Influenza dei parametri di processo L-PBF e dell’invecchiamento sulla risposta meccanica e sulla dipendenza direzionale nelle leghe NiTi

Abstract

Le leghe a memoria di forma (SMA), in particolare le NiTi, sono di grande interesse per le loro proprietà uniche, quali effetto memoria di forma e superelasticità, che le rendono adatte ad applicazioni biomedicali, aerospaziali e robotiche. Tuttavia, la loro produzione è complessa a causa della reattività del titanio, della sensibilità alla composizione e delle difficoltà di lavorazione tradizionale. In questo contesto, la manifattura additiva tramite Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) rappresenta una soluzione promettente per ottenere componenti complessi con ridotto spreco di materiale. Il presente lavoro analizza l’influenza dei parametri di processo L-PBF e dei trattamenti di invecchiamento sulla risposta meccanica e sull’anisotropia di una lega NiTi quasi equiatomica (52.39 at.%Ni - 47.61 at.%Ti). I campioni sono stati prodotti variando potenza laser (150–180 W) e velocità di scansione (500–1000 mm/s), mantenendo costanti gli altri parametri di processo. Successivamente, sono stati sottoposti a trattamenti di invecchiamento a 500 °C per 30, 60 e 90 minuti. La caratterizzazione è stata effettuata mediante misure di densità, microscopia ottica, prove di durezza Vickers e Rockwell e analisi XRD. L’analisi statistica (ANOVA e modelli di superficie di risposta) ha permesso di valutare l’influenza dei parametri studiati. I risultati mostrano che i parametri di processo influenzano significativamente densità, microstruttura e proprietà meccaniche. È stata evidenziata una marcata anisotropia tra i piani XY e XZ, legata alla natura stratificata del processo L-PBF. I trattamenti di invecchiamento hanno inoltre modificato durezza e composizione di fase, confermando il ruolo chiave dei trattamenti termici nel controllo delle proprietà delle leghe NiTi prodotte additivamente. Nel complesso, il lavoro migliora la comprensione delle relazioni tra parametri di processo, trattamenti post-processo e comportamento microstrutturale e meccanico delle leghe NiTi.

Nickel-titanium (NiTi) shape memory alloys are widely used due to their unique functional properties, such as shape memory effect and superelasticity, making them suitable for advanced engineering applications. However, their manufacturing is challenging because of high reactivity, compositional sensitivity, and poor machinability with conventional techniques. In this context, Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) represents a promising additive manufacturing method for producing complex NiTi components with reduced material waste. This thesis investigates the influence of L-PBF process parameters and aging heat treatments on the mechanical behavior and anisotropy of a near-equiatomic NiTi alloy (52.39 at.%Ni - 47.61 at.%Ti). Samples were fabricated by varying laser power (150–180 W) and scanning speed (500–1000 mm/s), while keeping layer thickness, hatch spacing, and spot size constant. After fabrication, specimens were aged at 500 °C for 30, 60, and 90 minutes. Characterization included density measurements, optical microscopy, Vickers (HV1) and Rockwell (HRA) hardness tests, and X-ray diffraction (XRD). Statistical analysis using ANOVA and response surface modeling was applied to evaluate the effects of process parameters and heat treatments. Results indicate that L-PBF parameters significantly affect density, microstructure, and mechanical properties. In particular, laser power and scanning speed strongly influence relative density and hardness. A clear anisotropic response between XY and XZ planes was observed, attributed to the layer-wise nature of the process. Aging treatments further modified hardness and phase composition, highlighting their key role in tailoring material properties. Overall, the study improves the understanding of the relationships between L-PBF parameters, heat treatments, and the resulting microstructural and mechanical behavior of NiTi alloys.