Analisi sperimentale del processo SLM per la produzione di palette di turbina in Ti-6Al-4V

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1 Analisi sperimentale del processo SLM per la produzione di palette di turbina in Ti-6Al-4V Fabrizia Caiazzo Dipartimento di Ingegneria Industriale Università degli Studi di Salerno Sinterizzazione laser: il futuro è già qui Piacenza, 15 novembre 2013

2 Università degli Studi di Salerno

3 Laboratori

4 Gruppo di ricerca TESEO ed attività Proff. V. Sergi, F. Caiazzo, N. Pasquino Ingg. V. Alfieri, P. Argenio, F. Cardaropoli, G. Corrado, I. Fierro Progetti di ricerca PON01_00895 LABREP LABoratorio sul REPair PON01_01269 ELIOS Emergent Laser fiber Optic welded Structures PONa3_00007 NAFASSY NAtional FAcility for Superconduction SYstems Rete d imprese RITAM RIcerca su Tecnologie Avanzate per Motori «Progetto MATEMI» «Progetto TIMA» DAC Distretto Aerospaziale Campano «Progetto STEPFAR» Principali tematiche di ricerca Additive manufacturing mediante laser sintering Rivestimenti e ripristini dimensionali mediante laser cladding Saldature con fascio laser

5 Prototipazione mediante laser sintering EOS EOSINT M270 IM Xtended SI 598 Volume di costruzione 250mm x 250mm x 215mm Velocità di costruzione 2-20 mm3/s Spessore del layer mm Laser Yb fibra, 200 W Sistemi ottici F-theta lens, high speed scanner Variabilità dello spot μm Potenza assorbita Massimo 5.5 kw

6 Saldature con fascio laser LASER TRUMPF TruDisk 4002 Laser con sorgente a disco di Yb:YAG; caratteristica tipica di questa sorgente, rispetto a quelle tradizionali a stato solido, è il mantenimento delle caratteristiche di qualità del fascio anche a elevate potenze. Lunghezza d onda 1030 nm Potenza minima 80 W Potenza massima 4000 W BPP (Beam parameter product) 8 mm x mrad Distanza focale 200 mm Diametro nominale del fuoco mm

7 Rivestimenti e ripristini dimensionali mediante laser cladding Messa a punto del processo laser cladding per il ripristino dimensionale di parti danneggiate durante il servizio per usura, corrosione, danneggia-mento da impatto. Recupero mediante laser cladding di componenti nuovi fuori dalle tolleranze dimensionali.

8 Nuove tecniche di assemblaggio nel settore aerospaziale Highly customer oriented Highly time effi cient Ultragreen The aircraft of the future Highly cost effi cient Ultrasecure In ambito aerospaziale, fra gli obiettivi di Horizon 2020, vi sono la riduzione di emissioni inquinanti ed un incremento delle performance degli aeromobili. In quest ottica una collaborazione con AVIO SpA ha riguardato la valutazione della sostituibilità di tecniche di giunzione manuale mediante TIG o realizzate, con elevata automazione, mediante fascio elettronico con la saldatura mediante laser.

9 Sommario obiettivi del lavoro introduzione alla tecnologia di sinterizzazione laser procedura sperimentale posizionamento sulla piattaforma e creazione dei supporti realizzazione del prototipo e operazioni post-processo risultati Test non distruttivi (FPI e raggi X) Analisi dimensionale Analisi della microstruttura conclusioni

10 Obiettivi del lavoro Le palette di turbina sono un elemento fondamentale all interno del motore di un velivolo. Usualmente vengono realizzate attraverso processi di microfusione, che però presentano qualche problema nella realizzazione di geometrie complesse. Tali criticità hanno spinto verso lo studio di tecniche innovative di Additive Manufacturing come il Selective Laser Melting (SLM) per la produzione di componenti aeronautici. Il lavoro sviluppato è focalizzato sull uso del SLM per la realizzazione di un prototipo di una paletta di turbina in lega di titanio Ti-6Al-4V per studiare la fattibilità del processo.

11 Introduzione alla tecnologia di sinterizzazione Il processo Selective Laser Melting (SLM) consente di ottenere componenti attraverso la fusione selettiva di strati di polveri metalliche, plastiche o ceramiche utilizzando un fascio laser. La principale caratteristica del SLM è la fabbricazione per addizione di strati successivi (nell ordine delle decine di micron), che permette di realizzare geometrie complesse utilizzando in input un modello tridimensionale dell elemento.

12 Procedura sperimentale La paletta di turbina esaminata in questo studio è una versione scalata al 50% di una paletta utilizzata in un compressore.

