Selective laser melting of A357 aluminium alloy : effect of heat treatments on microstructure and mechanical properties

The present thesis investigates the influence of T6 and stress relieved heat treatments on microstructures and mechanical properties of A357 aluminium alloy samples realised by Selective Laser Melting (SLM). During this process, metal undergoes to extremely rapid super-heating and under-cooling, generating ultrafine microstructure (α-Al matrix supersaturated with Si and Mg) and high residual stresses inside the as-built material. The peculiar microstructure improves tensile properties and Vickers micro-hardness in the as-built specimens; nevertheless, it is fundamental to perform a stress relieving treatment at 300°C for 2 hours in order to release the thermal stresses generated during SLM process. Such treatment entails a reduction of tensile strength and hardness, with an increasing of ductility, as compared to the as-built condition. Regarding the T6 treatment, samples were solution-treated at the temperatures of 450°C, 500°C and 550°C for 2 hours, followed by water quenching. The subsequent artificial ageing was performed at 200°C for 6 hours. This treatment leads to a coarser microstructure: Si atoms are rejected from the supersaturated α-Al matrix to form small Si particles. With the increment of the solution temperature, the size of the Si particles increases, whereas their number decreases. This variation in size has a direct influence on the Vickers micro-hardness of the A357 aluminium alloy. This work indicates that it is necessary to develop dedicated thermal treatments for SLM-processed alloys, since procedures established for cast metals are not suitable for materials produced with this new class of Additive Manufacturing techniques.

La seguente tesi ha lo scopo di valutare l’influenza che i trattamenti termici T6 e di distensione hanno sulla microstruttura e sulle proprietà meccaniche di provini in lega di alluminio A357 realizzati tramite Selective Laser Melting (SLM). Durante questo processo produttivo, il metallo viene sottoposto a riscaldamento e raffreddamento in rapida sequenza, generando così una microstruttura estremamente fine (matrice α-Al sovrasatura di Si e Mg) e elevate tensioni residue all’interno del materiale. La particolare microstruttura migliora le proprietà a trazione e la micro-durezza Vickers nei provini non trattati termicamente; ciononostante, risulta fondamentale effettuare un trattamento di distensione a 300°C per 2 ore in modo da rilasciare le tensioni termiche che si sono generate durante il processo SLM. Il trattamento descritto comporta una riduzione della resistenza a trazione e della durezza, con un incremento di duttilità, se comparato al materiale non trattato. Relativamente al trattamento T6, i provini sono stati trattati alle temperature di solubilizzazione di 450°C, 500°C e 550°C per 2 ore, con conseguente raffreddamento in acqua. Il successivo invecchiamento artificiale è stato eseguito a 200°C per 6 ore. Questo trattamento porta ad una microstruttura più grossolana: gli atomi di Si vengono respinti dalla matrice α-Al per formare piccola particelle di Si. All’aumentare della temperatura di solubilizzazione, la dimensione delle particelle di Si aumenta, mentre il loro numero diminuisce. La variazione di dimensione ha un effetto diretto sulla micro-durezza Vickers della lega di alluminio A357. Questo lavoro evidenzia che è necessario sviluppare trattamenti termici dedicati per le leghe lavorate tramite SLM, in quanto le procedure consolidate per metalli colati non sono adeguate per materiali prodotti con questa nuova classe di tecniche di Additive Manufacturing.