Fabbricazione tramite tecniche di Additive Manufacturing di un acciaio bainitico nanostrutturato

The thesis activity has the aim of studying additive manufacturing fabrication technique by powder bed fusion (L-PBF) of a nanostructured bainitic steel (0.4C-3.8Si-2.6Mn-0.11Al). The purpose was especially to optimize the manufacturing parameters (lase power and speed, pre-heating temperature of the printing platform) in order to obtain components with high density (>99%) and nanostructured bainitic microstructure. Firstly, a DOE was generated to identify a set of candidate parameter combinations to realize the massive artifacts (10x10x10 mm3 volume cubes) and then, individual scanning lines, were deposited to reduce the number of parameter combinations. The individual lines were subsequently analysed under an optical microscope and selected for future manufacture on the basis of uniformity of thickness and absence of unfused powder. Secondly, 10 combinations of parameters were selected for the next production of the artifacts, which were made at room temperature on a 316L steel platform, under argon flow and using a stripe strategy with superimposed layers rotated by 90 °. Subsequently, the fabricated samples were subjected to characterization for density measurements (pycnometer and image analysis) and metallographic analysis to determine the microstructure and characterize the defects of the samples. From the analysis it emerged that, for an energy of 122J/mm3, it was possible to obtain samples with high relative density, up to 99.6%. However, it has been noted that there was still a presence of a martensitic microstructure due to the high cooling rates related to the process, and also cracks generated by thermal stresses during manufacturing. A second fabrication then was carried out with platform preheating and isothermal holding at 320 °C of the platform in order to reduce the thermal gradient, to remove the defects caused by thermal stresses and promote the formation of the bainitic microstructure. The characterization of the samples showed that the pre-heating and the maintenance of the artifacts at 320 °C can minimize defects and increase density (up to ~99.9%) and it allows to obtain a similar bainitic microstructure of the material produced by conventional process without post-heat treatments.

L’attività di tesi realizzata si è occupata di studiare la fabbricazione mediante la tecnica di additive manufacturing per fusione a letto di polvere (L-PBF) di un acciaio bainitico nanostrutturato (0.4C-3.8Si-2.6Mn-0.11Al). In particolare, lo scopo è stato quello di ottimizzare i parametri di fabbricazione (potenza e velocità del laser, temperatura di pre-riscaldo della piattaforma di stampa) al fine di ottenere manufatti con elevata densità (>99%) e microstruttura bainitica. Si è dapprima realizzato un DOE per identificare un set di combinazioni di parametri candidate per la realizzazione dei manufatti massivi (cubi di volume 10x10x10 mm3) e si è poi proceduto alla stampa di singole linee di scansione per ridurre il numero di combinazioni di parametri. Le singole linee depositate sono state successivamente analizzate al microscopio ottico e selezionate per la futura fabbricazione sulla base sull’uniformità dello spessore e assenza di polveri non fuse. Sono state così selezionate 10 combinazioni di parametri per la successiva fabbricazione dei manufatti, che sono stati realizzati a temperatura ambiente su una piattaforma in acciaio 316L, sotto flusso di argon e utilizzando una strategia unidirezionale con layer sovrapposti ruotati di 90 °. Successivamente i campioni prodotti sono stati sottoposti a caratterizzazione per le misure di densità (picnometro e analisi di immagine) e analisi metallografiche per determinare la microstruttura e caratterizzare i difetti presenti sui campioni. Dall’analisi si è evidenziata la possibilità di ottenere manufatti con elevata densità relativa, fino 99.6% per una energia pari a 122 J/ mm3. Tuttavia, si è osservata una microstruttura martensitica derivata dalle elevate velocità di raffreddamento legata al processo e presenza di cricche generate dagli stress termici sviluppatisi durante la fabbricazione. Pertanto, si è effettuata una seconda fabbricazione con preriscaldo della piattaforma a 320 °C per ridurre il gradiente termico e eliminare difetti generati da stress termici e permettere la formazione della microstruttura bainitica. Dalla caratterizzazione dei campioni è emerso che il pre-riscaldo e il mantenimento dei campioni fabbricati a 320 °C consente di minimizzare i difetti e aumentare la densità (fino ~99.9%) dei manufatti e permette di ottenere analoga microstruttura bainitica del materiale ottenuto per via convenzionale senza trattamenti termici post fabbricazione.