13 Procedura sperimentale Il prototipo è stato realizzato utilizzando una macchina sinterizzatrice EOSINT M270 IM Xtended SI. La polvere di Ti-6Al-4V impiegata presentava una granulometria media di 30 µm. Volume effettivo di costruzione 250 mm 250 mm 215 mm Velocità di costruzione 2 20 mm / s Spessore minimo dello strato 30 µm Tipo di laser Yb fiber Potenza massima 200 W Sistema ottico Lente F-theta lens Diametro del fascio focalizzato mm Al V O 3 N C H Fe Ti * 0.05* 0.08* 0.015* 0.30* Bil.

14 Definizione dei parametri di processo In precedenti lavori, è stata evidenziata l influenza dei principali parametri di processo del SLM sulle proprietà del manufatto. È stato evidenziato come alcune condizioni portano ad un eccessiva fusione con fenomeni di delaminazione e marcato ritiro. Invece, valori troppo bassi dell energia per unità di volume combinati con velocità elevate di scansione non garantiscono l adesione tra strati successivi. Sono stati quindi definiti i parametri di processo ottimali per ottenere parti con porosità nulle e tali valori sono stati adottati per la realizzazione del prototipo in esame. Fattore Potenza laser Velocità di scansione Spaziatura tra le tracce Lunghezza di scansione Spessore dello strato Valore 170 W 1.25 m/ s 0.10 mm 5 mm 30 µm

15 Posizionamento sulla piattaforma e creazione dei supporti Per la realizzazione di componenti nel SLM è necessario l impiego di strutture di supporto, generate con differenti parametri espositivi. La presenza di supporti inadeguati può provocare fenomeni di delaminazione tra la piattaforma di costruzione ed i componenti. La posizione del pezzo è stata definita in maniera tale da non inficiare con i supporti la finitura superficiale di aree chiave della paletta.

16 Realizzazione del prototipo e operazioni post-processo Il prototipo, dopo la sua realizzazione ed ancora sulla piattaforma di costruzione, è stato sottoposto ad un trattamento termico a 650 C per 2 ore in atmosfera di argon per ottenere una riduzione delle tensioni residue. Dopo la sabbiatura, per rimuovere particelle in parziale adesione, il prototipo è stato staccato dalla piastra e sottoposto ai test. successivi.

17 Risultati: controlli non distruttivi attraverso FPI Sono stati effettuati controlli non distruttivi per rilevare la presenza di eventuali difetti. Il primo test è stato realizzato con i liquidi penetranti fluorescenti (FPI). Dopo aver applicato tali liquidi sulla paletta, si attende un tempo adeguato per permettere al liquido stesso di penetrare all interno dei difetti. Successivamente utilizzando la radiazione ultravioletta, si rilevano le possibili cricche e le aree vengono marcate.

18 Risultati: controlli non distruttivi con i raggi X Il test con i raggi X viene effettuato per valutare la presenza di difetti quali cricche, pori, variazioni di densità, sfruttando il fatto che tali discontinuità assorbono la luce in maniera diversa. La paletta appare dalla radiografia priva di difetti, anche nella zona precedentemente marcata dai liquidi penetranti.

19 Risultati: analisi dimensionale Il profilo reale della paletta è stato comparato con quello del CAD per una verifica dimensionale. Sono state evidenziate delle deviazioni pari a e mm per la parte superiore ed inferiore della foglia. Tali risultati suggeriscono che la definizione dei supporti deve essere migliorata per evitare distorsioni rispetto al modello originale.

20 Risultati: analisi della microstruttura Non è stata osservata nelle micrografie alcuna macroporosità o microfessurazione, poiché il prototipo ha densità pari a quella del pieno. Dopo la realizzazione la microstruttura è molto fine e costituita da martensite aciculare α dovuta alla elevata velocità di raffreddamento nel processo. Poiché tale struttura presenta elevate tensioni residue è necessario effettuare un trattamento termico, come già citato. Dopo il trattamento non sono state evidenziate modifiche nella microstruttura che risulta ancora aciculare.

21 Conclusioni In questo lavoro è stato realizzato il prototipo di una paletta di turbina con la macchina sinterizzatrice EOSINT M 270 IM Xtended SI. La polvere adottata è quella di Ti6-Al-4V e sono stati impiegati parametri di processo che consentono una densità prossima a quella di bulk. Il posizionamento dell elemento e la definizione dei supporti sono stati scelti considerando il tempo realizzativo e le operazioni post-processo, evitando di inficiare la finitura superficiale della foglia della paletta. I controlli non distruttivi effettuati (FPI e raggi X) non hanno rilevato la presenza di difetti. Mentre degli scostamenti sono stati evidenziati dalla verifica dimensionale e ciò suggerisce una migliore definizione dei supporti. Dopo l esame degli aspetti tecnici del SLM sarà necessario uno studio economico del processo per porre le basi su una effettiva applicazione industriale dello stesso nell ambito aerospaziale.

22 Grazie per la cortese attenzione

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