Computational and experimental thermo-mechanics of metal additive manufacturing : stress, warpage, cracks and properties

Abstract

The objectives of this thesis are (i) to understand the thermal, metallurgical and mechanical behavior during AM, (ii) to shed light on the generation of residual stresses and the stress-induced deformations and cracks, and (iii) to further propose several effective strategies to control such defects. To improve the efficiency and reliability of the research investigation, an enhanced thermomechanical finite element framework for AM is developed and validated by numerous in-situ temperature and displacement measurement experiments. Furthermore, the calibrated model is employed to perform a large number of thermal and mechanical analyses in AM processes. For this purpose, Ti6Al4V titanium alloy is selected as the printing material for this investigation due to its wide application in aeronautics and astronautics. First of all, the effect of the complex thermal histories experienced on the metallurgical evolution and the formation of layer bands in multi-layer multi-pass Ti6Al4V blocks fabricated by laser directed energy deposition (DED) are explored. Based on the analysis of the predicted thermal histories and the experimental microstructure observation, the quantitative processing-thermal-microstructure-microhardness relationship is established. Next, the mechanical behavior of AM-components in terms of residual stresses, part warpages and cracks are analyzed in detail. Here, the influence of the scanning strategy on the heat transfer process and the evolution of the thermally induced mechanical variables in laser-based AM are studied to reduce residual stresses and deformations of rectangular DED-parts. Next, the thermal deformation of several different thin-walled structures printed by laser powder bed fusion (LPBF) are experimentally and numerically investigated in order to control the stress-induced warpages and to increase the geometrical precision of AM lightweight components. The generation of residual stresses and the key factors for their development are elucidated. A novel strategy to optimize the design of the substrate structures is proposed to mitigate the residual stresses induced by AM process. Moreover, a systematical evaluation on the effectiveness of different strategies to control the residual stresses in AM is carried out. Lastly, the formation mechanism of cracks is explored by analyzing the mechanical behavior of two T-shape parts deposited on different substrates without and with grooves. An innovative strategy to optimize the substrate geometry lowering its mechanical stiffness is proposed to prevent cracks during LPBF. Finally, a proposal to achieve high-quality Ti6Al4V AM-builds with lower residual stresses and homogeneous microstructures is detailed based on the better understanding on the process-structure-property interactions, and the formation and control of residual stresses in AM processes. This thesis presents further insight into the interactive thermal-metallurgical-mechanical behavior in metal AM and provides a comprehensive framework to guide AM designers to optimize process configuration when fabricating complex metal components.

Los objetivos de esta tesis son (i) comprender el comportamiento térmico, metalúrgico y mecánico durante la AM, (ii) arrojar luz sobre la generación de tensiones residuales y las deformaciones y grietas inducidas por la tensión, y (iii) proponer además varias estrategias efectivas para controlar tales defectos. Para mejorar la eficiencia y la confiabilidad de la investigación, se desarrolla y valida un marco de elementos finitos termomecánicos mejorado para AM mediante numerosos experimentos de medición de desplazamiento y temperatura in situ. Además, el modelo calibrado se emplea para realizar una gran cantidad de análisis térmicos y mecánicos en procesos AM. Para este propósito, se selecciona la aleación de titanio Ti6Al4V como material de impresión para esta investigación debido a su amplia aplicación en aeronáutica y astronáutica. En primer lugar, se explora el efecto de las complejas historias térmicas experimentadas en la evolución metalúrgica y la formación de bandas de capas en bloques de Ti6Al4V multicapa y multipaso fabricados mediante deposición de energía dirigida por láser (DED). Con base en el análisis de las historias térmicas pronosticadas y la observación de la microestructura experimental, se establece la relación cuantitativa procesamiento-térmico-microestructura-microdureza. A continuación, se analiza en detalle el comportamiento mecánico de los componentes AM en términos de tensiones residuales, deformaciones parciales y grietas. Aquí, se estudia la influencia de la estrategia de escaneo en el proceso de transferencia de calor y la evolución de las variables mecánicas inducidas térmicamente en AM basada en láser para reducir las tensiones residuales y las deformaciones de las piezas DED rectangulares. A continuación, se investiga experimental y numéricamente la deformación térmica de varias estructuras diferentes de paredes delgadas impresas por fusión de lecho de polvo láser (LPBF) para controlar las deformaciones inducidas por el estrés y aumentar la precisión geométrica de los componentes ligeros AM. Se dilucidan la generación de tensiones residuales y los factores clave para su desarrollo. Se propone una estrategia novedosa para optimizar el diseño de las estructuras del sustrato para mitigar las tensiones residuales inducidas por el proceso AM. Además, se lleva a cabo una evaluación sistemática de la eficacia de diferentes estrategias para controlar las tensiones residuales en AM. Por último, se explora el mecanismo de formación de grietas analizando el comportamiento mecánico de dos piezas en forma de T depositadas sobre diferentes sustratos sin y con ranuras. Se propone una estrategia innovadora para optimizar la geometría del sustrato reduciendo su rigidez mecánica para evitar grietas durante LPBF. Finalmente, se detalla una propuesta para lograr construcciones AM de Ti6Al4V de alta calidad con tensiones residuales más bajas y microestructuras homogéneas basada en una mejor comprensión de las interacciones proceso-estructura-propiedad, y la formación y control de tensiones residuales en los procesos AM. Esta tesis presenta una visión más profunda del comportamiento termo-metalúrgico-mecánico interactivo en la fabricación aditiva de metal y proporciona un marco integral para guiar a los diseñadores de fabricación aditiva para optimizar la configuración del proceso al fabricar componentes metálicos complejos.