Development of a novel heat treatment for high performances L-PBF Ti6Al4V alloy: microstructural and mechanical characterization

This work presents the experimental development of a novel heat treatment for a high performance Laser Powder Bed Fusion Ti6Al4V alloy. Additive manufacturing production processes for titanium alloys are particularly of interest in cutting-edge engineering fields, however, high frequency laser induced thermal cycles generate a brittle as built microstructure. For this reason, heat treatments compliant with near net shape components are needed before their homologation and usage. The experimental campaign focused on the development of a multi-step heat treatment leading to a bilamellar microstructure. In fact, according to literature, such a microstructure should be promising in terms of mechanical properties both under static and cyclic loads. The heat treatment development has asked for the preliminary analyses of samples annealed and aged in laboratory, implementing several cycles, differing for what concerns temperatures, times and cooling rates. Such a characterization has been carried out through optical and electron microscopy analyses, image analyses, hardness and tensile tests. As a result, the most suitable thermal cycle has been selected and performed using industrial equipment on mini bending fatigue samples with different surface conditions. The same tests have been performed on a batch of traditionally treated samples, to provide with a comparison. This master thesis activity has finally led to the definition of a heat treatment resulting into a bilamellar microstructure, promising in terms of fatigue performances with respect to the traditionally treated alloy ones. The industrial implementation of such a heat treatment will require further improvements, particularly for what concerns the post annealing water quench, in order to prevent any surface alteration potentially responsible for the fatigue performances drop. Further development of the research may also include push-pull fatigue tests, crack grow propagation and residual stresses analyses.

L’influenza del trattamento superficiale di pallinatura sulle prestazioni a fatica della lega Ti-6Al-4V

In questa tesi sono stati studiati i dati presenti in letteratura sugli gli effetti benefici sulla vita a fatica della lega Ti6Al4V del processo di pallinatura,con particolare interesse agli effetti sul processo della dimensione dei pallini e della durata del processo. Inoltre si sono analizzati i dati di letteratura riguardanti l'incremento di vita a fatica della lega Ti6Al4V ottenuto tramite il processo di ripallinatura e la relazione tra pallinatura,ripallinatura e fretting fatigue. Infine sono stati esaminati i dati sul comportamento a fatica della lega Ti6Al4V grado ELI per uso biomedico sottoposta a carico oligociclico ed ad alto numero di cicli.

Confronto della resistenza a fatica di provini intagliati mediante fresatura o elettroerosione

Lo scopo di questa tesi è decretare quale tipo di lavorazione tra elettroerosione e fresatura sia più adatta per la realizzazione di particolari soggetti a carichi affaticanti. Sono stati realizzati provini di due diversi materiali (lega di titanio Ti6Al4V e acciaio X30Cr13 bonificato). I provini presentano un intaglio in corrispondenza del quale avviene l'innesco della cricca. Tale punto rappresenta una zona critica sia per la lavorazione sia per la resistenza a fatica. Le curve di Wöhler ottenute per ogni combinazione di materiale-lavorazione sono state confrontate per trarre le conclusioni.

Sviluppo e caratterizzazione microstrutturale e tribologica di rivestimenti su lega di titanio per applicazioni biomedicali

Oggetto dello studio è stato lo sviluppo di rivestimenti con tecnica PEO (Plasma Electrolityc Ossidation) sulla lega di titanio Ti-6Al-4V, al fine di utilizzare questo materiale in sostituzione della lega CrCoMo nelle protesi d'anca e di ginocchio. Queste, ad oggi, sono le protesi articolari più diffuse e devono garantire contemporaneamente elevate prestazioni meccaniche (in particolare resistenza ad usura), affidabilità e biocompatibilità. La lega CrCoMo negli anni si è affermata nel campo protesico poiché è un materiale metallico avente elevata rigidezza abbinata a una buona resistenza a corrosione ed all'usura durante il movimento articolare. Un problema rilevante e frequente di questa lega è l'allergia di alcuni pazienti agli elementi di lega che la costituiscono o il rischio per i pazienti non allergici di subire un'ipersensibilizzazione, con conseguente sviluppo dell'allergia e necessità di sostituire la protesi. La lega Ti-6Al-4V potrebbe essere una valida alternativa data la sua elevata biocompatibilità e le sue proprietà meccaniche, tanto che è già ampiamente utilizzata nella costruzione di protesi statiche come chiodi o viti. Purtroppo ad oggi non è stato possibile l'utilizzo di questa negli accoppiamenti articolari, data la sua bassa resistenza all'usura per sfregamento. L'attività di tesi è stata quindi incentrata sulla definizione dei bagni elettrolitici e del ciclo elettrico ottimali per realizzare, con tecnica PEO, rivestimenti in grado di conferire una buona resistenza allo sfregamento alla lega di titanio. Il raggiungimento degli obiettivi prefissati è stato valutato attraverso una caratterizzazione microstrutturale e tribologica del rivestimento.

Additive manufacturing e ottimizzazione topologica: massimizzare le prestazioni di una pinza freno per applicazioni motorsport

I veicoli ad alte prestazioni sono soggetti ad elevati carichi per piccoli intervalli di tempo. Questo comporta diverse criticità sulle componenti che costituiscono la vettura: una di queste è la pinza freno. Al fine di renderla performante è necessario il possesso di due proprietà. In primo luogo, la pinza freno deve essere il più leggera possibile poiché essa conferisce un'inerzia nella risposta della sospensione del veicolo, procurando il distacco dello pneumatico dal suolo e causando perdita di aderenza. In secondo luogo, è necessario contenere le deformazioni della pinza freno garantendo un determinato feeling per il pilota. Il compito del progettista è ottimizzare questi due parametri che hanno effetti antitetici. Questa difficoltà porta il progettista a creare design molto complessi per raggiungere l’ottimale e non sempre le geometrie ottenute sono realizzabili con tecnologie convenzionali. Questo studio riguarda il miglioramento prestazionale di una pinza freno costruita con una lega di alluminio 7075-T6 e lavorato dal pieno. Gli obbiettivi sono quello di produrre il nuovo corpo in titanio TI6Al4V, dal momento che le temperature di esercizio portano a grandi decadute di caratteristiche meccaniche dell’alluminio, contenere il più possibile la massa a fronte dell’aumento di densità di materiale e ovviamente limitare le deformazioni. Al fine di ottenere gli obbiettivi prefissati sono utilizzati metodi agli elementi finiti in diverse fasi della progettazione: per acquisire una geometria di partenza (ottimizzazione topologica) e per la validazione delle geometrie ottenute. Le geometrie ricavate tramite l’ottimizzazione topologica devono essere ricostruite tramite software CAD affinché possano essere ingegnerizzate. Durante la modellazione è necessario valutare quale tecnologia è più vantaggiosa per produrre il componente. In questo caso studio si utilizza un processo di addizione di materiale, più specificatamente una tecnica Selective Laser Melting (SLM).