<< Volver atrás

Tesis:

Fundamentals of Solidification during Selective Laser Melting of Aerospace Alloys

  • Autor: GALERA RUEDA, Clara

  • Título: Fundamentals of Solidification during Selective Laser Melting of Aerospace Alloys

  • Fecha: 2022

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS

  • Departamentos: CIENCIA DE LOS MATERIALES

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/73554/

  • Director/a 1º: PÉREZ PRADO, María Teresa
  • Director/a 2º: LLORCA MARTÍNEZ, Francisco Javier

  • Resumen: La fabricación laser en cama de polvo (SLM) se está convirtiendo en una tecnología relevante en la manufactura de piezas. Sin embargo, los fundamentos de los mecanismos de solidificación y el desarrollo microestructural subyacente al proceso fuera del equilibrio durante el procesado, muy alejado de los métodos convencionales de manufactura, no son plenamente comprendidos. Predecir las microestructuras y propiedades mecánicas es extremadamente complejo debido a que la relación entre el láser y el polvo da lugar a un proceso fuera del equilibrio que no es fácil de modelar. En este trabajo, la solidificación de aleaciones de relevancia para el sector aeroespacial es in investigada. Primero la relación entre los parámetros del proceso de SLM y la microestructura de níquel puro y de aleaciones binarias de con diferentes diagramas de fase es estudiada. En segundo lugar, Partículas de dihidruro de circonio son añadidas al polvo de la aleación de aluminio de alta resistencia 7075 y en la superaleación de níquel IN718 y su efecto es estudiado en la microestructura tras SLM y en las propiedades mecánicas. Esta tesis demuestra que durante el proceso de solidificación en SLM aparecen mecanismos de nucleación mediados por la formación de quasicristales icosaédricos en aleaciones donde este mecanismo no había sido previamente observado, como son níquel comercial y aleación de 7075 con partículas de dihidruro de circonio. Este mecanismo se observa a través de la presencia de un exceso de bordes de macla y de agrupaciones de granos con simetrías quíntuples de relaciones de orientación. Además, este trabajo demuestra la evidencia la fuerte dependencia de la composición de la aleación con el desarrollo microestructural tras la impresión, en especial en la textura cristalográfica y en las características de los granos. Esta investigación confirma las numerosas posibilidades de la fabricación aditiva para el desarrollo de fenómenos novedosos en la física metalúrgica y así como para el desarrollo de materiales avanzados. ABSTRACT Selective laser melting (SLM) is evolving to become a widespread manufacturing technology. However, the fundamental mechanisms of solidification and microstructure development inherent to the non-equilibrium conditions of this additive manufacturing method, which differ largely from those typical of conventional processing techniques, remain widely unknown. Prediction of the microstructure and final properties is extremely complex because the interaction of the laser with the powdered raw material gives rise to a large range of out-of-equilibrium physical phenomena that are not easy to capture with the current models. In this work, the solidification of several alloys that are relevant to the aerospace sector is investigated. First, the relationship between the SLM processing parameters and the microstructure of pure nickel and of binary nickel alloys with widely differing phase diagrams is analyzed. Second, the effect of the addition of zirconium dihydride particles to powders of the high strength aluminum alloy 7075 and of the nickel superalloy IN718 on their SLM microstructure and its mechanical behavior is studied. This thesis demonstrates the occurrence of icosahedral quasicrystal enhanced nucleation during SLM of alloys where no evidence of this mechanism had been previously reported. The solidification process is evidenced by the presence of an abnormally high fraction of twin boundaries and of clusters of grains with five-fold orientation symmetries between twinned nearest neighbors. Furthermore, this work evidences the strong dependency of the alloy composition in the microstructural development specially in the crystallographic texture and grain morphology. This research attests to the wide range of possibilities offered by additive manufacturing methods for the investigation of novel physical metallurgy phenomena as well as for the design of advanced metals.