Selective laser melting of novel sustainable steel powders produced by gas and water atomization

The present work focuses on the study of different grades of low alloy carbon steels processed by Selective Laser Melting (SLM). These non-commercial steels were developed in order to provide novel sustainable alloys for Additive Manufacturing (AM) processes characterized by a little amount of alloying elements and powder produced by both gas atomization and cheaper water atomization process. An investigation about densification behaviour, microstructure and mechanical properties was carried out both on as-built and heat treated (quenched and tempered) samples. Gas and water atomized powders were processed using two different SLM strategies and in both cases scanning parameters such as laser scan speed and hatch spacing were combined in order to achieve the highest densification level. A comparison between gas and water atomized powders behaviour upon laser processing was carried out, and it was found that the highest density levels (>99.5%) were reached in correspondence of input energy values around 100 J/mm3 for water atomized alloys and between 110 and 130 J/mm3 for the gas atomized ones. Microstructural analysis was carried out by Optical and Scanning Electron Microscopy: as-built samples showed a fully martensitic structure with the typical visible solidification tracks. Since this inhomogeneous structure is characterized by softer and harder regions, heat treatment was necessary in order to homogenize the microstructure and subsequently improve mechanical strength. Hence, direct tempering and quenching and tempering treatment were performed and their effect was evaluated by means of tensile tests and hardness measurements. Quenching temperatures for each material were defined using different approaches such as empirical formula, prediction of phase diagrams and Differential Scanning Calorimetry (DSC) tests.

Il presente lavoro si concentra sullo studio di diversi acciai al carbonio basso-legati processati via Selective Laser Melting (SLM). Queste leghe non commerciali sono state sviluppate con lo scopo di fornire nuovi materiali sostenibili per processi di Additive Manufacturing (AM): esse sono caratterizzate da piccole aggiunte di elementi alliganti e la materia prima, sotto forma di polveri, è stata prodotta sia tramite atomizzazione ad aria sia dal più economico processo di atomizzazione ad acqua. Il lavoro si struttura su un’analisi della densità relativa, della microstruttura e del comportamento meccanico di campioni as-built e trattati termicamente (tramite trattamenti di tempra e rinvenimento). Le polveri atomizzate a gas e ad acqua sono state processate usando due diverse strategie di stampa e in entrambi i casi i parametri di processo tra cui la velocità di scansione del laser e la distanza tra una passata e l’altra sono stati combinati per ottimizzare il livello di densità. E’ stato fatto un confronto tra il comportamento delle polveri atomizzate a gas e ad acqua durante il processo di SLM: è stato riscontrato che i massimi livelli di densità (>99.5%) sono stati raggiunti in corrispondenza di valori di input energetici pari a circa 100 J/mm3 per le leghe atomizzate ad acqua e tra 110 e 130 J/mm3 per quelle atomizzate a gas. L’analisi microstrutturale è stata effettuata mediante microscopia a scansione elettronica (SEM) e microscopia ottica: i campioni as-built hanno mostrato una struttura completamente martensitica e le tipiche tracce di solidificazione delle pozze di fusione sono visibili. Poiché questa struttura è disomogenea e caratterizzata da elevati stress residui dovuti alla rapida solidificazione del materiale processato, è stato necessario applicare un trattamento termico con lo scopo di omogeneizzare la microstruttura e di conseguenza migliorarne il comportamento meccanico. Quindi sono stati applicati dei trattamenti di rinvenimento e di tempra e rinvenimento e il loro effetto è stato valutato mediante prove di trazione e misure di durezza. È’ stato necessario valutare le temperature di tempra per ciascun materiale, utilizzando diversi approcci: formule empiriche, simulazioni dei diagrammi di fase e test di Calorimetria Differenziale a Scansione (DSC).