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Tesis:

Integrated microstructural analysis of the thermal stability of residual stresses fields induced in Ti-6Al-4V by high density lsp treatments

  • Autor: WARZANSKYJ PRIETO, Wsewolod

  • Título: Integrated microstructural analysis of the thermal stability of residual stresses fields induced in Ti-6Al-4V by high density lsp treatments

  • Fecha: 2024

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES

  • Departamentos: FISICA APLICABLE E INGENIERIA DE MATERIALES

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/80763/

  • Director/a 1º: OCAÑA MORENO, José Luis

  • Resumen: Esta Tesis explora la estabilidad a alta temperatura de las tensiones residuales inducidas por el tratamiento LSP en la aleación Ti-6Al-4V. Se han estudiado los efectos inducidos por LSP y su estabilidad en condiciones de trabajo a temperaturas que alcanzan hasta 500C. El tratamiento superficial mediante ondas de choque generadas por láser (Laser Shock Processing; LSP) es un tratamiento superficial innovador que se aplica cada vez más como una tecnología eficaz para la mejora de las propiedades mecánicas y superficiales de materiales metálicos. Los principales efectos del tratamiento son la mejora de resistencia a la fatiga, la corrosión y el desgaste. El LSP se basa en la aplicación de pulsos de láser de alta intensidad siguiendo un patrón de superficie. Los pulsos generan en la superficie del material campos de tensiones residuales de compresión, que mejoran el comportamiento mecánico del material. Aunque inicialmente se desarrolló para mejorar la resistencia al agrietamiento por fatiga de aleaciones de aluminio, el LSP ha mostrado resultados favorables en aceros inoxidables y aleaciones de titanio. Esta mejora en la vida útil de las piezas tratadas ha dado lugar a numerosas aplicaciones industriales habilitadas por la disponibilidad comercial de fuentes de láser capaces de generar pulsos de intensidad superiores al GW/cm2. Un ejemplo significativo de estas aplicaciones es el tratamiento LSP de componentes de motores de turbinas de aeronaves para mitigar los daños generados por el impacto de objetos extraños (FOD). Actualmente se están evaluando otras aplicaciones potenciales del LSP, como el tratamiento de componentes de motores de automóviles, implantes biomédicos y álabes de turbinas en plantas de energía. El LSP se ha aplicado a la aleación Ti-6Al-4V en varios estudios, que han reportado que induce un campo de tensiones residuales de compresión que mejoran la fatiga por fricción y aumentan la microdureza y la rugosidad de la superficie. La aleación Ti-6Al-4V tiene baja densidad, alta resistencia, resistencia a la fatiga y formabilidad, y excelente resistencia a la corrosión. Esta combinación de propiedades lo hace atractivo en diferentes sectores industriales, como la industria aeroespacial, donde se utiliza para álabes de compresores y donde las temperaturas de trabajo oscilan entre 400 y 500C. Además, el Ti-6Al-4V se utiliza en prótesis médicas, y en implantes dentales, debido a su biocompatibilidad con el cuerpo humano. En esta tesis se analiza la estabilidad con la temperatura de los efectos microestructurales inducidos por el tratamiento LSP y se correlaciona con los campos de tensiones residuales que genera. Se realiza una comparación entre los efectos microestructurales antes y después de un tratamiento térmico de envejecimiento a alta temperatura, simulando las condiciones de trabajo típicas de la aleación. Se han combinado diferentes técnicas experimentales para la medida de tensiones residuales. La buena sensibilidad a profundidades relativamente altas bajo la superficie del método del agujero ciego se ha complementado con resultados de difracción de rayos X y de neutrones. La combinación de estas técnicas ha permitido una caracterización precisa de los campos de tensiones residuales bajo la superficie tratada en el rango de varios micrómetros a aproximadamente un milímetro. También ha permitido mejorar la comprensión de los fenómenos microestructurales observados en las muestras tratadas, en particular su correlación con la dureza y la densidad de dislocaciones. Los resultados muestran que permanece en el Ti-6Al-4V un cierto nivel de tensiones residuales y densidad de dislocaciones después del envejecimiento térmico. Los resultados se consideran relevantes para asegurar la estabilidad térmica de este material bajo condiciones térmicas de trabajo exigentes, avalando así el uso del LSP en el Ti-6Al-4V como una tecnología adecuada para aplicaciones industriales con condiciones de temperaturas altas. RESUMEN This Thesis investigates the high temperature stability of residual stresses induced by LSP treatment in the Ti-6Al-4V alloy. The effects induced by LSP and their stability under working conditions at temperatures up to 500C have been studied. Laser Shock Processing (LSP) is an innovative surface treatment that is increasingly being used as an effective technology for improving the mechanical and surface properties of metallic materials. The main effects of the treatment are the improvement of fatigue, corrosion, and wear resistance. LSP is based on the application of high intensity laser pulses following a surface pattern. The pulses create compressive residual stress fields on the surface of the material, improving the mechanical behavior of the material. Although originally developed to improve the fatigue crack resistance of aluminum alloys, LSP has shown favorable results on stainless steels and titanium alloys. This improvement in the service life of the treated parts has led to numerous industrial applications, made possible by the commercial availability of laser sources capable of generating pulses with an intensity greater than GW/cm2. An important example of these applications is the LSP treatment of aircraft turbine engine components to reduce Foreign Object Damage (FOD). Other potential applications of LSP are currently being evaluated, including the treatment of automotive engine components, biomedical implants, and power plant turbine blades. LSP has been applied to the Ti-6Al-4V alloy in several studies which have reported that it induces a field of compressive residual stress which improves frictional fatigue and increases microhardness and surface roughness. The Ti-6Al-4V alloy has low density, high strength, fatigue resistance, formability, and excellent corrosion resistance. This combination of properties makes it attractive in various industrial sectors, such as the aerospace industry, where it is used for compressor blades and operating temperatures range from 400 to 500C. In addition, Ti-6Al-4V is used in medical prostheses and dental implants due to its biocompatibility with the human body. In this Thesis the stability with temperature of the microstructural effects induced by the LSP treatment is analyzed and correlated with the residual stress fields it generates. A comparison is made between the microstructural effects before and after a high-temperature ageing heat treatment simulating the typical working conditions of the alloy. Different experimental techniques have been combined to measure residual stresses. The good sensitivity at relatively high subsurface depths of the hole-drilling method was complemented by X-ray and neutron diffraction results. The combination of these techniques has allowed precise characterization of the residual stress fields beneath the treated surface in the range of several micrometers to about one millimeter. It has also improved the understanding of the microstructural phenomena observed in the treated samples, in particular their correlation with hardness and dislocation density. The results show that a certain level of residual stresses and dislocation density remains in Ti-6Al-4V after thermal aging. The results are considered relevant to ensure the thermal stability of this material under demanding thermal working conditions, thus supporting the use of LSP in Ti-6Al-4V as a suitable technology for industrial applications with relatively high temperature conditions.