Modelling alpha case formation and embrittlement for Ti-6Al-4V produced by additive manufacturing and subjected to thermomechanical post-processing

Abstract

La Fabricación Aditiva permite la producción optimizada de geometrías complejas. Las propiedades de tracción entallada de la aleación Ti-6Al-4V se estudian numéricamente en este trabajo considerando el método de Selective Laser Melting (SLM) y diferentes condiciones de post-proceso. La formación de una capa frágil enriquecida con oxígeno o “alpha case” también se reproduce aquí para atmósferas no inertes aprovechando esquemas numéricos para el agrietamiento asistido por hidrógeno. La reducción local de la energía de fractura en función de la concentración de oxígeno se implementa en un modelo de Phase Field para la nucleación y propagación de grietas. Se modelizan diferentes probetas de tracción entallada en Comsol Multiphysics. El análisis es secuencial: la entrada y difusión de oxígeno se simulan para diferentes temperaturas y tiempos de permanencia, reproduciendo procesos típicos de SLM y HIP y diferentes presiones parciales de oxígeno. En un segundo paso, se simula el ensayo mecánico de tracción y se resuelve el problema de Phase Field considerando una reducción lineal de la tenacidad a fractura en función de la concentración de oxígeno. Se evalúan los efectos del valor de la longitud característica y del comportamiento plástico. Los resultados muestran que el marco numérico actual, después de una necesaria calibración de parámetros, es capaz de predecir la influencia del post-proceso termomecánico en la fractura de componentes entallados.

Additive Manufacturing enables cost-effective production of complex geometries. Notched tensile properties of Ti-6Al4V alloy are here numerically studied considering the Selective Laser Melting (SLM) method and different postprocessing conditions. The formation of an oxygen-enriched brittle layer or an “alpha case” in Ti-6Al-4V is also reproduced for non-inert atmospheres. Exploiting other Finite Element frameworks for environmentally assisted cracking, e.g. hydrogen embrittlement models, the local reduction of fracture energy as a function of oxygen concentration is implemented in a Phase Field model for crack nucleation and propagation. Different notched tensile specimens are modelled in Comsol Multiphysics. The analysis is sequential: oxygen uptake and diffusion are simulated for different temperatures and dwell times, reproducing typical SLM and HIP processes and different partial pressures of oxygen. In a second step, mechanical tensile testing is simulated, and the damage Phase Field scheme is solved considering a linear reduction of fracture toughness as a function of oxygen concentration. The effects of the characteristic length value and of plastic behaviour are evaluated. Results show that the present framework, after parameter calibration, is able to predict the influence of thermomechanical post-processing on notch fracture.