Effect of grain refinement in Ti6Al4V produced by laser directed energy deposition additive manufacturing on microstructure and mechanical properties

In recent years, Additive Manufacturing (AM) has gathered increasing attention across industries due to its potential to address challenges such as production time, costs, and supply limitations associated with traditional manufacturing methods. Laser Directed Energy Deposition (LDED) AM provides a cost-effective solution for producing large-scale components. Ti6Al4V alloy combines the beneficial properties of α and β titanium alloys, including high strength, low density, exceptional fracture toughness, corrosion resistance, and biocompatibility, making it versatile across various sectors. It is then of paramount relevance to assess the processability of Ti6Al4V alloy produced by LDED. During this process, directional cooling along the build direction promotes the formation of large columnar prior-β grains in Ti6Al4V. These grains significantly influence the mechanical properties of Ti6Al4V alloy, resulting in directional variations in strength and ductility. This thesis investigates on strategies to reduce microstructural anisotropy of Ti6Al4V produced by LDED. Comparative analyses between specimens characterized by various microstructures obtained by different heat treatment routes was performed by optical microscopy, Scanning Electron Microscopy (SEM) and Electron Back Scattered Diffraction (EBSD). Tensile tests were conducted to assess how grain refinement influenced the mechanical properties of the alloy.

Negli ultimi anni, la Manifattura Additiva (AM) ha guadagnato crescente attenzione in diversi settori industriali grazie alla sua capacità di superare sfide legate ai tempi di produzione, ai costi e alle limitazioni di approvvigionamento tipiche dei metodi di produzione tradizionali. La tecnologia di AM tramite deposizione di energia laser diretta (Laser Directed Energy Deposition, LDED) si è dimostrata una soluzione efficiente ed economica per la produzione di componenti su larga scala. La lega Ti6Al4V, la quale combina le proprietà favorevoli delle leghe di titanio α e β, offre numerosi vantaggi come elevata resistenza meccanica, bassa densità, eccezionale tenacità alla frattura, resistenza alla corrosione e biocompatibilità. Queste caratteristiche la rendono particolarmente versatile e adatta a diverse applicazioni industriali. Pertanto, è di cruciale importanza comprendere e valutare la lavorabilità della lega Ti6Al4V quando processata tramite LDED. Durante il processo di AM, il raffreddamento direzionale lungo la direzione di costruzione porta alla formazione di grani colonnari β-primari in Ti6Al4V. Questi grani influiscono notevolmente sulle proprietà meccaniche della lega, provocando variazioni direzionali nella resistenza e nella duttilità e contribuendo all'anisotropia delle proprietà meccaniche. Questa tesi esplora strategie per ridurre l’anisotropia microstrutturale nella lega Ti6Al4V prodotta tramite LDED. Sono state eseguite analisi comparative tra campioni con diverse microstrutture ottenute mediante differenti trattamenti termici. L'indagine ha utilizzato strumenti come la microscopia ottica, la microscopia elettronica a scansione (SEM) e la diffrazione elettronica a retrodiffusione (EBSD) per caratterizzare la microstruttura. Inoltre, sono stati condotti test di trazione per valutare come l’affinamento dei grani influisce sulle proprietà meccaniche della lega.