Microestructura y comportamiento mecánico (estático/dinámico) de la aleación Ti-6Al-4V procesado mediante FA de lecho de polvo y deposición directa. Estudio de la influencia de parámetros de proceso y postproceso

Abstract

Las tecnologías de fabricación aditiva están aumentando en importancia para las aplicaciones aeroespaciales y médicas, donde la demanda de una comprensión fundamental y previsibilidad de las propiedades estáticas y dinámicas de los materiales es alta. La fusión por haz de electrones más conocido por sus siglas en inglés como Electron Beam Melting (EBM)
es una tecnología de fabricación aditiva basada en lecho de polvo de metal que hace posible la fabricación de piezas tridimensionales partiendo directamente de modelos CAD. La aleación de titanio Ti-6Al-4V es la aleación más utilizada y estudiada para la tecnología EBM. En su condición ELI (elementos intersticiales extra bajos), la aleación Ti-6Al-4V es también el material analizado en esta tesis. La fabricación de componentes metálicos capa por capa en la tecnología EBM crea una microestructura direccional única y en consecuencia, el material
tiene propiedades anisotrópicas. Los mecanismos de formación de la microestructura y su influencia en las propiedades mecánicas del material no han sido estudiados completamente para el Ti-6Al-4V fabricado por EBM (EBM Ti-6Al-4V). Además, las propiedades y mecanismos de crecimiento de grietas por fatiga para el EBM Ti-6Al-4V apenas se han investigado, lo que constituye una barrera para su adopción en aplicaciones estructurales de alta integridad.
El trabajo mostrado en esta tesis agrega estudios más sistemáticos en estas áreas, logrando una mejor comprensión de los efectos de las condiciones de procesamiento y la relación microestructura-propiedades. En este trabajo se han estudiado exhaustivamente la relación de algunas variables de fabricación para el EBM Ti-6Al-4V (orientación relativa y ubicaciones de las muestras, tratamientos térmicos, etc.) y las características y propiedades intrínsecas del
material resultante (topografía de la superficie, microestructura, porosidad, micro dureza y propiedades estáticas y dinámicas).

Este estudio establece que la porosidad es el principal factor que controla las propiedades mecánicas en relación con las otras variables estudiadas. Por lo tanto, todos los desarrollos con el objetivo principal de mejora de las propiedades mecánicas deben primero disminuir la porosidad antes de avanzar en otros aspectos del material. Muestras, fabricadas con un algoritmo de generación de parámetros de proceso optimizado han mostrado valores de
porosidades mínimas, permitiendo el estudio de la influencia de otras características tales como la microestructura del material resultante.
Se ha mostrado cómo la microestructura está influenciada por el tiempo de permanencia y la temperatura del material en la cámara de fabricación durante el proceso EBM, influyendo ésta a su vez en las propiedades mecánicas. La microestructura propia, obtenida por el proceso EBM, ha sido modificada mediante tratamientos térmicos basados en tres enfoques. En el primer enfoque, se ha estudiado el efecto de varias velocidades de enfriamiento después de
un tratamiento de recocido β. En el segundo enfoque, se ha estudiado el efecto de la temperaturas y tiempos de recocido en los espesores de las láminas α, estableciendo una serie de correlaciones que relacionan el espesor de la lámina α y las propiedades mecánicas del material. El tercer enfoque ha consistido en un estudio de parámetros de envejecimiento, tiempo y temperatura, tras un proceso de solubilización y temple al agua.
Otro logro relevante de esta tesis es el desarrollo de una comprensión fundamental de los mecanismos de crecimiento de grietas por fatiga en relación con la microestructura direccional del EBM Ti-6Al-4V. Para ello se ha estudiado la propagación de grietas en dirección paralela y perpendicular a la dirección de fabricación del proceso EBM, para diferentes relaciones de tensión y etapas del proceso de crecimiento de grietas. Se ha investigado la interacción entre la microestructura direccional EBM y se ha comparado con la interacción de la microestructura recocida β equiaxial obtenida tras un recocido por encima
de la temperatura β transus. Se ha creado un modelo analítico para el umbral de crecimiento de grieta de fatiga, ΔKth, para las dos direcciones relativas de propagación de grietas y para diferentes relaciones de tensión. Finalmente, también se ha realizado una comparación de microestructura, propiedades mecánicas y propiedades de fatiga entre el proceso EBM y el proceso LMD para el material Ti-6Al-4V. En general, este trabajo puede ser considerado como una contribución para el área de la ciencia aplicada de los materiales y una parte valiosa en el desarrollo de componentes de Ti6Al-4V fabricados por EBM. Los resultados obtenidos en esta tesis aportarán un mayor conocimiento a las bases de datos que utilizan los diseñadores en el proceso de desarrollo de distintas aplicaciones, de manera que puedan ser empleados a la hora de considerar el Ti-6Al4V fabricado por EBM como un material y un proceso de fabricación válidos para la creación de dichos componentes

Date of Award	2020
Original language	English
Awarding Institution	Universidad del País Vasco (UPV/EHU)
Supervisor	Javier J. Gonzalez Martinez (Supervisor) & Maider Garcia De Cortazar Aguirrezabal (Supervisor)