Fatigue Properties in Additive manufactured Titanium & Inconell

Transkript

1 Fatigue Properties in Additive manufactured Titanium & Inconell UTMIS, Jönköping, 6/ PÄR JOHANNESSON, TORSTEN SJÖGREN Research Institutes of Sweden RISE Safety and Transport Mechanics Research

2 Optimized production process for additive manufacturing

3 Provplan Utvärdering av materialegenskaper Statiska prov: Brottgräns Utmattning SN-kurva (HCF) Static Dynamic Sträckgräns E-modul Brottöjning Material Tjocklekar stat / utm Process Aluminium 7 / - SLM Ja / nej Värmebehandling Bearbetning Titan 64 6 / 2 EBM & SLM Ja Ja / nej Inconell / 2 EBM & SLM Ja Ja / nej

4 High Cycle Fatigue (HCF) Testing Rumul 150kN resonant testing machine Constant amplitude load with R=0.1 The frequency varied from 45 Hz to 55 Hz 0.8 mm thick specimens lower test frequency 1.5 mm thick specimen the higher.

5 Utmattning, Inconell, Provplan Experimentella resultat för t = 0.8 mm Tjocklek [mm] Varianter Inconell 718 EBM 0.8 / 1.5 mm Antal prov EBM: 35 EBM (alla HIP:ade) As-built vs. Machined t=0.8 mm N vs. Smax, R=0.1 Antal cykler till brott vs. spänning Inconel t=0.8 t=1.5 Totalt As-built 10 8(10) 18(20) Machined Totalt 16 17(19) 33(35)

6 Utmattning, Inconell, Provplan Experimentella resultat för t = 1.5 mm Tjocklek [mm] Varianter Antal prov Inconell 718 EBM 0,8 / 1,5 mm EBM (alla HIP:ade) As-built vs. Machined EBM: 35 (16: 0.8mm, 20: 1.5mm) Outliers t=1.5 mm N vs. Smax, R=0.1 Antal cykler till brott vs. spänning Undersöka: - As-built vs. Machined - Inflytande av tjocklek, 0.8 & 1.5 mm

7 Utmattning, modell - Wöhler curve Utmattning beskrivs ofta i ett log-logdiagram där lastamplitud eller lastvidd ses som en funktion av antalet cykler till brott. last i logskala brottgräns LCF Lågcykelutmattning (LCF) HCF För lastamplituder som ger en mätbar global plastisk deformation får man brott vid, säg, tusen till hundratusen cykler. Högcykelutmattning (HCF) För lastamplituder som bara ger en elastisk global deformation fås brott vid, säg, hundratusen till några miljoner cykler. utmattningsgräns livslängd i logskala Utmattningsgräns - Lastamplituder som understiger utmattningsgränsen förmår inte driva en spricka till brott. Livslängden betraktas som oändlig.

8 Utmattning, Inconell, modell - Wöhler curve Model for SN-curve (Wöhler curve) Basquin equation: NN ii = NN 0 SS ii SS 0 kk εεii Straight line in log-log-scale. Random scatter in life, ln εε ii ~NN(0, ss 2 ). Parameters: Estimated for EBM, Machined, t=0.8 SS 0 = Fatigue strength at NN 0 cycles, here NN 0 = MPa 95%: (208;292) kk = Wöhler exponent 3.53 (±1.41) ss = Scatter in log-life %: (0.26;0.67)

9 Resultat, Inconell, t=0.8 mm - Skattning av SN-kurvor Resultat: S max beräknad med uppmätt area. Observationer: Linjära modellen ser ut att stämma! Normal spridning i livslängd. Machined bättre än As-built! Frågeställningar: Vad är statistisk signifikant? Skillnad i exponent? NN ii = NN 0 SN-curve SS ii SS 0 kk εεii

10 Resultat, Inconell, t=1.5 mm - Skattning av SN-kurvor Resultat: S max beräknad med uppmätt area. 1 Outlier exkluderad; S max =250, N=4331 Observationer: Linjära modellen ser ut att stämma! Relativt liten spridning i livslängd. Machined bättre än As-built! NN ii = NN 0 SN-curve SS ii SS 0 kk εεii Frågeställningar: Vad är statistisk signifikant? Skillnad i exponent?

