Selective laser melting of Ti-6Al-4V : microstructure, residual stresses and mechanical behaviour

Evolution in knowledge and understanding of phenomena behind Additive Manufacturing (AM) are growing day by day. AM is the only way to produce some of the most complex near-net shape on-demand objects for aerospace, medical and electronic field. Reduction of process time and accuracy in final product geometry make AM attractive also for industrial serial production. One of the main obstacles for it to become one of the main production technologies is still the lack of knowledge of the relation between building parameters and final microstructural and mechanical properties. The present work focuses on Selective Laser Melting (SLM) of Ti-6Al-4V, one of the most widely used structural alloys in aerospace and medical area, thanks to its good mechanical behaviour and biocompatibility. Even if in the last decades the research made steps forward, some aspects like grain structure evolution and residual stress development have still to be explained in detail. In particular, no desirable equiaxed grains have ever been obtained before without post-build heat treatment. This work aimed at an improved understanding of the effect of building parameters on grain structure and residual stresses and their correlation with Fracture Toughness. Special attention is given to grain structure development in relation with thermal cycles to which the metal is subjected, aiming at a complete equiaxed grain structure obtained with optimized building parameters. The hypothesis of recrystallization during printing due to “laser self-heat treatment” is confirmed. To investigate thermal history and final residual stresses, thermomechanical simulation of SLM production have been done using MSC Simufact. Moreover, heating cycles on non-recrystallized samples have been performed in order to prove the grain structure obtainable simulating the effect of temperature cycles produced by laser during SLM.

L’evoluzione della conoscenza e la comprensione dei fenomeni che stanno dietro l’Additive Manufacturing (AM) stanno crescendo sempre di più. L’AM è ancora l’unico modo di produrre alcuni oggetti dalle geometrie più complesse per il settore aerospaziale, medico e elettronico. La riduzione del tempo di produzione e l’accuratezza della geometria finale rendono l’AM una interessante risorsa per la produzione in serie industriale. L’assenza di conoscenza approfondita della relazione fra i parametri di stampa e le proprietà microstrutturali e meccaniche però rappresenta tutt’oggi, ancora, uno degli ostacoli più rilevanti affinché l’AM possa essere individuato come una delle principali tecnologie di produzione. Il presente lavoro si incentra sul Selective Laser Melting del Ti-6Al-4V, una delle leghe strutturali più usate nel campo dell’ingegneria aerospaziale e medica in ragione delle buone proprietà meccaniche e dell’ottima biocompatibilità. Nonostante i progressi della ricerca in materia negli ultimi decenni, alcuni aspetti come l’evoluzione della struttura dei grani e lo sviluppo degli stress residui devono ancora essere spiegati e approfonditi. In particolare, senza l’uso di trattamenti termici post-produzione una struttura dei grani equiassiale non è stata ottenuta in precedenza. Questo lavoro ha come obbiettivo quello di fornire una comprensione completa degli effetti dei parametri di produzione sulla struttura dei grani e sugli stress residui e la loro correlazione con la tenacità a frattura. Viene dato particolare riguardo allo sviluppo della struttura dei grani in relazione ai cicli termici a cui il metallo è soggetto, mirando ad una struttura granulare completamente equiassiale ottenuta con degli specifici parametri ottimizzati. Viene confermata l’ipotesi proposta nel presente elaborato relativa alla ricristallizzazione che avviene durante la stampa del provino dovuta ad un “self-heat treatment” compiuto dal laser. Per investigare la storia termica e gli stress residui finali, sono state svolte simulazioni termomeccaniche con l’uso di MSC Simufact. Inoltre, cicli termici sono stati svolti su dei provini non ricristallizzati al fine di verificare la struttura dei grani ottenibile simulando l’effetto della temperatura prodotta dal laser durante il processo di SLM.