Computational models for fatigue of additively manufactured materials obtained by L-PBF

The continuous rise of interest in Additive Manufacturing (AM) technology from the industries, particularly by space and aerospace firms, is pushing the scientific community to propose innovative and reliable computational models for assessing the reliability of the obtainable parts and components with this revolutionary technology. Although AM is a mature technology featuring the advantage of manufacturing mainly whatever complex geometries, the obtainable parts are still affected by several drawbacks that limit their massive employment in critical environments. Some of these drawbacks that negatively affect the produced parts by AM are the presence of volumetric defects, a typically rough external surfaces and the process induced residual stresses. Fracture mechanics approaches (deterministic) showed to correctly estimate both the fatigue strength and the finite life of components containing defects (both volumetric and superficial) and affected by the presence of residual stresses. The drawback of such models is that probabilistic simulations, in which a lot of variabilities have to be taken into account, are unmanageable from the required time and numerical burden point of view. Hence a fast and accurate methodology able to take into account the typical variabilities of parts produced by AM represents a stringent requirement during the design phase. In the first part of the work an alloy employed in energetic field was studied, an AMed Inonel718. This investigation aimed to the characterization of the fatigue performances of this alloy at the typical loading condition required during the service of a turbo jet engine. Different printing orientations were investigated, highlighting an anisotropic fatigue behaviour of the alloy due to both a different mean size of the defects at the failure origin and a different cyclic mechanical behaviour due to a preferential orientation of the microstructure. The second part was focused on the investigation of the residual stresses that affect a low-weight alloy which is widespread used in space applications, an AlSi10Mg. Both the effect of defects and residual stresses, in different superficial states of the tested specimens, were carefully analysed and a fracture mechanics based approach was employed for the description of the experimental results. It was found that the measurement of the residual stresses of the "virgin" specimens gives satisfactory estimations respect to the experimental results, but the accuracy of the numerical models can be increased if one considers the effect of the cyclic loading on the residual stresses relaxation. The same AlSi10Mg was tested under torsional loading conditions. The failure mechanisms was found to be strongly related with the geometry of the defect at the failure origin, with a pure Mode I propagation for cracks emanating from spherical defects and an initial Mode II followed by a Mode I propagation in case of elongated defects. The multiaxial fatigue problem of AMed alloys was figured out in the third part of the work, in which the experimental results of Ti6Al4V material were analysed with a fracture mechanics approach taking into account the defect size at the failure origin. A critical plane approach was employed to determine the crack propagation direction along the specimen thickness. It was found that, due to the big size of the defects coming from the rough external surface, all the specimens failed on the maximum principal plane direction irrespectively of the loading path. Some of the experimental investigations and the obtained numerical results were finally adopted for the development of a comprehensive probabilistic fatigue software. This software, named ProFACE, was initially developed in 2018 in PoliMI to assess the failure analysis of complex components manufactured by AM. Its capabilities were hence extended to handle the presence of superficial roughness and the effect of residual stress. After an initial tuning of the required material parameters, this software was used to estimate the fatigue life of a component-like specimens obtaining a fairly good estimations of the experimental tests.

Il continuo aumento di interesse per la tecnologia Additive Manufacturing (AM) da parte delle industrie leader nel settore, in particolare da parte delle aziende spaziali e aerospaziali, sta stimolando la comunità scientifica a proporre modelli computazionali innovativi ed affidabili per valutare l'affidabilità delle parti e dei componenti ottenibili con questa tecnologia rivoluzionaria. Sebbene l'AM sia una tecnologia matura che presenta il vantaggio di produrre geometrie di qualsiasi complessità, le parti ottenute sono ancora affette da diversi inconvenienti che ne limitano l'impiego massiccio in ambienti critici. Alcuni di questi inconvenienti che influiscono negativamente sui pezzi prodotti con la AM sono la presenza di difetti volumetrici, le superfici esterne tipicamente grezze e gli sforzi residui indotti dal processo. Gli approcci con la meccanica della frattura (deterministici) hanno dimostrato di stimare correttamente sia la resistenza alla fatica che la vita finita di componenti contenenti difetti (sia volumetrici che superficiali) e affetti dalla presenza di tensioni residue. Lo svantaggio di tali modelli è che le simulazioni probabilistiche, in cui si deve tenere conto di molte variabili, sono ingestibili dal punto di vista del tempo richiesto e dell'onere numerico. Di conseguenza, una metodologia veloce e accurata in grado di tenere conto delle variabilità tipiche dei pezzi prodotti con AM rappresenta un requisito stringente in fase di progettazione. Nella prima parte del lavoro è stata studiata una super-lega impiegata in campo energetico, l'Inonel718 ottenuta per AM. L’attività di ricerca mirava alla caratterizzazione delle prestazioni a fatica di questa lega alle tipiche condizioni di carico richieste durante l’esercizio di un motore turbojet. Sono state studiate diverse orientazioni di stampa, evidenziando un comportamento a fatica anisotropo della lega dovuto sia ad una diversa dimensione media dei difetti all'origine del cedimento sia ad un diverso comportamento meccanico ciclico dovuto ad un’orientazione preferenziale della microstruttura. Nella seconda parte l’attività di ricerca è stata focalizzata sull'analisi degli sforzi residui che interessano una lega leggera molto utilizzata nelle applicazioni spaziali, l’AlSi10Mg. Sia l'effetto dei difetti che quello delle tensioni residue, in diversi stati superficiali dei campioni testati, sono stati attentamente analizzati e per la descrizione dei risultati sperimentali è stato utilizzato un approccio basato sulla meccanica della frattura. È emerso che la misura delle tensioni residue dei provini "vergini" fornisce stime soddisfacenti rispetto ai risultati sperimentali, ma l'accuratezza dei modelli numerici può essere aumentata se si considera l'effetto del carico ciclico sul rilassamento delle tensioni residue. Lo stesso AlSi10Mg è stato testato in condizioni di carico torsionale. I meccanismi di rottura sono risultati fortemente correlati con la geometria del difetto all'origine della rottura, con una propagazione di puro Modo I per le cricche provenienti da difetti sferici e un iniziale Modo II seguito da una propagazione di Modo I nel caso di difetti allungati. Il problema della fatica multiassiale delle leghe per AM è stato affrontato nella terza parte del lavoro, in cui i risultati sperimentali del materiale Ti6Al4V sono stati analizzati con un approccio di meccanica della frattura che tiene conto delle dimensioni dei difetti all'origine del cedimento. Per determinare la direzione di propagazione della cricca lungo lo spessore del provino è stato utilizzato un approccio basato sul piano critico. È emerso che, a causa delle grandi dimensioni dei difetti provenienti dalla superficie esterna ruvida, tutti i provini hanno ceduto nella direzione del piano principale massimo, indipendentemente dal percorso di carico. Alcune delle indagini sperimentali ed i risultati numerici ottenuti sono stati infine adottati per lo sviluppo di un software probabilistico. Questo software, denominato ProFACE, è stato inizialmente sviluppato nel 2018 al PoliMI per valutare la probabilità di cedimento di componenti complessi prodotti con l’AM. Le sue capacità sono state quindi estese per gestire la presenza di rugosità superficiali e l'effetto delle tensioni residue. Dopo una prima messa a punto dei parametri dei materiali richiesti, questo software è stato utilizzato per stimare la vita a fatica di provini con una geometria complessa atti a simulare un componente reale ottenendo una buona stima rispetto ad i risultati dell’attività sperimentale.