Multiaxial high cycle fatigue of as-built and machined Inconel 718 specimens produced by additive manufacturing

Additive Manufacturing (AM) represents a benchmark for the innovation in the technological processes due to the advantages offered if compared to the subtractive techniques, most of all when complex shapes are desired. The distinguishing features of AM, both virtues and flaws, are related to the layer-by-layer production process, thus the AM parts show directional characteristics and their mechanical properties can be anisotropic. The high surface roughness that characterizes the as-built AM parts has a detrimental role when the fatigue behaviour is analysed, and it cannot be reduced through machining treatments if the geometry is complex. This changes the behaviour of AM products if compared to the one of wrought materials. In this thesis, two series of hollow cylindrical Inconel718 samples are tested under different multiaxial fatigue state of stresses, obtained with the composed application of an axial force and an inner pressure with several phase shifts. The stress ratio for both the longitudinal and circumferential components is kept equal to 0.1 for all the tests. The samples have been printed in vertical direction with Selective Laser Melting (SLM) and machined externally. Then a batch is kept in this conditions, while a second batch is machined along the internal surface to reduce its roughness: applying the same state of stress to the two series, the effect of the surface roughness can be examined. After the experimental campaign, the multiaxial fatigue criteria able to represent the behaviour of the AM materials have been researched. Some criteria developed for wrought materials have been used to inspect the experimental data with the aim to prove their reliability even for the AM parts. Then, the morphology of the surface achieved has been inspected, firstly measuring the surface roughness obtained and then with the application of the short crack growth approach in order to understand the surface effect on the multiaxial fatigue life.

L’Additive Manufacturing (AM) rappresenta un punto di riferimento nell’innovazione dei processi tecnologici grazie ai vantaggi offerti rispetto ai metodi tradizionali, soprattutto nella realizzazione di forme complesse. I pregi e difetti dell’AM derivano dal processo produttivo che avviene strato per strato, perciò le caratteristiche dei componenti sono direzionali e le loro proprietà meccaniche possono risultare anisotrope. Non è possibile ridurre la rugosità tipica delle parti in AM attraverso dei trattamenti di lavorazione meccanica se la geometria del componente è piuttosto complessa, ma essa peggiora significativamente la loro vita a fatica. Ciò modifica il comportamento dei prodotti di AM se paragonati ai materiali ottenuti con processi tradizionali. In questa tesi, due serie di provini cilindrici cavi di Inconel718 sono testati a differenti stati di sforzo a fatica multi-assiale, derivanti dall’applicazione combinata di una forza assiale e di una pressione interna con diversi valori di sfasamento. Il rapporto di ciclo è pari a 0.1 per tutti i test sia per la componente assiale che circonferenziale. I provini sono stampati in direzione verticale con la tecnica Selective Laser Melting (SLM) e poi macchinati esternamente. Dopodiché un lotto è mantenuto in tale condizione, mentre un secondo lotto viene lavorato lungo la superficie interna per ridurne la rugosità: applicando lo stesso stato di sforzo a entrambe le serie è possibile indagare l’effetto della rugosità. Dopo la fase sperimentale, si é svolta una ricerca dei criteri multi-assiali a fatica in grado di rappresentare il comportamento dei materiali AM. Alcuni criteri sviluppati per i materiali convenzionali sono stati utilizzati per analizzare i dati sperimentali al fine di valutarne l’affidabilità anche per le parti in AM. Quindi, si è esaminata la morfologia della superficie risultante dal processo di SLM, sia misurandone la rugosità, sia applicando l’approccio di propagazione delle cricche corte al fine di valutare l’effetto della rugosità sulla vita a fatica multi-assiale.