Fatigue behaviour of additively manufactured Ti-6Al-4V alloys

Additive manufacturing is a technology with which it is possible to realize near-net-shape components allowing for a strong reduction in lead time and production costs compared to traditional techniques. One of the drawbacks is the final surface finishing in the “as-built” conditions. It is of vital importance to study and analyse the effect of such “as-built” surfaces in the fatigue life of AM parts. The presence of defects, intrinsic to this technology, especially on the surface, negatively affects the fatigue strength. The dependence of the defect’s orientation and morphology results in a higher scatter and a marked variability of the fatigue properties, and this makes the application of AM technology for safety-critical mechanical components still a work in progress and under validation. The present work covers the effect of the surface conditions on fatigue performances of “as-built” Ti-6Al-4V alloys, obtained through SLM, in two different orientations (vertical and horizontal). Three point bending test (3PB), together with a defect and a profile analysis, have been conducted on the specimens. An evaluation of the critical features of the surface based on the stress intensity factor has been studied and reported. Fatigue strength as a function of the measured defects has been described with the El-Haddad model, using stress intensity factor threshold data coming from fatigue crack propagation tests, and it has been compared with the results coming from the 3PB test and the defects analysis.

L’ Additive manufacturing (AM) è una tecnologia con cui è possibile realizzare componenti di forma semifinita consentendo una forte riduzione dei tempi e dei costi di produzione rispetto alle tecniche tradizionali. Uno degli svantaggi è la finitura finale della superficie nelle condizioni "as-built". È di vitale importanza studiare e analizzare l'effetto di tali superfici "as-built" nella vita a fatica delle parti AM. La presenza di difetti, intrinseci a questa tecnologia, soprattutto in superficie, influisce negativamente sulla resistenza alla fatica. La dipendenza dell'orientamento e della morfologia del difetto si traduce in una maggiore dispersione e in una marcata variabilità delle proprietà di fatica, il che rende l'applicazione della tecnologia AM per applicazioni critiche ancora in fase di convalida. Il presente lavoro tratta dell'effetto delle condizioni superficiali sulle prestazioni di fatica delle leghe Ti-6Al-4V "as-built", ottenute tramite SLM, in due diverse orientazioni (verticale e orizzontale). Sui campioni sono state effettuate test di Three Point Bending (3PB), unitamente ad un’analisi dei difetti e del profilo. È stata studiata e riportata una valutazione delle caratteristiche critiche della superficie in base al fattore di intensità di sollecitazione (SIF). La resistenza alla fatica in funzione della dimensione dei difetti misurati è stata descritta con il modello El-Haddad, utilizzando i dati sulla soglia del fattore di intensità di sollecitazione provenienti dalle prove di propagazione della cricca di fatica, ed è stata confrontata con i risultati provenienti dalla prova 3PB e dall'analisi dei difetti.