Tesis:
On the effect of the processing conditions in the manufacturing of NiTi-based shape memory alloys: microstructural evolution and functional properties
- Autor: GARRIDO FERNÁNDEZ DE VERA, Conrado Luis
- Título: On the effect of the processing conditions in the manufacturing of NiTi-based shape memory alloys: microstructural evolution and functional properties
- Fecha: 2025
- Materia:
- Escuela: E.T.S.I. AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO
- Departamentos: MATERIALES Y PRODUCCION AEROESPACIAL
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/89743/
- Director/a 1º: BARBA CANCHO, Daniel
- Resumen: Shape memory alloys (SMAs) are a unique class of materials known for their ability to recover their original shape after deformation through thermal or mechanical stimuli. This interesting feature has made SMAs an important material for different applications, including aerospace components, biomedical devices, and other smart structures. Traditionally, SMAs have been produced through conventional methods, which require carefully controlled compositions to achieve the desired phase transformation and actuation behavior. However, recent advancements in additive manufacturing (AM), specifically in laser powder bed fusion (LPBF), have introduced new possibilities for tailoring the microstructure and, therefore, the phase transformation and the actuation properties of SMAs. The problem is that there is still not a complete systematic study exploring this path.
In this work, the impact of the LPBF process parameters (laser power, scanning speed, and hatch spacing) on the transformation and functional behavior of the equiatomic NiTi alloy is examined systematically. The interconnection between processing, and thermomechanical behavior is made through microstructural and material analysis. The findings demonstrate that important material properties such as porosity, nickel evaporation on Ti2Ni precipitation are directly influenced by the volumetric energy density (VED). The thermomechanical and phase transformation properties of the material are significantly influenced by the Ti2Ni precipitate population, which rises with higher VED levels. As higher is the population of Ti2Ni precipitates lower are the actuation features. Low porosity levels are attained in all LPBF-manufactured samples, despite differences in processing conditions, demonstrating the feasibility of using this technique to produce high-quality samples.
Once the effect of processing parameters is established on homogeneous bulk material, the study is taken to the next level: graded bulk material. By selecting different processing parameters in various local regions of the material, this work further investigates the possibility of employing spatially heterogeneous LPBF conditions to design SMA heterogeneous metamaterials with digitally tailored thermomechanical properties in NiTi SMAs. Localized changes in the phase transformation behavior and the actuation response are made possible by selecting the appropriate local process parameters. The study shows how LPBF may be used to produce intricate three-dimensional patterns, which results in different actuation performances. Both the process parameters selected and the pattern geometry are shown to play an important role in the final thermomechanical properties. The pattern geometry produce an important implication in the phase transformation and actuation features reaching different behaviors between patterned geometries using the same process parameters due to the interaction of the interfaces.
Finally, to further enhance the actuation performance of LPBF-processed SMAs, this research integrates geometric cellular designs with spatially controlled processing conditions. Specifically, body-centered cubic (BCC) lattice structures are fabricated using an ad-hoc LPBF processing strategy that embedded carefully designed processing parameter variations. The goal is to achieve a superelastic response in different regions of the lattice controlled by the LPBF conditions.
RESUMEN
Las aleaciones con memoria de forma (SMAs, por sus siglas en inglés) son una clase única de materiales conocidos por su capacidad de recuperar su forma original tras la deformación mediante estímulos térmicos o mecánicos. Esta interesante característica ha convertido a las SMAs en materiales clave para diversas aplicaciones, incluyendo componentes aeroespaciales, dispositivos biomédicos y otras estructuras inteligentes. Tradicionalmente, las SMAs se han producido mediante métodos convencionales, los cuales requieren composiciones cuidadosamente controladas para lograr la transformación de fase y el comportamiento de actuación deseados. Sin embargo, los recientes avances en la manufactura aditiva (AM), específicamente en la fusión en lecho de polvo por láser (LPBF), han abierto nuevas posibilidades para ajustar la microestructura y, por ende, las propiedades de transformación de fase y actuación de las SMAs. El problema es que aún no existe un estudio sistemático completo que explore este camino.
En este trabajo, se examina de manera sistemática el impacto de los parámetros del proceso LPBF (potencia del láser, velocidad de escaneo y espaciamiento entre pasadas) sobre la transformación y el comportamiento funcional de la aleación equiatómica de NiTi. La interconexión entre el procesamiento y el comportamiento termomecánico se establece mediante análisis microestructural y de materiales. Los hallazgos demuestran que propiedades clave del material, como la porosidad, la evaporación del níquel y la precipitación de Ti2Ni, están directamente influenciadas por la densidad de energía volumétrica (VED). Las propiedades termomecánicas y de transformación de fase del material se ven significativamente afectadas por la población de precipitados de Ti2Ni, la cual aumenta con niveles más altos de VED. A mayor cantidad de precipitados de Ti2Ni, menores son las características de actuación. Se alcanzan niveles bajos de porosidad en todas las muestras fabricadas con LPBF, a pesar de las diferencias en las condiciones de procesamiento, lo que demuestra la viabilidad de esta técnica para producir muestras de alta calidad.
Una vez establecido el efecto de los parámetros de procesamiento en un material homogéneo a granel, el estudio avanza al siguiente nivel: material a granel con gradientes. Mediante la selección de diferentes parámetros de procesamiento en diversas regiones locales del material, este trabajo investiga la posibilidad de emplear condiciones heterogéneas de LPBF para diseñar metamateriales heterogéneos de SMA con propiedades termomecánicas ajustadas digitalmente en aleaciones NiTi. La selección adecuada de los parámetros de proceso locales permite realizar cambios localizados en el comportamiento de transformación de fase y en la respuesta de actuación. El estudio demuestra cómo el LPBF puede utilizarse para producir patrones tridimensionales complejos, lo que da lugar a diferentes niveles de actuación. Se muestra que tanto los parámetros de procesamiento seleccionados como la geometría del patrón juegan un papel crucial en las propiedades termomecánicas finales. La geometría del patrón tiene una implicación importante en la transformación de fase y en las características de actuación, alcanzando comportamientos distintos entre patrones geométricos, incluso utilizando los mismos parámetros de procesamiento, debido a la interacción de las interfaces.
Finalmente, para mejorar aún más el rendimiento de actuación de las SMAs procesadas mediante LPBF, esta investigación integra diseños celulares geométricos con condiciones de procesamiento espacialmente controladas. En particular, se fabrican estructuras de celosía de tipo cúbico centrado en el cuerpo (BCC) utilizando una estrategia de procesamiento LPBF ad-hoc que incorpora variaciones cuidadosamente diseñadas en los parámetros de procesamiento. El objetivo es lograr una respuesta superelástica en diferentes regiones de la celosía controlada por las condiciones LPBF.