Fabbricazione di acciai bainitici carbide free alto resistenziali tramite tecnica L-PBF

Carbide-free Bainitic microstructures are object of extensive research, due to the optimum combination of tensile mechanical properties, UTS exceeding 2000 MPa and elongation up to 20%. These are Si-based steels and incredible performances of bainite derive from the composite multiphase microstructure, consisting of submicro-nanoscaled bainitic ferrite, and carbon enriched retained austenite. Bainitic ferrite, formed via a displacive mechanism, provides a major contribute to strength from a bainitic ferrite with nano- or submicrometric thickness. Whereas carbon-enriched austenite is characterized by a two-fold morphology: i) films located between the ferrite sub-units and ii) blocks located between the bainitic ferrite sheaves. Moreover the addition of silicon contributes to the carbon enrichment of austenite since it inhibits cementite precipitation and improve the thermal stability of the untransformed austenite. Austenite plays a crucial role on the ductility of bainitic steels. Strain-induced martensitic transformation occurring under load and formation of twins in austenite enhances the total elongation and the strain hardening of the steels. In the latest years, additive manufacturing processes have gained significant importance due to the possibility to fabricate components with complex geometry and high material efficiency. In addition, it permits rapid prototyping, enables the production of highly customized and personalized parts for a large span of industrial sector and application. In this work new medium-carbon high silicon carbide-free bainitic steels have been fabricated through L-PBF process. The process parameters were optimized in order to obtain high density parts. Furthermore, the effect of the substrate preheating and a in situ isothermal heat treatment on the density, fabrication defects, and the microstructure have been investigated. OM, SEM, X-ray Diffraction, Image analysis were utilized to perform the material characterization. The results showed that substrate preheating and in-situ isothermal heat treatment leads to the formation of a carbide-free bainitic microstructure without requirement of post-fabrication heat treatment, that implies further energy consumption, sample oxidation and final machining to obtain the opportune quality. Furthermore, the substrate preheating lead to obtain components with lower amount of porosities and cracks deriving from the fast cooling rates and the developed residual stresses.

Le microstrutture bainitiche prive di carburo sono oggetto di ricerche approfondite, grazie alla combinazione ottimale di proprietà meccaniche di trazione, UTS superiore a 2000 MPa e allungamento fino al 20%. Si tratta di acciai a base di Si e le incredibili prestazioni della bainite derivano dalla microstruttura multifase composita, costituita da ferrite bainitica su scala submicro-nanometrica e austenite trattenuta arricchita di carbonio. La ferrite bainitica, formata tramite un meccanismo dislocante, fornisce un contributo importante alla resistenza di una ferrite bainitica con spessore nano o submicrometrico. L'austenite arricchita di carbonio è invece caratterizzata da una duplice morfologia: i) film situati tra le sottounità di ferrite e ii) blocchi situati tra i fasci di ferrite bainitica. Inoltre l'aggiunta di silicio contribuisce all'arricchimento di carbonio dell'austenite poiché inibisce la precipitazione della cementite e migliora la stabilità termica dell'austenite non trasformata. L'austenite gioca un ruolo cruciale sulla duttilità degli acciai bainitici. La trasformazione martensitica indotta dalla deformazione che avviene sotto carico e la formazione di gemelli nell'austenite aumenta l'allungamento totale e l'incrudimento degli acciai. Negli ultimi anni, i processi di produzione additiva hanno acquisito un’importanza significativa grazie alla possibilità di fabbricare componenti con geometria complessa ed elevata efficienza dei materiali. Inoltre, consente la prototipazione rapida, consente la produzione di parti altamente personalizzate e personalizzate per un'ampia gamma di settori e applicazioni industriali. In questo lavoro sono stati fabbricati nuovi acciai bainitici esenti da carburo di silicio a medio tenore di carbonio mediante il processo L-PBF. I parametri del processo sono stati ottimizzati per ottenere parti ad alta densità. Inoltre, è stato studiato l'effetto del preriscaldamento del substrato e di un trattamento termico isotermico in situ sulla densità, sui difetti di fabbricazione e sulla microstruttura. Per eseguire la caratterizzazione del materiale sono stati utilizzati OM, SEM, diffrazione di raggi X e analisi di immagine. I risultati hanno mostrato che il preriscaldamento del substrato e il trattamento termico isotermico in situ portano alla formazione di una microstruttura bainitica priva di carburo senza necessità di trattamento termico post-fabbricazione, che implica ulteriore consumo di energia, ossidazione del campione e lavorazione finale per ottenere la qualità opportuna. Inoltre, il preriscaldamento del substrato porta ad ottenere componenti con minori quantità di porosità e cricche derivanti dalle rapide velocità di raffreddamento e dalle tensioni residue sviluppate.