Development of iron-based alloys for innovative powder metallurgy processes

Iron-based alloys for powder metallurgy (PM) processes like Spin casting and Selective Laser melting (SLM) were developed and characterized. The new alloys are proposed for applications which require high strength and wear resistance, a field for which the range of available material is yet very limited as the powder nature and cracking affinity of feedstock poses processing challenges to scientists and engineers. Spin casting is a deposition process of thick coatings and is affected by backing steel dilution. Dilution leads to a reduction of alloying elements in the coating and has to be considered during the design of powder composition as alloy properties will differ after deposition significantly from those of the base alloy. The effect of dilution on microstructure and wear properties was studied profoundly, precipitating carbides and borides in hypereutectic alloys were determined. By the addition of iron powder to the feedstock material it was possible to simulate backing steel dilution and to determine characteristic threshold intervals at which the hypereutectic solidification mode turns hypoeutectic. Detrimental effects of dilution on hardness, wear performance and solidification range were characterised. The effect of vanadium and graphite additions to hardfacing alloys was also studied. A significant improvement in hardness could be achieved by V additions up to 3% due to the appearance of V-rich carbides. The solidification gap remained close to that of the reference alloy, which could qualify these alloys as particular suitable for spin casting. Finally, a model was developed and validated by crucible castings in order to correlate macroscopic, microscopic and chemical dilution effects through an interface by linear regression. SLM is an additive manufacturing (AM) process for the freeform production of metal parts. Especially the high cooling rates poses a challenge, but also a promising feature, which could be exploited in future structural and functional parts, e.g. to create fine, anisotropic microstructures. The impact of laser parameters, built strategies and alloying on microstructure, defect distribution and tensile properties of SLMed 316L alloy were investigated and discussed. It was shown that by applying a meander scanning strategy, the occurrence of a pronounced microstructural texture could be avoided and that a horizontal build orientation let to a better tensile performance than a vertical based on the defect orientation in respect to loading direction. The microstructure of 316L as built by SLM is characterised by overlapping melt pools containing austenitic cells with submicrometric size and regions that grew ruled by epitaxial mechanisms across different tracks. Then, it was demonstrated how by alloying 316L with a strongly carbide-former 304CS alloy, more wear resistant, high-strength austenitic stainless steel parts could be produced. 316L alloy with 304CS alloy additions could be processed to crack-free condition up to 20 wt. % 304CS. At this composition the C content was about 0.42 % and the hardness increased about 82.7% in comparison to pure SLMed 316L. Heat treatments were developed to modify the microstructure from austenitic cells surrounded by a secondary phases containing network into a spheroidised structure. This effect was achieved at best after heating for 1 h at 1150°C and water quenching. Wear resistance of alloys increased linearly with 304CS amount and was four times higher at 20% additions than pure 316L. In the end, a study about the processing by SLM of Fe-Si containing a high amount of Si is presented. A composition was selected which is optimal for soft magnetic applications, but prone to cracking because of Si embrittlement. Process characteristic features seem to affect the microstructure beneficially as detrimental ordering phase transformations are suppressed. The suppression of ordering could be potentially exploited in the future for the production of magnetic components. It was shown that DSC can be applied to characterize ordering transformations in Fe-Si built by SLM. Ordering was assigned to two distinct DSC curve features, a first order exothermic transformation peak around 520°C (disorder-order) and a second order endothermic transformation starting from around 825°C (order-disorder). Furthermore, heat treatments in order to modify material properties like grain size, ordering state and residual stress level were designed and experimentally validated.

