Effetto dell’orientamento della struttura sulla microstruttura e proprietà meccaniche del titanio stampato in 3D SLM

Effetto dell’orientamento della struttura sulla microstruttura e proprietà meccaniche del titanio stampato 3D SLM

Geometria campione; orientamento della stampa e impostazione in vista assonometrica.
Una delle sfide della stampa 3D è la possibilità di ottenere risultati ripetibili, come buone proprietà meccaniche e microstruttura identica, utilizzando diversi orientamenti di costruzione. Nel corso degli anni sono state pubblicate molte ricerche sull’orientamento alla costruzione, e  Patrick Hartunian  e  Mohsen Eshraghi, due ricercatori della  California State University di Los Angeles , si stanno unendo al gruppo.

Hanno pubblicato un articolo, intitolato ” Effetto dell’orientamento della costruzione sulla microstruttura e proprietà meccaniche della lega selettiva laser-fuso di Ti-6Al-4V “, sulla loro indagine sull’effetto dell’orientamento della costruzione sulla microstruttura e sulle proprietà meccaniche del titanio Ti- Lega 6Al-4V prodotta dalla stampa 3D SLM.

L’abstract dice: “Una delle sfide della tecnologia di produzione additiva (AM) è l’incapacità di generare microstruttura ripetibile e proprietà meccaniche in diversi orientamenti. In questo lavoro, è stato studiato l’effetto dell’orientamento costruttivo sulla microstruttura e le proprietà meccaniche dei campioni di Ti-6Al-4V fabbricati mediante fusione laser selettiva (SLM). I campioni costruiti con l’orientamento Z hanno mostrato una resistenza alla trazione più debole rispetto ai campioni costruiti con gli orientamenti X e Y. I campioni costruiti con gli orientamenti X e Y hanno mostrato caratteristiche di frattura fragile in aree vicine al substrato e caratteristiche di frattura duttile nell’area più lontana dal substrato. Difetti inclusi pori, crepe e particelle di polvere non fuse / parzialmente fuse hanno contribuito a ridurre le proprietà di tenacità e resistenza alla frattura in diversi orientamenti. ”
Renishaw AM250
I ricercatori hanno stampato campioni rettangolari 3D della lega Ti-6Al-4V su un Renishaw AM250 per caratterizzare la microstruttura e le proprietà meccaniche basate sull’orientamento del materiale.

“I campioni sono stati fabbricati in tre orientamenti perpendicolari senza alcun supporto. Per evitare la porosità, il pool di fusione è stato sovrapposto di una distanza sufficiente. La polvere utilizzata per stampare campioni era la lega Ti-6Al-4V ELI-0406 prodotta da Renishaw plc. con particelle di dimensioni comprese tra 15 μm e 45 μm “, hanno scritto i ricercatori.
Hartunian  ed Eshraghi hanno effettuato prove di resistenza alla trazione e alla trazione sui campioni stampati SLM 3D, oltre a eseguire analisi di metallografia, durezza e rugosità superficiale. Hanno studiato le superfici di frattura e la microstruttura dei campioni usando tecniche di microscopia elettronica a scansione (SEM).

Frattografi SEM del campione TZ: (a) l’intera superficie di frattura; (b) particelle di polvere non fuse; (c) caratteristiche miste di frattura fragile e duttile.
I test di trazione hanno dimostrato che i campioni stampati in 3D con orientamento Z, “caratteristiche di frattura planare fragili perpendicolari alla direzione di costruzione”, avevano una resa inferiore e una resistenza alla trazione. I campioni costruiti negli orientamenti X e Y presentavano caratteristiche di frattura più fragili nelle aree vicine al substrato, mentre l’area più lontana dal substrato mostrava caratteristiche di frattura duttili.

Difetti dello strato intermedio presenti nel campione TZ.
Le immagini SEM di entrambe le superfici fratturate e as-built hanno rivelato diversi difetti, come crepe, pori e particelle di polvere non fuse o parzialmente sciolte. I ricercatori hanno affermato che questi difetti “influenzano chiaramente” i risultati dei test meccanici. Ma i risultati dei test sia per la resistenza a trazione che a rottura erano coerenti con i dati che erano stati precedentemente segnalati.

“La metallografia mostrava una microstruttura α + β identica in tutti gli orientamenti di costruzione, poiché i campioni erano tutti trattati termicamente. Gli strati inferiori vicini al substrato mostravano valori di durezza inferiori rispetto agli strati superiori, a causa della variazione della velocità di raffreddamento. I difetti rivelati dalle osservazioni metallografiche sulle superfici hanno influenzato i risultati della durezza “, hanno scritto i ricercatori.
I ricercatori hanno notato che una delle caratteristiche della stampa 3D SLM è la finitura superficiale ruvida su stampe completate e l’analisi della superficie dei campioni ha mostrato dati di rugosità variabile su superfici diverse. Tuttavia, mentre c’erano valori di rugosità più elevati sulle superfici laterali, la superficie superiore dei campioni aveva caratteristiche più lisce. ”

“Nonostante i fattori di orientamento e difetti di costruzione, i valori di rugosità superficiale erano paragonabili ad altri studi”, hanno scritto i ricercatori. “Si è concluso che la microstruttura e le proprietà erano influenzate dall’orientamento della costruzione nelle leghe Ti-6Al-4V processate da SLM. I difetti hanno influenzato significativamente i risultati. L’ottimizzazione dei parametri di processo può migliorare la qualità generale dei campioni AM e fornire proprietà più uniformi in diversi orientamenti di costruzione. ”

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