High Cycle Fatigue of Additively Manufactured Inconel 625

Abstract

Esta proyecto tiene como objetivo investigar la influencia de la microestructura, los defectos internos y la rugosidad de la superficie en la resistencia a la fatiga de alto ciclo (FAC) del IN625 fabricado mediante el proceso de fabricación aditiva de Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). Se fabricaron 11 placas de probetas con dos orientaciones diferentes (z y xy) para explorar la influencia de las variaciones en la velocidad de escaneo láser, espaciado hatch y máquina. Estas condiciones de procesamiento dieron como resultado variaciones en la microestructura, en los defectos observados y la rugosidad de la superficie. Todas las muestras se trataron térmicamente antes de retirarlas de la placa de construcción para luego realizar un prensado isostático en caliente (HIP). Las muestras se probaron sin pulir, o en una condición pulida para establecer el papel de la rugosidad de la superficie en la resistencia a la fatiga. La resistencia de cada muestra se determinó utilizando un método conocido como Step Test Method. Para establecer una curva SN de referencia y validar el método Step Test, se realizaron ensayos de fatiga en una hoja IN625 laminada en frío que tenía resistencias similares a las de las muestras AM. Las superficies de las fracturas por fatiga se caracterizaron con microscopía SEM para determinar la característica de la microestructura asociada con la nucleación de las fisuras por fatiga y comprender la variabilidad de los resultados. Se midió la rugosidad promedio de todas las construcciones para encontrar tendencias con los resultados de FAC. Se estudió correlaciones entre las propiedades mecánicas y la resistencia a la FAC. La resistencia a la fatiga también se evaluó contra los parámetros de procesamiento para evaluar la influencia y encontrar los parámetros de diseño óptimos. Finalmente, se utilizaron métodos de corrección de la tensión media para diferentes valores de R para calcular la resistencia a la fatiga media según las especificaciones del diseñador.

This research aims to investigate the influence of the microstructure, defect features, and sur-face roughness on the high cycle fatigue (HCF) strength of IN625 manufactured using Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) additive manufacturing (AM) process. 11 AM builds each containing several fatigue test specimens with axis of specimen oriented in either the z-direction (build direction) or transverse direction were manufactured to explore the influence of variations in laser scan speed, hatch spacing, and L-PBF machine system. These processing conditions resulted in variations in microstructure, defect features, and surface roughness, all of which can influence fatigue strength. All specimens were stress-relieved before removal from build plate and then a hot isostatic pressing (HIP) was performed. Specimens were tested in either as-is condition, with no further machining or polishing, or in a polished condition to establish the role of surface roughness on fatigue strength. The fatigue strength of each specimen was determined using a step test method. To establish a reference stress-life curve and to validate the step test method, fatigue tests were also conducted on a cold-rolled IN625 sheet having similar strengths as the AM specimens. Stress-life curves that include the influence of micro-structure are estimated using the fatigue strength data and the reference stress-life curve from the wrought IN625. The fatigue fracture surfaces were characterized with SEM microscopy to determine the microstructure feature associated with fatigue crack nucleation and understand the variability of the fatigue results. Average roughness for all builds was measured to find trends with the high cycle fatigue results. Tensile test results for various mechanical properties including Young's modulus, yield strength, ultimate tensile strength and strain to failure z and xy specimens was plotted against fatigue strength to find trends. Fatigue strength was also evaluated against processing parameters to assess the influence and find optimal design parameters. Finally, mean stress correction methods for different R values were used to calculate average fatigue strength for designer specifications.