Additive manufacturing in aerospace: influence of surface condition on the fatigue life of Ti-6Al-4V produced by laser powder bed fusion

Abstract

[ES] Durante la última década, las tecnologías de fabricación aditiva, como la powder bed fusión (PBF), han mostrado un gran potencial para la fabricación de partes de aeronaves con diseños innovadores y geometrías optimizadas topológicamente. Ofrecen la posibilidad de producir estructuras ligeras y complejas que no pueden fabricarse utilizando procesos sustractivos más convencionales. De este modo, la fabricación aditiva puede contribuir al aumento de la eficiencia estructural y a la reducción del consumo de combustible y las emisiones. Sin embargo, el comportamiento a fatiga de las piezas fabricadas mediante este proceso sigue siendo aún un desafío crítico de caracterizar en sus primeras etapas de investigación. Para materiales fabricados por PBF, la superficie puede presentar una rugosidad importante junto con defectos internos, así como valles en la superficie actuando como grietas. Todo ello tiene un fuerte impacto en la vida a fatiga. Sin embargo, esta resistencia a fatiga puede mejorarse utilizando procesos de postprocesado de superficies como el procedimiento llamado Hirtisation . Para aprovechar los beneficios de las técnicas de fabricación aditiva, es necesario comprender bien el comportamiento a fatiga del material y la industria debe establecer métodos y modelos adecuados para la predicción de la vida a fatiga. El objetivo del proyecto es obtener una mejor comprensión de la influencia de la condición superficial en el rendimiento a fatiga de muestras de Ti-6Al-4V producidas por PBF.

[EN] This thesis investigates the influence of surface conditions on the fatigue life of Ti-6Al-4V components produced by laser powder bed fusion (L-PBF) for aerospace applications. It is a part of a two ongoing research projects at the Department of Management and Engineering (IEI) coordinated by Saab Aeronautics. The project is financed by Vinnova via the NFFP and Innovair programs. The advantages of additive manufacturing technologies specifically L-PBF has enabled the creation of complex geometries and lightweight structures that makes it suitable for the weight critical application like Aerospace. This study focuses on Ti-6Al-4V,that is known for its high strength-to-weight ratio, corrosion resistance, and suitability for high temperature applications. The research objectives include characterizing surface roughness, understanding its interaction with geometrical stress concentrations, the characterization of the fatigue initiation points and evaluating the fatigue behavior of both as-built and Hirtisation-treated specimens under constant and variable amplitude loading. This thesis will focus on surface roughness measurements, tensile testing, and fatigue testing. Advanced characterization techniques, including stereo-microscopy and scanning electron microscopy, are employed to analyze fracture surfaces and crack initiation points. The results indicate that the effect of surface roughness of the specimens that has the same Kt on fatigue life is not strong enough. The findings contribute to a deeper understanding of fatigue behavior in AM Ti-6Al-4V parts and highlight the importance of surface treatment in optimizing the fatigue life of aerospace components. This research provides more insights for the development and application of AM in high fatigue load application in the aerospace industry.