11 Utmattning, Inconell, EBM - Estimated parameters, 95% CI Wöhler exponent Estimated Wöhler exponent 95% confidence intervals. t=0.8 mm, EBM, Machined: largest uncertainty! Confidence intervals overlap. Conclusion: No statistically significant difference in slope can be seen! It seems reasonable to assume same exponent, about k=4. Exponent, k As-built Machined As-built Machined t=0.8 mm t=1.5 mm ein 2.08.ein.m 2.15.ein 2.15.ein.m k kmin kmax

12 Utmattning, Inconell, EBM - Estimated parameters, 95% CI Fatigue strength Estimated Fatigue strength 95% confidence intervals. Differences in fatigue strength! Statistically significant! Machined higher SS 0 than As-built. As-built: t=1.5 higher than t=0.8. This could maybe be explained by over-estimated area due to surface roughness. Fatigue strength, S 0 [MPa] As-built Machined t=0.8 mm As-built Machined t=1.5 mm Note: Comparison depends on reference life, NN 0 cycles, here NN 0 = ein 2.08.ein.m 2.15.ein 2.15.ein.m FAT FATmin FATmax

13 Utmattning, Inconell, EBM - Estimated parameters, 95% CI Estimated Fatigue strength The scatter is in the order of 20%-30% in most cases. High scatter for EBM, Machined, t=0.8 mm, however large uncertainty in estimation, 95% confidence interval (0.23;0.77). s As-built t=0.8 mm Scatter Machined As-built t=1.5 mm Machined 0.30 Conclusions: Hard too see any clear systematic patterns. Reasonable to assume same scatter! ein 2.08.ein.m 2.15.ein 2.15.ein.m s smin smax

14 Utmattning, Inconell Resultat & Slutsatser Rimligt att anta gemensam exponent! Exponenten ca k=4 i de flesta fall. Statistiskt signifikant skillnad i utmattningsstyrka: Machined högre utmattningsstyrka än As-built. As-built: t=1.5 högre utmattningsstyrka än t=0.8. Spridningen i livslängd är i storleksordningen 20%-30% i de flesta fall. NN ii = NN 0 SN-curve SS ii SS 0 kk εεii t=0.8 mm t=1.5 mm

15 Resultat, Inconell, SN-kurva - Gemensam exponent Resultat: Antagande om gemensam lutning. S max beräknad med uppmätt area. Observationer: Linjära modellen ser ut att stämma! Relativt liten spridning i livslängd. Machined bättre än As-built! NN ii = NN 0 SN-curve SS ii SS 0 kk εεii

16 Resultat: Resultat, Inconell, SN-kurva - Gemensam exponent Antagande om gemensam lutning. Observationer: Säkrare skattningar, speciellt mindre osäkerhet för skattning av lutning och spridning

17 Utmattning, Titan, Provplan Experimentella resultat för t = 1.5 mm Tjocklek [mm] 0,8 / 1,5 Varianter Antal prov Resultat från provning Titan Ti6AlV4 (EBM & SLM) EBM vs. SLM (alla HIP:ade) As-built vs. Machined 71 (31: 0.8 mm, 40: 1.5 mm) Antal cykler till brott vs. Lastvidd (N vs. Smax, R=0.1) Undersöka: - EBM vs. SLM - As-built vs. Machined - Inflytande av tjocklek

18 Utmattning, Titan Resultat & Slutsatser Rimligt att anta gemensam exponent! Exponenten mellan 3 och 4 i de flesta fall. Statistiskt signifikant skillnad i utmattningsstyrka: Machined högre utmattningsstyrka än As-built. EBM-Machined något högre utmattningsstyrka än SLM- Machined. Spridningen i livslängd är i storleksordningen 20%-30% i de flesta fall.

19 FRÅGOR? PÄR JOHANNESSON E-post: Tel: +46 (0) Research Institutes of Sweden RISE Safety and Transport Mechanics Research