Influence of feedstock type and process atmosphere on NiTi thin-walls manufactured by uLMWD

Near-equiatomic NiTi alloys, usually referred to as “nitinol”, are the most known and used family of shape memory and super-elastic alloys for biomedical and mechanical actuation purposes. While the conventional ingot and powder metallurgy manufacturing routes are industrially well established, research is currently undergoing in the field of additive manufacturing. The main issues are the control of the Ni:Ti ratio during the process and the impurity pickup. While the impact of Ni loss during the manufacturing of NiTi is known, the effect of O, N and C intake on the transition temperatures has not been widely studied. Micro laser metal wire deposition (µLMWD) is a micro additive manufacturing process in which a laser is used to layer-by-layer melt and deposit a wire feedstock. Despite its appeal with nitinol due to the large availability of NiTi wires, it has been little researched. During the µLMWD process Ni loss can occur due to the intense laser beam, while impurity intake is more likely to occur as these systems rely on local shielding with an inert gas. In this work, a pulsed-wave Nd:YAG laser has been exploited together with a prototypal in-house built numerically-controlled wire feeding system. Two commercial ∅0.5 mm NiTi wires with 50.8 at.% Ni content and different heat treatment have been tested. The heat treated wire is superelastic. Furthermore, the effect of the atmospheric oxygen concentration has been tested through depositions in a sealed chamber. A brand-new phenomenological model has been developed to describe the chemical variations (precipitation and segregation of phases) inside the material during the process. Single tracks have been deposited to assess a feasibility window for the process. Multi-layered thin walls have been successfully deposited and the geometrical effect of the process parameters has been evaluated. Differential scanning calorimetry analysis on the thin-walls showed lowered transition temperatures after a solution annealing treatment despite the Ni loss measured by EDS. This is attributed to the Ti-oxide and -nitride formation, increasing the Ni fraction available in the matrix and confirming the influence of the process atmosphere as illustrated in the phenomenological model.

Le leghe NiTi con percentuali atomiche quasi equivalenti dei due elementi, spesso note con il nome di “nitinol”, sono la famiglia più nota ed utilizzata di leghe a memoria di forma e leghe superelastiche per applicazioni biomediche o per lo sviluppo di attuatori meccanici. Se, da un lato, i processi tradizionali di fusione a lingotto e fusione di polveri sono ben consolidati a livello industriale, per le tecnologie additive si è ancora allo stadio della ricerca. I problemi principali sono il controllo del rapporto Ni:Ti durante il processo e l’assorbimento di impurezze. L’effetto della perdita di Ni durante la lavorazione del NiTi è noto, mentre l’effetto dell’apporto di O, N e C sulle temperature di transizione è stato studiato poco nel dettaglio. Con il nome di “micro laser metal wire deposition” (µLMWD) si definisce un processo additivo in cui un laser fonde un filo e ne deposita strati con accuratezza micrometrica. Nonostante molti tipi di fili di NiTi siano disponibili in commercio, questo processo è stato studiato poco. Durante il processo µLMWD la Perdita di Ni può avvenire a causa dell’intensità del fascio laser, mentre l’apporto di impurezze può avvenire a causa della protezione con gas inerte che, per questi processi, è generalmente locale. In questo lavoro, sono stati utilizzati un laser pulsato con sorgente Nd:YAG e un sistema spingi-filo prototipale controllato numericamente. Sono stati utilizzati due fili di NiTi con 50.8 at.% Ni e diametro di 0.5 mm, di cui solo uno è stato prima sottoposto a trattamento termico per renderlo superelastico. Inoltre, l’effetto della concentrazione di ossigeno in atmosfera è stato testato eseguendo le deposizioni in una camera chiusa. È stato sviluppato un nuovo modello fenomenologico per descrivere le variazioni chimiche nel materiale durante il processo (precipitazione e segregazione di fasi). La finestra di fattibilità del materiale è stata definita tramite la deposizione di tracce singole. Sono state depositate con successo pareti sottili multistrato, ed è stato studiato l’effetto dei parametri di processo sulla loro geometria. Successivamente ad un trattamento termico di solubilizzazione, le analisi di calorimetria differenziale a scansione hanno mostrato temperature di transizione più basse di quelle del filo di partenza, nonostante le misure EDS avessero rilevato una perdita di Ni. Questo comportamento è stato attribuito alla formazione di ossidi e nitruri di Ti, che hanno aumentato la frazione di Ni nella matrice metallica. Questo ha confermato l’influenza dell’atmosfera di processo come mostrato nel modello fenomenologico.