Cinética de oxidación de la aleación Ti6Al4V depositada por manufactura aditiva de arco eléctrico usando una atmósfera de argón con presión parcial de oxígeno de 1x10-5 atmósferas

Abstract

Ti6Al4V alloy is currently the most common metal alloy of the α+β phase type, its application is increasing as it has excellent properties at elevated temperatures. The main users of Ti6Al4V alloy are industries like of aerospace, naval, and biomedical; therefore, Ti6Al4V alloys one of the most studied material worldwide. One of the great advantages that Ti6Al4V alloy offers is the possibility of manufacturing components in situ by means of additive technologies.. Similar studies, in additive manufacturing, have found the formation of titanium oxide on the surface of the material, followed by an oxygen-enriched region called "α-case". By means of thermogravimetric analysis, the oxidation effect on the surface of Ti6Al4V samples obtained by wire arc additive manufacturing as well as samples obtained from conventional manufacture process were studied. Argon gas, with partial pressure 1x10-5 atm oxygen as impurity, was used as the oxidation atmosphere within the range of 550°C to 950°C and oxidatión time of 60 min and 180 min. For the oxidation reaction, the kinetic analyses led to calculate the activation energy as 250 kJ/mol and 166 kJ/mol for the Ti6Al4V alloy processed by conventinal and additive manufacturing, respectively. The results of the of thermogravimetric analysis were fitted to a parabolic-type kinetic model. Furthemore, a mathematical model was proposed to predict the diffusion change as a function of weight increase, temperature and oxidation time. The experimental data were fitted to the mathematical model in the range of 750 - 950°C for Ti6Al4V alloy by wire arc additive manufacturing. The high reactivity of titanium by oxygen produced a oxidizing layer observed by scanning electron microscopy.

La aleación Ti6Al4V es actualmente la aleación metálica más común del tipo de fase α+β, su aplicación está aumentando ya que tiene excelentes propiedades a temperaturas elevadas. Los principales usuarios de la aleación Ti6Al4V son industrias como la aeroespacial, naval y biomédica; por ello, las aleaciones Ti6Al4V son uno de los materiales más estudiados en todo el mundo. Una de las grandes ventajas que ofrece la aleación Ti6Al4V es la posibilidad de fabricar componentes in situ mediante tecnologías aditivas. Estudios similares, en fabricación aditiva, han constatado la formación de óxido de titanio en la superficie del material, seguido de una región enriquecida en oxígeno denominada "α-case". Mediante análisis termogravimétrico de alta precisión, se ha estudiado el efecto de oxidación en la superficie de muestras de Ti6Al4V obtenidas por fabricación aditiva por arco de alambre, así como muestras obtenidas por el proceso de fabricación convencional. Como atmósfera de oxidación se utilizó gas argón, con una presión parcial de 1x10-5 atm de oxígeno como impureza, en un intervalo de 550°C a 950°C y un tiempo de oxidación de 60 min y 180 min. Para la reacción de oxidación, los análisis cinéticos llevaron a calcular la energía de activación como 250 kJ/mol y 166 kJ/mol para la aleación Ti6Al4V procesada por fabricación convencional y aditiva, respectivamente. Los resultados del análisis termogravimétrico se ajustaron a un modelo cinético de tipo parabólico. Además, se propuso un modelo matemático para predecir el cambio de difusión en función del aumento de peso, la temperatura y el tiempo de oxidación. Los datos experimentales se ajustaron al modelo matemático en el rango de 750 - 950°C para la aleación Ti6Al4V por fabricación aditiva de arco de alambre. La alta reactividad del titanio por el oxígeno produjo una capa oxidante observada mediante microscopía electrónica de barrido.