Title The effects of mechanical and surface properties on the design of additively manufactured Ti6Al4V alloy components : doctoral thesis
Title (english) Međudjelovanje mehaničkih svojstava i hrapavosti pri oblikovanju aditivno proizvedenih Ti6Al4V elemenata : doktorski rad
Author David Liović
Mentor Marina Franulović (mentor)
Mentor Dražan Kozak (komentor)
Committee member Kristina Marković (predsjednik povjerenstva)
Committee member Jelena Srnec Novak (član povjerenstva)
Committee member Nenad Gubeljak https://orcid.org/0000-0002-3276-8431 (član povjerenstva)
Granter University of Rijeka Faculty of Engineering (Department of Mechanical Engineering Design) Rijeka
Defense date and country 2024-11-08, Croatia
Scientific / art field, discipline and subdiscipline TECHNICAL SCIENCES Mechanical Engineering
Universal decimal classification (UDC ) 62 - Engineering. Technology in general
Abstract Additive manufacturing (AM) technologies facilitate the customization of components by adjusting mechanical and surface properties, thereby meeting specific design requirements. Powder bed fusion - laser beam (PBF-LB), a rapidly advancing AM technology, allows for the customization of process parameters to achieve desired product quality. This technology is particularly effective for processing challenging-to-machine materials, such as titanium and its alloys, enabling the production of complex-shaped components. To achieve the desired product quality, knowing how exactly different combinations of process parameters influence those properties is mandatory. Therefore, this study aimed to investigate whether adjusting laser power and scanning
speed in the PBF-LB process for manufacturing Ti6Al4V components could enable the customization of mechanical performance and surface roughness to meet specific design requirements. Additionally, the study explored whether altering the unit cells in lattice structures could further expand the range of achievable mechanical properties, given that lattices can be integrated into components produced using PBF-LB technology. To achieve this, state-of-the-art in the field of AM of metallic materials was conducted with an emphasis on processing Ti6Al4V alloy using PBF-LB technology. Different specimen types and configurations were manufactured to investigate this material from multiple aspects at different scales. The variations in mechanical properties identified were insufficient to customize the properties of manufactured components substantially. Consequently, laser power and scanning speed combinations can be chosen from the defined ranges (200 to 250 W and 1000 to 1500 mm/s) without compromising mechanical performance. This flexibility enables the customization of other properties, such as surface roughness, without influencing component mechanical properties. Nonlinear regression models incorporating laser power and scanning
speed accurately describe the influence on average surface roughness of PBF-LB Ti6Al4V alloy components. Higher laser powers effectively reduce the surface roughness and mitigate the influence of scanning speed. In addition to investigating mechanical properties at the macro-scale, the influence of laser power, scanning speed, and annealing heat treatment was
analyzed at the micro- and nano-scale. The annealing heat treatment led to a decrease in hardness and creep resistance at the nano-scale. Furthermore, the laser power and scanning speed influence Young’s modulus at the nano-scale. The analysis of Young’s modulus and hardness results from annealed specimens at the nano-scale revealed a strong correlation. Lastly, since it was found that the proposed laser power and scanning speed ranges do not enable the customization of mechanical properties at the macro-scale to an extent relevant for making a substantial difference in engineering applications, the potential to customize
mechanical properties was investigated by tapering strut diameters of body-cubic centered (BCC) unite cells. It was found that tapering the diameters at the midpoint and endpoints of the struts in the BCC unit cell can significantly influence tensile mechanical properties. Lastly, the proposed finite element approach enabled efficient estimation of the mechanical properties of the BCC lattice structures subjected to tensile load. The performed research in this thesis provides a significant scientific contribution in the field of additive manufacturing of Ti6Al4V alloy by investigating the influence of PBF-LB process parameters on surface roughness and mechanical response at different scales. It also provides a procedure that can be used to estimate tensile mechanical properties of lattice structures consisting of BCC unit cells with tapered struts.
Abstract (croatian) Postupci aditivne proizvodnje (AM) omogućuju izradu topološki složenih komponenti specifičnih mehaničkih i površinskih svojstava, što je od izrazitog značaja tijekom različitih faza razvoja proizvoda. Lasersko srašćivanje metalnog praha (PBF-LB), tehnologija AM koja se rapidno razvija, omogućuje prilagodbu procesnih parametara u svrhu postizanja željene kvalitete proizvoda. Ova tehnologija posebno je učinkovita za obradu materijala koji su zahtjevni za strojnu obradu, kao što su titan i njegove legure, omogućujući proizvodnju komponenti složenih oblika. Da bi se postigla željena kvaliteta proizvoda, potrebno je utvrditi utjecaj različitih kombinacija procesnih parametara na svojstva i kvalitetu proizvoda. Prema tome, u okviru ove disertacije istraženo je može li se promjenom snage lasera i brzine skeniranja u PBF-LB procesu za proizvodnju komponenti od legure Ti6Al4V omogućiti postizanje različitih mehaničkih svojstava i hrapavosti površine. Osim toga, istražena je mogućnost postizanja različitih mehaničkih svojstava promjenom jediničnih ćelija rešetkastih struktura, obzirom da se ove strukture mogu integrirati u komponente za čiju proizvodnju je namijenjena PBF-LB tehnologija. Za postizanje ovih ciljeva, korištene su recentne spoznaje u području aditivne proizvodnje metalnih materijala, s posebnim naglaskom na obradu
metalnog praha legure Ti6Al4V pomoću PBF-LB tehnologije. Ova tehnologija se pokazala
učinkovitom za proizvodnju složenih komponenti iz praha Ti6Al4V legure. Proizvedene su
različite vrste i konfiguracije uzoraka kako bi se materijal istražio sa različitih stajališta
na različitim razinama. Utvrđeno je da varijacije u mehaničkim svojstvima, nakon toplinske obrade žarenjem, nisu dovoljno izražene da bi značajno promijenile svojstva proizvedenih komponenti. U toplinski neobrađenom stanju, mikrostruktura se sastoji dominantno od igličastog martenzita (α′), dok se nakon žarenja mikrostruktura sastoji od α + β faza.
