Additive manufacturing and characterization of Alpha''-forming Ti-22Nb alloy

alpha′′-forming Ti-Nb alloys are gaining interest because of their unique thermal expansion properties. However, while conventional fabrication processes for these Ti alloys are well-established, their processability via L-PBF is poorly understood. Therefore, this thesis aimed to investigate the influence that laser beam profile, laser speed, and laser power have on phase formation and texture evolution during L-PBF. After characterizing the Ti-22Nb (wt.%) powder, samples were printed via L-PBF, and microstructure, phase formation, texture, hardness, and thermal expansion were studied through microscopy, X-ray diffraction, chemical analysis, mechanical testing, and thermal analysis. Increasing laser power and speed, above 300 W and 800 mm/s respectively, enabled the formation of alpha′′ volume fractions exceeding 90%. Phase fractions were almost constant along the build height, with only weak variations from the bottom to the top of the sample. The [011]alpha′′ and [-100]alpha′′ directions were preferentially aligned along BD, and texture, approximately cylindrically symmetric around BD, exhibited a strength proportional to the VED. The ring profile yielded a stronger texture compared to the Gaussian beam under similar VED conditions. Thermal expansion anisotropy, enhanced with VED, was observed depending on the alignment of the testing direction with BD or the build plate, with CTE ranging from 6.63 ppm/°C to 8.33 ppm/°C. These findings demonstrated the possibility to achieve high alpha′′ content in L-PBF Ti-22Nb samples and to tailor thermal properties along specific directions by modifying the printing parameters.

Le leghe di Ti-Nb a formazione di martensite alpha′′ stanno suscitando un crescente interesse grazie alle loro peculiari proprietà di espansione termica. Tuttavia, sebbene i processi di fabbricazione convenzionali per queste leghe di titanio siano ben consolidati, la loro lavorabilità tramite fusione laser su letto di polveri (in inglese Laser Powder Bed Fusion, L-PBF) è ancora poco compresa. Pertanto, questa tesi si è proposta di indagare l’influenza del profilo del fascio laser, della velocità del laser e della potenza del laser sulla formazione delle fasi e sull’evoluzione della texture durante il processo L-PBF. Dopo aver caratterizzato la polvere di Ti-22Nb (in peso), sono stati realizzati campioni tramite L-PBF, e successivamente sono stati studiati la microstruttura, la formazione di fasi, la texture, la durezza e l’espansione termica mediante microscopia, diffrazione ai raggi X, analisi chimica, prove meccaniche e analisi termica. Un aumento della potenza e della velocità del laser, rispettivamente oltre i 300 W e gli 800 mm/s, ha permesso la formazione di una frazione in volume di alpha′′ superiore al 90%. Le frazioni della fase sono risultate pressoché costanti lungo l’altezza del pezzo, con solo deboli variazioni dalla base alla sommità del campione. Le direzioni [011]alpha′′ e [-100]alpha′′ si sono allineate preferenzialmente lungo la direzione di costruzione (in inglese build direction, BD), e la texture, approssimativamente simmetrica cilindricamente attorno alla BD, ha mostrato un’intensità proporzionale alla densità di energia volumica (in inglese Volume Energy Density, VED). Il profilo ad anello ha generato una texture più marcata rispetto al fascio con profilo gaussiano, a parità di VED. È stata osservata un’anisotropia dell’espansione termica, accentuata con l’aumento della VED, a seconda dell’allineamento della direzione di prova con la BD o con la piastra di costruzione, con coefficienti di espansione termica compresi tra 6.63 ppm/°C e 8.33 ppm/°C. Questi risultati dimostrano la possibilità di ottenere un alto contenuto di fase alpha′′ in campioni di Ti-22Nb prodotti tramite L-PBF, e di modulare le proprietà termiche lungo direzioni specifiche mediante l’ottimizzazione dei parametri di stampa.