Effect of heat treatment on microstructure and mechanical behaviour of selective laser melted X38CrMoV5-1 hot-work tool steel

Among the family of Additive Manufacturing (AM) processing techniques diffused in the last few decades, Selective Laser Melting (SLM) represents the main reference process in metal parts production. SLM is a powder bed fusion manufacturing technique in which a laser beam is used to selectively melt successive powder layers into the desired shape. Since SLM enables the production of complex components with intricated geometries hard to manufacture by conventional processes, this technique has recently attracted tool and die makers, meeting their need to produce customized parts often featuring conformal cooling channels. Despite the growing interest, only few studies focusing on tool steel alloys processable with AM techniques have been published so far. The aim of the present work is to assess the evolution in mechanical behaviour of X38CrMoV5-1 (AISI H11) hot-work tool steel processed by Selective Laser Melting as a function of the microstructural modifications induced by several conventional heat treatments. Several cubic samples were printed using a Renishaw AM250 SLM system with optimized processing parameters. Once selected the correct combination of austenitizing time and temperature, tempering was performed both on quenched and as-built material, since the solidification structure obtained from SLM process enables the chance to perform precipitation hardening treatment directly after printing. Micro-hardness tests were performed on both tempered samples revealing comparably high levels of hardness. Microstructural characterization was carried out with optical and electron microscopy (FE-SEM and TEM). X-ray diffraction was also conducted for a more comprehensive phase analysis. The as-built specimens showed a fine network of cell-like structures consisting of α-Fe and -Fe, that started to dissolve after tempering and completely disappeared after quenching. Quenched samples exhibited a fully martensitic structure, which transformed into tempered martensite upon tempering. Moreover, both tempered specimens showed Cr and V rich nanoparticles dispersed in the microstructure. Finally, differential scanning calorimetry (DSC) was used to investigate on possible differences in phase transitions between as-built and quenched samples revealing a similar behaviour in both specimens.

Tra le varie tecniche di Additive Manufacturing (AM) diffusesi negli ultimi decenni, il Selective Laser Melting (SLM) rappresenta il processo di riferimento nella produzione di componenti metalliche. L’SLM è una tecnica di manifattura di tipo “powder bed” nella quale un fascio laser viene impiegato per fondere in maniera selettiva strati consecutivi di polvere fino a formare l’oggetto desiderato. Considerato che l’SLM rende possibile la produzione di componenti complessi e dalle geometrie intricate, difficili da fabbricare per via convenzionale, questa tecnica ha recentemente attirato l’attenzione dei produttori di acciai da utensili e di stampi, venendo incontro alla loro necessità di produrre parti su misura che spesso richiedono la presenza di canali di raffreddamento conformati. A dispetto dell’interesse crescente, sono ancora pochi gli studi pubblicati riguardo agli acciai da utensili processabili attraverso tecniche di manifattura additiva. L’obiettivo di questa tesi è quello di studiare l’evoluzione del comportamento meccanico di un acciaio da utensili per lavorazioni a caldo, X38CrMoV5-1 (AISI H11) stampato via SLM, in funzione delle variazioni microstrutturali indotte da diversi trattamenti termici convenzionali. Vari campioni cubici sono stati stampati mediante una macchina Renishaw AM250 utilizzando i parametri di processo ottimizzati. Una volta selezionata la corretta combinazione di tempo e temperatura per l’austenitizzazione, il rinvenimento è stato effettuato sia sui campioni temprati che su quelli as-built, poiché la struttura di solidificazione ottenuta durante il processo di stampa rende possibile l’indurimento per precipitazione senza effettuare trattamenti termici preventivi. Successivamente sono state effettuate prove di micro-durezza sia sui campioni as-built che su quelli trattati termicamente rivelando valori di durezza comparabili. La caratterizzazione della microstruttura è stata condotta attraverso microscopia ottica e elettronica (FE-SEM e TEM). Per una analisi esaustiva delle fasi, inoltre, sono stati condotti esperimenti di diffrattometria a raggi X. I campioni as-built risultano caratterizzati da una fitta rete di strutture cellulari composte da α-Fe e -Fe, la quale inizia a dissolversi a seguito del rinvenimento e scompare definitivamente solo dopo il trattamento di tempra. I campioni temprati presentano una microstruttura completamente martensitica, la quale viene trasformata in martensite rinvenuta a seguito del rinvenimento. Inoltre, entrambe i campioni rinvenuti sono caratterizzati dalla presenza di nanoparticelle ricche di Cr e V disperse all’interno della microstruttura. Possibili differenze nelle transizioni di fase tra il campione as-built e il campione temprato sono state investigate mediante calorimetria differenziale a scansione (DSC) rivelando un comportamento simile in entrambe i provini.