Fabrication and characterization of low-alloyed tool steel obtained by Selective Laser Melting

The present work explores the capability of fabricating low-alloyed metal parts through the layer-by-layer Selective Laser Melting (SLM) technique. The alloy used was AISI S2, which is a carbide-free tool steel made of 0,49%wt of Carbon. Such kind of steels are not popular as for Additive Manufacturing process due to their unpromising welding properties. However, obtained results demonstrated the feasibility of printing fully dense, defects-free with good surface quality low-alloy steels. A process map containing the optimum set of parameters for the realisation of the S2 metal parts will be presented. Later, the printed pieces were subject to microstructural investigation under their as-build and heat-treated conditions. The outcomes showed a epitaxial grain growth strongly influenced by the scan strategy. Moreover, the outermost top layer consisted of supersaturated martensite which was characterized in order to gain information about the prior microstructure which was present. Whereas the rest of the cross-sections of the as-built samples were found to have bands of tempered martensite at various degrees of tempering. The cause was related to the complex thermal history of the SLM process. In order to achieve all the results several unique techniques have been used such as reverse Differential Thermal Analysis, post-processing heat treatment and nanoindentation. The latters were used in less common ways to obtain a deeper knowledge of the microstructure of S2 metal parts printed through SLM techinque, showing promising results.

Il lavoro presentato indaga la capacità di fabbricare parti metalliche basso legate attraverso la tecnica di stampa 3D “Selective Laser Melting” (SLM) strato per strato. La lega utilizzata è AISI S2, un acciaio per utensili privo di carburi e con il 0,49% in peso di carbonio. Questo tipo di acciai non è molto diffuso tra i processi di fabbricazione additiva a causa delle loro poco promettenti proprietà di saldabilità. Tuttavia, i risultati ottenuti hanno dimostrato la possibilità di stampare efficientemente acciai basso-legati completamente densi, privi di difetti e con una buona qualità superficiale. Verrà presentata una mappa del processo contenente l'insieme dei parametri ottimali per la realizzazione delle parti in metallo S2. Successivamente, i pezzi stampati sono stati sottoposti a un'indagine microstrutturale sia nelle condizioni di costruzione sia in quelle di post-trattamento termico. I risultati sulla sezione trasversale hanno mostrato una crescita epitassiale dei grani fortemente influenzata dalla strategia di scansione utilizzata. Inoltre, è stato riscontrato che lo strato superiore più esterno era costituito da martensite super satura, che è stata successivamente caratterizzata per ottenere informazioni sulla microstruttura primordiale presente. Per quanto concerne la restante parte delle sezioni trasversali dei campioni stampati, sono state rilevate bande di martensite temprata a vari gradi di tempra. La causa di questo fenomeno è stata ricollegata alla complessa storia termica del processo SLM. Per ottenere tutti i risultati sono state utilizzate diverse tecniche uniche nel loro genere, come l'analisi termica differenziale inversa, il trattamento termico post-lavorazione e la nanoindentazione. Queste ultime sono state utilizzate in modi poco comuni per ottenere una conoscenza più approfondita della microstruttura delle parti in metallo S2 stampate con la tecnica SLM, mostrando risultati promettenti.