Microstructural and mechanical properties of hot work tool steels produced by selective laser melting

Selective Laser Melting (SLM) is an additive manufacturing technique that starting from a CAD files and using a laser beam is able to produce 3D parts by melting the metal powder particles. SLM provides a series of advantages, such as production of complex parts with high three-dimensional accuracy. Currently, dense parts of different geometries are developed for automotive, aerospace, medical, die and mould industries. Most of the SLM research is focused iron, titanium, aluminium and nickel alloys due to their widespread application. In this thesis work, a H11 hot-work tool steel and a H11 modified version (less alloyed), are investigated. To identify the best processing parameters able to produce dense and crack-free parts, cubic samples were manufactured by an SLM prototype machine. Afterwards, the parts were characterized using optical and electron microscopes. The optimal hardening and tempering temperatures ensuring the maximum hardness were investigated. A differential scanning calorimetry (DSC) analysis was performed to investigate on the phase transitions. An x-ray diffraction (XRD) analysis was performed at the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) to identify the different phases. Mechanical properties were investigated by means of hardness and wear tests.

La tecnologia Selective Laser Melting (SLM) è una tecnica di fabbricazione additiva che, usando un fascio laser e partendo da un file 3D in formato CAD, è in grado di generare prodotti reali in 3D fondendo le polveri metalliche. Questa tecnologia apporta una serie di vantaggi quali, ad esempio, la possibilità di produrre con alta accuratezza parti dalla geometria complessa. Attualmente vengono prodotti materiali densi con diverse geometrie per settori importanti come quello automotive, aerospaziale, medico e per la produzione di stampi. La maggior parte della ricerca sulla tecnologia SLM, a causa della loro diffusa applicazione, si concentra principalmente sullo studio delle leghe di alluminio, titanio ferro e nickel. In questa tesi sono stati studiati l’acciaio da utensili H11 e una sua versione modificata (composta da una minore percentuale di elementi alliganti). Grazie a un prototipo di macchina SLM, sono stati processati provini di forma cubica che sono poi stati utilizzati per ottimizzare i parametri di processo in modo tale da ottenere parti dense e senza la presenza di cricche. Successivamente i provini processati con i parametri ottimi sono stati caratterizzati con il microscopio ottico ed elettronico. Sono state poi identificate le temperature per i diversi trattamenti termici che garantivano la massima durezza. È stato successivamente svolto un test di calorimetria differenziale a scansione per poter identificare le transizioni di fase che si verificano a diverse temperature. È stata inoltre svolta un’analisi XRD presso European Synchrotron Radiation Facility (ESRF)per poter identificare le fasi presenti. Infine sono state investigate, mediante appositi test, le proprietà meccaniche di durezza e di usura.