Nel presente lavoro sono state sviluppate e caratterizzate delle leghe a base ferro dedicate ai processi di metallurgia delle polveri (PM) quali lo Spin Casting e il Selective Laser Melting (SLM). Le nuove leghe vengono proposte per applicazioni che richiedono elevata resistenza meccanica e alte prestazioni all’usura, un campo dove la disponibilità dei materiali è ancora piuttosto limitata poiché la natura delle polveri e la loro facilità di criccatura comportano grandi sfide nello studio del processo. Lo spin casting è un processo per la deposizione di rivestimenti spessi ed è affetto dalla diluizione del supporto. L’effetto della diluzione porta a una riduzione degli elementi alliganti nel rivestimento e deve essere tenuta in considerazione durante la progettazione della composizione della polvere in quanto le proprietà differiranno significativamente da quelle della lega di base. L’effetto della diluizione sulla microstruttura e sulla resistenza all’usura è stato approfonditamente studiato determinando la natura dei carburi e dei boruri presenti nelle leghe ipereutettiche. Mediante l’aggunta di polvere di ferro alle materie prime è stato possibile simulare la diluizione e determinare gli intervalli caratteristici in cui la solidificazione ipereutettica diviene ipoeutettica. Sono stati analizzati gli effetti negativi della diluizione sulla durezza, sulla resistenza all’usura e sull’intervallo di solidificazione. E’ stato inoltre studiato l’effetto delle aggiunte di vanadio e di grafite alle leghe hardfacing. L’apporto di V fino al 3% causa un signficativo aumento della durezza dovuta principalmente alla formazione di carburi ricchi in V. L’intervallo di solidificazione simile a quello della lega di riferimento permette di qualificare queste leghe come particolarmente adatte allo spin casting. Infine, un modello è stato sviluppato e quindi validato tramite delle fusioni in crogiolo correlando così gli effetti macroscopici, microscopici e di diluizione chimica mediante una regressione lineare. Il SLM è un processo di manifattura addittiva (AM) per la formatura libera di parti metalliche. L’elevata velocità di solidificazione è tanto una caratteristica complessa da governare quanto promettente poichè potrebbe essere sfruttata in futuro per la realizzazione di parti strutturali e funzionali quali, ad esempio, delle microstrutture anisotropiche. L’effetto che i parametri del laser, le strategie di costruzione e l’alligazione hanno sulla microstruttura, sulla distribuzione dei difetti e sulle proprietà meccaniche della lega SLMed 316L sono state analizzate e discusse. E’ stato dimostrato che mediante una strategia di scansione dei meandri è possibile evitare la comparsa di una tessitura pronunciata, inoltre una costruzione orizzontale conferisce migliori proprietà meccaniche rispetto ad una verticale a causa dell’orientazione dei difetti rispetto alla direzione di carico. La microstruttura del 316L realizzato tramite SLM è caratterizzata da una sovrapposizione di tracce laser contenenti celle austenitiche submicrometriche e regioni governate da meccanismi epitassiali di crescita. E’ quindi stato dimostrato come l’alligazione del 316L con una lega ad alta affinità per i carburi, la 304CS, comporta la realizzazione di parti in acciaio austenitico caratterizzate da una maggiore resistenza all’usura e da migliori proprietà meccaniche. La lega 316L addizzionata di 304CS può essere processata senza criccatura fino ad un contenuto di 304CS pari al 20% in peso. Tale composizione mostra un contenuto in C di circa 0.42% e un aumento della durezza dell’82.7% rispetto al SLMed 316L. Alcuni trattamenti termici sono stati studiati con il fine di modificare l’originale microstruttura a celle austenitiche contornate da fasi secondarie in una struttura sferoidale. L’effetto migliore è stato ottenuto con un trattamento di 1 ora a 1150°C con conseguente raffreddamento in acqua. La resistenza all’usura delle leghe aumenta linearmente con l’aggiunta di 304CS, risultando quattro volte più elevata di quella del 316L puro per una aggiunta pari al 20% in peso. Da ultimo è presentato uno studio sulla processabilità mediante SLM di una lega Fe-Si ad alto contenuto di Si. E’ stata selezionata una composizione ottimale per le applicazioni magnetiche, tuttavia soggetta a criccatura dovuta all’effetto di infragilimento da Si. Le caratteristiche del processo sembrano essere di beneficio alla microstruttura in quanto vengono soppresse le detrimentali trasformazioni di fase ordinate. La soppressione delle trasformazioni potrebbe essere sfruttata in futuro per la produzione di compenenti magnetici. E’ stato dimostrato che le analisi DSC possono essere utilizzate per caratterizzare le suddette trasformazioni nella lega Fe-Si realizzata tramite SLM. Il fenomeno associato alle trasformazioni può essere associato a due distinti picchi delle curve DSC: un picco di trasformazione del primo ordine attorno ai 520°C (disordine-ordine) e un picco di trasformazione del secondo ordine che inizia attorno agli 825°C (ordine-disordine). Infine sono stati studiati e sperimentalmente validati dei trattamenti termici atti a modificare le proprietà del materiale quali la dimensione del grano, lo stato d’ordine e gli stress residui.