Sve kombinacije procesnih parametara rezultirale su mješovitim lomom (duktilno-krhkim) s izraženim ravnim dijelom prijelomne površine u sredini ispitnog uzorka i nagnutim dijelom na rubovima. Analizom poroznosti i prijelomnih površina utvrđena je prisutnost raznih grešaka u strukturi materijala, poglavito blizu rubova ispitnog uzorka gdje su uočene veće koncentracije, koje uz površinske nepravilnosti predstavljaju potencijalna mjesta za inicijaciju pukotine. Nadalje, kombinacije snage lasera i brzine skeniranja mogu se odabrati unutar definiranih raspona (200 do 250 W i 1000 do 1500 mm/s) bez značajnog narušavanja mehaničkih svojstava komponente, čime se otvara mogućnost utjecaja na druga svojstva, kao što je hrapavost površine. Nelinearni regresijski modeli koji uključuju snagu lasera i brzinu skeniranja s visokom točnošću opisuju utjecaj na prosječnu površinsku hrapavost komponenti legure Ti6Al4V proizvedenih PBF-LB tehnologijom. Veće snage lasera učinkovito smanjuju hrapavost površine i umanjuju utjecaj brzine skeniranja. Uz istraživanje mehaničkih svojstava na makro razini, analiziran je utjecaj snage lasera, brzine skeniranja i toplinske obrade žarenjem na mikro- i nano razini. Toplinska obrada žarenjem smanjila je tvrdoću i otpornost na puzanje na nano razini. Nadalje, snaga lasera i brzina skeniranja utječu na
modul elastičnosti na nano razini koji je pak ovisan o dubini indentacije. Za slučaj toplinski neobrađenih uzoraka, modul elastičnosti i tvrdoća se stabiliziraju na dubinama indentacije
većim od 300 nm, dok u slučaju žarenih uzoraka stabilizacija nastupa na dubinama većim od 1000 nm. Analiza rezultata modula elastičnosti i tvrdoće za žarene uzorke na nano razini otkrila je jaku korelaciju. Obzirom da je utvrđeno da predloženi rasponi snage lasera i brzine skeniranja ne omogućuju značajnu promjenu mehaničkih svojstava na makro razini, istražena je mogućnost promjene mehaničkih svojstava kontinuiranim sužavanjem ili povećavanjem promjera štapova koji tvore kubnu prostorno centriranu (BCC) rešetku. Utvrđeno je da se promjenom promjera na središnjoj i krajnjoj točki štapova u BCC jediničnoj ćeliji može značajno utjecati na vlačna mehanička svojstva. Konačno, predloženi pristup numeričkog modeliranja metodom konačnih elemenata omogućio je učinkovitu procjenu mehaničkih svojstava BCC rešetkastih struktura izloženih vlačnom opterećenju što je u literaturi slabo zastupljeno unatoč tome što ovakve strukture pronalaze široku primjenu u proizvodima za koje se zahtjeva visoka nosivost i niska masa. Provedeno istraživanje u okviru ove disertacije predstavlja značajan znanstveni doprinos u području aditivne proizvodnje legure Ti6Al4V ispitivanjem utjecaja PBF-LB procesnih parametara na hrapavost površine i mehanički odziv na različitim razinama. Također pruža postupak koji se može koristiti za procjenu vlačnih mehaničkih svojstava rešetkastih struktura koje se sastoje od BCC jediničnih ćelija sa konusnim štapovima.
Keywords
additive manufacturing
Ti6Al4V alloy
mechanical properties
surface roughness
lattice structures
Keywords (croatian)
aditivna proizvodnja
Ti6Al4V legura
mehanička svojstva
površinska hrapavost
rešetkasta struktur
Language english
URN:NBN urn:nbn:hr:190:554617
Promotion 2024-11-08
Study programme Title: Postgraduate university (doctoral) study Study programme type: university Study level: postgraduate Academic / professional title: doktor/doktorica znanosti, područje tehničkih znanosti (doktor/doktorica znanosti, područje tehničkih znanosti)
Type of resource Text
File origin Born digital
Access conditions Open access
Terms of use
Created on 2024-11-22 11:53:52