Improvement of mechanical properties in grade 5 titanium alloy through innovative heat treatments

This thesis investigates the influence of different thermal treatments on the mechanical behaviour of Ti-6Al-4V (Grade 5 titanium alloy) with the aim of improving its performance in structural and high-performance applications. Ti-6Al-4V is widely used in aerospace, biomedical, and automotive sectors due to its high strength-to-weight ratio and excellent corrosion resistance. However, the concurrent optimisation of strength, ductility, fracture toughness, and fatigue resistance remains a major challenge. The microstructural sensitivity of this alloy to thermal history makes heat treatment a critical tool for tailoring its mechanical response. Four distinct microstructural conditions were produced: the as-annealed (A) state, the solution-treated and aged (STA) condition, the β-annealed (BA) structure, and a novel treatment involving β-solution treating followed by overageing (BSTOA). Microstructural observations were carried out using optical and scanning electron microscopy to analyse α/β phase morphology, grain size, and distribution. Mechanical characterisation included tensile, hardness, impact, fracture toughness, and fatigue tests to determine the influence of each heat treatment on the alloy’s performance. The A condition provided the highest ductility, making it suitable for applications requiring high formability or subsequent cold working. The STA condition achieved the highest strength and hardness, suitable for highly loaded aerospace components. The BA microstructure exhibited improved fracture toughness owing to its coarse colonies, indicating its suitability for components exposed to impact or high stress intensity. The BSTOA treatment demonstrated the highest fatigue limit, offering a promising balance between strength and fatigue resistance for cyclically loaded components such as aircraft fasteners and biomedical implants. Overall, the findings confirm that an appropriate selection of the thermal route enables significant enhancement of the mechanical performance of Grade 5 titanium alloy, providing guidance for optimising its use in advanced engineering applications.

Questa tesi indaga l’influenza di differenti trattamenti termici sul comportamento meccanico del Ti-6Al-4V (lega di titanio grado 5) con l’obiettivo di migliorarne le prestazioni in applicazioni strutturali e ad alte prestazioni. Il Ti-6Al-4V è ampiamente utilizzato nei settori aerospaziale, biomedicale e automobilistico grazie al suo elevato rapporto resistenza/peso e all’ottima resistenza alla corrosione. Tuttavia, l’ottimizzazione contemporanea di resistenza, duttilità, tenacità a frattura e resistenza a fatica rimane una sfida significativa. La sensibilità microstrutturale di questa lega alla storia termica rende il trattamento termico uno strumento fondamentale per modulare la risposta meccanica. Sono state prodotte quattro condizioni microstrutturali distinte: lo stato ricotto (A), la condizione solubilizzata e invecchiata (STA), la struttura β-ricotta (BA) e un trattamento innovativo che prevede la β-solubilizzazione seguita da sovrainvecchiamento (BSTOA). Le osservazioni microstrutturali sono state effettuate mediante microscopia ottica ed elettronica a scansione per analizzare la morfologia delle fasi α/β, la dimensione dei grani e la loro distribuzione. La caratterizzazione meccanica ha incluso prove di trazione, durezza, resilienza, tenacità a frattura e fatica per determinare l’influenza di ciascun trattamento termico sulle prestazioni della lega. La condizione A ha fornito la massima duttilità, risultando adatta per applicazioni che richiedono elevata formabilità o successiva lavorazione a freddo. La condizione STA ha raggiunto le massime resistenza e durezza, idonea per componenti aerospaziali altamente sollecitati. La microstruttura BA ha mostrato una maggiore tenacità a frattura grazie alle colonie grossolane, indicando la sua idoneità per componenti esposti a urti o ad alta intensità di stress. Il trattamento BSTOA ha evidenziato il più elevato limite di fatica, offrendo un equilibrio promettente tra resistenza statica e resistenza a fatica per componenti sottoposti a carichi ciclici, come bulloneria aeronautica e impianti biomedicali. Complessivamente, i risultati confermano che una selezione appropriata del percorso termico consente un miglioramento significativo delle prestazioni meccaniche della lega di titanio grado 5, fornendo indicazioni per l’ottimizzazione del suo impiego in applicazioni ingegneristiche avanzate.