Estudio del efecto del tamaño, orientación y formato de impresión sobre las propiedades mecánicas del Ti-6Al-4V obtenido mediante fusión selectiva por láser (SLM)

Abstract

[ES] La manufactura aditiva (MA) se ha convertido en una herramienta de fabricación muy atractiva en la actualidad y el interés en su empleo en sectores como el aeroespacial, biomédico, marino o en la generación de energía, entre otros, se encuentra en auge. Principalmente por la enorme flexibilidad que ofrece a la hora de fabricar piezas con geometrías y diseños con un elevado grado de complejidad. Este tipo de técnica de fabricación permite la obtención de estructuras metálicas huecas, reticuladas y con cavidades internas complejas, lo que abre las puertas a la posibilidad de producir componentes ultraligeros de forma sencilla. Esta característica hace que se considere a la manufactura aditiva como un camino sostenible para la producción de componentes metálicos, ya que permite reducciones sustanciales en el uso de materia prima y generación de residuos en comparación con los métodos de manufactura convencional. Sin embargo, uno de los principales problemas que se presenta con la manufactura aditiva es la heterogeneidad de las propiedades obtenidas durante el proceso de producción, que pueden verse afectadas por las diferencias en los parámetros de impresión, la orientación de los componentes durante la impresión o las diferencias de tamaños. Por ello, el empleo de la manufactura aditiva se ha visto frenado en aplicaciones críticas, y es crucial llegar a un completo conocimiento de las propiedades mecánicas, así como su relación con el proceso de fabricación y la microestructura obtenida. Las aleaciones de titanio, y en particular la aleación Ti-6Al-4V, que representa más del 50% de la producción mundial de titanio, son las principales aleaciones empleadas en sectores como el aeroespacial o la biomedicina gracias a su elevada resistencia específica y rigidez estructural, su excelente resistencia a la corrosión y medios agresivos y su excelente comportamiento mecánico a altas temperaturas. Sin embargo, el coste de producción de las aleaciones de titanio representa un limitante a la expansión en el uso de estas aleaciones. La manufactura convencional del titanio requiere un elevado consumo de energía y generalmente produce una elevada cantidad de material de desecho, ya que se requiere una gran cantidad de mecanizado posterior hasta alcanzar la forma final de los componentes. La manufactura aditiva se presenta como una posible solución a los elevados costes de producción de la manufactura convencional. Algunos estudios sitúan a los sistemas SLM (Selective Laser Melting) como la técnica de manufactura aditiva más prometedora. Estos permiten la producción de componentes con una densidad media superior al 99.8% y por ello, las aleaciones obtenidas por SLM presentan propiedades mecánicas comparables a las obtenidas mediante manufactura convencional. Sin embargo, gran parte de los estudios realizados se centra en la optimización de los parámetros de producción de los sistemas de MA para aumentar la densidad obtenida, de forma que se reducen los defectos internos, pero sin llegar a tener en cuenta el efecto microestructural, por lo que se carece de un estudio extenso que agrupe y permita entender el efecto de diferentes orientaciones, formatos y tamaños sobre la microestructura en SLM. Para entender las propiedades mecánicas del Ti-6Al-4V en SLM se debe entender los efectos producidos a nivel microestructural y químico, y éste es el propósito de este trabajo: presentar un estudio sistemático del efecto de la orientación de impresión, el tamaño de impresión y el formato de impresión en la microestructura obtenida y la composición química local y cómo estas se relacionan con las propiedades mecánicas del Ti-6Al-4V. La estructura seguida en el trabajo será: Realizar una revisión de las propiedades de las aleaciones de titanio y los métodos de obtención mediante manufactura convencional, junto a una revisión del estado del arte de la manufactura aditiva, centrándose en l

[EN] Additive manufacturing (AM) has become a very attractive manufacturing tool at present and the interest in its use in sectors such as aerospace, biomedical, marine or in the generation of energy, among others , is booming. Mainly because of the enormous flexibility it offers when manufacturing pieces with geometries and designs with a high degree of complexity. This type of manufacturing technique allows obtaining hollow, cross-linked metallic structures with complex internal cavities, which opens the doors to the possibility of producing ultralight components in a simple way. This characteristic means that additive manufacturing is considered a sustainable path for the production of metallic components, since it allows substantial reductions in the use of raw materials and generation of waste compared to conventional manufacturing methods. However, one of the main problems with additive manufacturing is the heterogeneity of the properties obtained during the production process, which can be affected by the differences in the printing parameters, the orientation of the components during printing or the differences in sizes. Therefore, the use of additive manufacturing has been slowed down in critical applications, and it is crucial to arrive at a complete knowledge of the mechanical properties, as well as its relationship with the manufacturing process and the obtained microstructure. The titanium alloys, and in particular the alloy Ti-6Al-4V, which represents more than 50% of the world production of titanium, are the main alloys used in sectors such as aerospace or biomedicine thanks to their high specific resistance and rigidity structural, its excellent resistance to corrosion and aggressive media and its excellent mechanical behavior at high temperatures. However, the production cost of titanium alloys represents a limitation to the expansion in the use of these alloys. The conventional manufacture of titanium requires a high energy consumption and generally produces a high amount of waste material, since a large amount of subsequent machining is required to reach the final shape of the components. Additive manufacturing is presented as a possible solution to the high production costs of conventional manufacturing. Some studies place the SLM (Selective Laser Melting) systems as the most promising additive manufacturing technique. These allow the production of components with an average density higher than 99.8% and therefore, the alloys obtained by SLM have mechanical properties comparable to those obtained by conventional manufacturing. However, a large part of the studies carried out focus on optimizing the production parameters of MA systems to increase the density obtained, so that internal defects are reduced, but without taking into account the microstructural effect, therefore, it lacks an extensive study that groups and allows understanding the effect of different orientations, formats and sizes on the microstructure in SLM. To understand the mechanical properties of Ti-6Al-4V in SLM one must understand the effects produced at the microstructural and chemical level, and this is the purpose of this work: to present a systematic study of the effect of the printing orientation, the printing size and the printing format in the obtained microstructure and the local chemical composition and how they relate to the mechanical properties of Ti-6Al-4V. The structure followed in the work will be: Perform a review of the properties of titanium alloys and the methods of obtaining by conventional manufacturing, together with a review of the state of the art of additive manufacturing, focusing on SLM systems. Subsequently the methodology and materials used to carry out the study will be described, and finally the results will be presented discussing them conveniently.

[CA] Aquest treball presenta un estudi sobre les propietats mecàniques de l’aleació de titani Ti-6Al-4V obtingut mitjançant manufactura additiva amb fusió selectiva per láser (SLM). Es presenta i descriu l’efecte que té sobre la resistència i ductilitat diferents paràmetres: (1) la grossària de les mostres, que varia entre 0.25 mm y 3 mm, (2) la direcció d’impressió, presentant 3 direccions, ZZ, XZ i XY, i (3) el format d’impressió, emprant 3 formats diferents. L’estudi del efecte d’aquests paràmetres el realitza tant amb assajos a tracció com a tallant. A més de l’efecte d’aquests paràmetres sobre les propietats mecàniques, també es realitza un anàlisi microestructural, un anàlisi químic de la concentració d’oxigen i un anàlisi de la qualitat superficial amb l’objectiu de relacionar les variacions en aquests camps amb els efectes observats sobre la resistència i ductilitat en els diferents casos d’estudi.