A new strategy to develop novel high-strength age-hardenable Al alloys for selective laser melting

Several Additive Manufacturing (AM) processes diffused in the last decades, among them Selective Laser Melting (SLM) is recently rising. SLM is an additive layer manufacturing process that enables to produce complex three-dimensional objects through the solidification of different layers of powder particles, melted by a laser beam. Nowadays aeronautical and space industries are interested in taking advantage of AM techniques, in order to develop new components with reduced weight and complex shapes. Despite the several parts already produced as prototypes and for final applications, there are few specific aluminium alloys for SLM available on the market. Development of novel Al alloys is a demanding cost-intensive task since those deriving from traditional cast alloys can hardly be used, as they present limited processability including high cracks susceptibility. In this thesis, a low-cost time-saving route is investigated in order to design novel Al alloys with satisfactory SLM processability, based on the principle of powder blending. Standard 2024 Al powder and two modified versions of it, with 12% Si and 4% Zr respectively, were supplied by different companies and selected as master alloys. Powder mixing was performed in order to obtain eight novel chemical compositions. The powders were processed using a Renishaw AM250 SLM system, and twelve cubic samples were printed using twelve different combinations of parameters, for each alloy. Microhardness tests and microstructural characterization were conducted with optical and electron microscopes (SEM). The alloys with the highest concentration of Si and Zr revealed to have the widest processability windows and they also guaranteed to obtain cracks free samples. Moreover, studies were performed to select the proper thermal treatments that allow achieving the highest mechanical properties. Phase precipitations were studied with differential scanning calorimetry (DSC) analysis and Thermo-Calc simulations. Finally, tensile tests were performed on the alloy Al2024 + 2% Zr. The results of this investigation showed that the aluminium powder was characterized by an excellent response to precipitation strengthening and it reached high values of Yield Strength (YS) and Ultimate Tensile Strength (UTS) in T5 temper condition. The high mechanical properties achieved with this novel alloy could be attributed to the dispersion of uniformly distributed fine Al3Zr particles. The effect of Al3Zr precipitates on grain refinement, inhibition of solidification cracks and improvement of mechanical properties are discussed.

Diversi processi di Additive Manufacturing (AM) si sono diffusi negli ultimi decenni, tra tutti, il Selective Laser Melting (SLM) sta vivendo un vero e proprio periodo di boom. Si tratta di un processo in grado di produrre oggetti tridimensionali complessi tramite la solidificazione di differenti strati di polvere, fusa mediante laser. Attualmente ha suscitato particolare interesse da parte di aziende aerospaziali e aeronautiche, le quali stanno traendo vantaggio producendo componenti complessi e leggeri. Nonostante i numerosi pezzi già prodotti, sia per prototipazione che per applicazioni finali, esistono poche leghe di alluminio specifiche per SLM disponibili sul mercato. Lo sviluppo di nuove leghe di alluminio è un compito impegnativo e costoso, quelle derivanti dalle tradizionali leghe da fonderia difficilmente possono essere utilizzate, in quanto presentano una processabilità limitata e un’elevata suscettibilità alle cricche. In questa tesi è stata studiata una soluzione basata sul principio di miscelazione delle polveri, che risulta essere a basso costo e che consente di risparmiare tempo per progettare nuove leghe di alluminio processabili mediante SLM. Come leghe iniziali sono state selezionate: una lega standard di alluminio 2024 e due versioni modificate contenti rispettivamente il 12% di Si e il 4% Zr. Esse sono state fornite da due società specializzate. La miscelazione delle polveri ha permesso di ottenere otto nuove polveri con diverse composizioni chimiche. Successivamente le polveri sono state processate tramite la macchina Renishaw AM250 al fine di ottenere, per ciascuna lega, dodici campioni con dodici differenti parametri di laser. Sono stati quindi condotti test di micro-durezza e di caratterizzazione della microstruttura con microscopi ottici ed elettronici (SEM). Le leghe con la più alta concentrazione di Si e Zr hanno permesso di ampliare la finestra di processabilità e di ottenere campioni privi di cricche. Inoltre, per garantire elevate proprietà meccaniche, sono stati condotti studi per la selezione dei trattamenti termici più appropriati. La precipitazione di seconde fasi è stata studiata tramite analisi di calorimetria a scansione differenziale (DSC) e tramite simulazioni condotte con il software Thermo-Calc. Infine, sulla lega Al2024 + 2% Zr sono state eseguite prove di trazione. I risultati di questa indagine hanno dimostrato che la polvere di alluminio mostra un’eccellente risposta al rafforzamento tramite precipitazione, inoltre, dopo trattamento di tempra T5, ha raggiunto valori elevati di sforzo di snervamento e di carico di rottura. Le elevate proprietà meccaniche ottenute con questa nuova lega potrebbero essere attribuite alla dispersione di particelle fini di Al3Zr, uniformemente distribuite. L'effetto dei precipitati di Al3Zr sul raffinamento dei grani, l’effetto inibitorio della formazione di cricche da solidificazione e il miglioramento delle proprietà meccaniche sono stati successivamente discussi.