere, seguita dalla scelta dei parametri di processo, basata sui i dati riportati nello stato dell’arte. Tali parametri sono riassunti nella densità di energia, la quale caratterizza le differenti famiglie di provini nella matrice di stampa. La densità relativa al 99% dei provini appena fabbricati viene, quindi, calcolata attraverso il metodo di Archimede e confermata dalla microscopia ottica. La microstruttura è valutata successivamente ad un attacco chimico e la trama strutturale dopo il processo di SLM, con laser pulsato, viene quindi ottenuta. L’analisi DSC (Differential Scanning Calorimetry) sulle parti realizzate e ricotte (950°C, 5 h, sigillato in vuoto, temprato in acqua) mostra le temperature di trasformazione in un intervallo ampio; viene di conseguenza studiata la dipendenza di queste ultime dai parametri di processo, per ricavare degli andamenti significativi. Il comportamento pseudoelastico quando i componenti sono sottoposti ad un carico ciclico di compressione, mostra una stabilizzazione della deformazione non recuperata ad ogni ciclo, con un incremento del valore del massimo sforzo al 4% di deformazione. La più grande isteresi meccanica e la minor deformazione totale non recuperata compare nei provini delle famiglie prodotte con più alta densità di energia. La durezza Vicker’s presenta valori in linea con quelli del Ni-Ti prodotto convenzionalmente, sebbene la variazione della stessa con i parametri di processo non sia ancora chiara. I cicli termici, a sforzo costante, mostrano un totale recupero di deformazione, con temperature di trasformazione abbastanza differenti da quelle ottenute con l’analisi DSC e un’isteresi termica simile tra i provini. Infine, è stato valutato un ciclo termico con applicato un carico crescente, su di un unico provino, che ha evidenziato una deformazione residua trascurabile anche sotto il carico maggiore; tale componente ha mostrato una deformazione recuperabile del 4.7%.