Influence of heat treatments on the nano-fatigue behavior of additively manufactured titanium alloy Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr

Thanks to the great improvements and several advantages related to additively manufactured (AM) components, in the last decades, the industrial focus has moved to the development of “new” alloys that can show superior mechanical properties respect to the better-known or to the conventionally processed ones. The employment of titanium alloys is already widely spread in many engineering fields, such as aerospace, automotive, biomedicine and power production due to their excellent mechanical strength, corrosion resistance, biocompatibility, good creep resistance and low density. The novel and not so studied Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr alloy is acquiring more interest in the attempt to replace the well-known Ti-6Al-4V since it shows higher strength to density ratio, ductility and better high-cycle fatigue. In addition, the mechanical properties can be furtherly improved when the alloy undergoes heat treatments that allow tailoring the microstructure. The present work will focus on the analysis of the nano-fatigue behavior of differently heat treated SLM processed Ti-5553 performed with cyclic (i.e. 10^5 cycles) nanoindentation. The analysis starts from preliminary microstructural observations of the samples and then the resulting fatigue trend is compared to scanning electron microscopy images of indents to better understand how microstructure impacts on the fatigue behavior. This work is part of a bigger project with the aim to enhance the knowledge regarding the mechanical response and properties of the studied alloy at different scales of investigation, since it is currently lacking in literature.

Grazie agli sviluppi fatti negli ultimi decenni e ai diversi vantaggi legati ai componenti lavorati per Additive Manufacturing, l’interesse di vari settori industriali si è concentrato anche sullo sviluppo di materiali che fossero più adatti e prestanti quando lavorati con questa tecnologia e che potessero mostrare proprietà meccaniche superiori rispetto a componenti lavorati con tecnologie convenzionali. L’utilizzo del titanio e delle sue leghe è già largamente diffuso in diversi settori d’impiego a scopo ingegneristico come l’aerospaziale, l’automotive o il biomedico grazie alla loro eccellente resistenza meccanica, biocompatibilità, resistenza alla corrosione, buona resistenza al creep e bassa densità. Tra le leghe di titanio, alcune sono considerate recenti e poco affidabili perché sono ancora oggi poco studiate e impiegate se confrontate con, ad esempio, la ben nota Ti-6Al-4V. La lega Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr nel corso degli anni acquisisce sempre più interesse nello scenario industriale poiché è caratterizzata da un miglior rapporto resistenza-densità, duttilità e miglior resistenza a fatica; in aggiunta, le proprietà meccaniche di questa lega possono essere migliorate e manipolate, sottoponendola a trattamenti termici che ne modificano la microstruttura. In questa tesi si analizzerà il comportamento meccanico della Ti-5553 processata per SLM e sottoposta a tre diversi trattamenti termici. Le leghe saranno sottoposte a impulsi ciclici (10^5 cicli) mediante nanoindentazione. I trend di nano-fatica risultanti da questi saranno comparati alle immagini SEM delle stesse indentazioni e alle immagini della microstruttura per studiarne l’influenza. Questo lavoro è parte di un progetto più ampio, il cui scopo è di contribuire all'ampliamento della conoscenza del comportamento meccanico della lega su varie scale di osservazione, ad oggi limitato in letteratura.