Investigation on porosity formation mechanisms in laser metal deposition of A357 alloy

Laser Metal Deposition (LMD) is one of the most important techniques among additive manufacturing techniques thanks to its many advantages. Thanks to high flexibility of process, it is possible to produce highly complex shaped components. Waste of material is less than traditional methods. Besides, in order to produce parts, there is no need of special molds. However, working with some materials is hard in this method such as aluminum alloys due to the fact that aluminum is reflective material and its thermal conductivity is very high. There are some safety risks such as explosion of powder. This situation brings need of an atmosphere which include very little amount of Oxygen. These problems create need of extra precautions. Process parameters should be well optimized, enclosed working chamber is utilized and heat treatment may be needed. On the other hand, aluminum and its alloys are quite important in industry because aluminum allows good mechanical properties with low density and low price. This thesis study reveals aluminum alloys can be used in LMD technique by investigating effects of process parameters and heat treatment on porosity formation and mechanical properties for A357 aluminum alloy. Effects of process parameters are observed on cubes. Thanks to nature of Laser Metal Deposition process, fine cellular structure is dominant structure on microstructure of cubes but porosities present on deposition. In order to decrease amount of porosities, process parameters are optimized and remelting method is utilized. Density, microstructure and hardness are examined to be able to see effects of parameters and remelting method. On the other hand, big parallelepipeds are deposited with the aim of observing effect of deposition direction and heat treatment on density, strength, break elongation, microstructure and hardness of specimens. One heat treated horizontally built sample is compared with one heat treated vertically built sample. After differences which are strength, elongation, density, microstructure and hardness between these samples are found, one non-heat treated vertically built sample is compared with previously analyzed heat treated vertically built sample. Samples which are deposited in different building directions showed significantly different behaviors mainly due to angle between loading direction and deposition layers also distance from substrate. However, there is almost no significant difference between heat treated and non-heat heat treated samples. In both cases, mechanical properties are quite poor, hardness values are so low and microstructure is not cellular anymore. This is attributed to over-aging of process itself because of hot working environment condition due to existence of enclosed chamber and loss of Mg content on samples because of low vaporization temperature of Mg compared to other elements in alloy. At the end, porosity percentage is achieved enough low for static assessment however from point of view of mechanical properties, it is clear to need of some improvements on process to be able to use A357 alloy in Laser Metal Deposition technique.

Il deposito di metalli laser (LMD) è una delle più importanti tecniche di addictive manufacturing grazie ai suoi numerosi vantaggi. Grazie all'elevata flessibilità di processo, è possibile produrre componenti sagomati altamente complessi. Lo spreco di materiale è inferiore rispetto ai metodi tradizionali. Inoltre, per produrre parti, non sono necessari stampi speciali. La lavorazione utilizzando questo metodo risulta però difficile per alcuni materiali: è il caso delle leghe di alluminio. Ciò è dovuto al fatto che l’ alluminio è un materiale riflettente e ha conducibilità termica superiore. Ci sono alcuni rischi per la sicurezza come l'esplosione di polvere. Questa situazione comporta la necessità di un'atmosfera che includa una quantità molto ridotta di ossigeno. Queste problematiche rendono necessarie ulteriori precauzioni. I parametri di processo devono essere ben ottimizzati, utilizzare una camera di lavoro chiusa e potrebbe essere necessario un trattamento termico. D’altra parte, l'alluminio e le sue leghe sono piuttosto importanti nel settore dei metalli perché l'alluminio offre buone proprietà meccaniche a bassa densità e basso prezzo. Questo studio di tesi vuole dimostrare la fattibilità di utilizzo della tecnica LMD per le leghe di alluminio, investigando gli effetti dei parametri di processo e il trattamento di calore sulla formazione di porosità e sulle proprietà meccaniche per la lega di alluminio A357. Gli effetti dei parametri di processo sono osservati in cubi. Grazie alla natura del processo di LMD, la struttura cellulare fine è la struttura dominante sulla microstruttura dei cubi ma presenta delle porosità al deposito. Al fine di diminuire le quantità delle porosità, i parametri di processo sono ottimizzati e sono utilizzati dei metodi di rifusione. La densità, microstruttura e durezza sono esaminati per evidenziare gli effetti dei parametri e del metodo di rifusione. Dall’ altra parte, i parallelepipedi di grandi dimensioni vengono depositati allo scopo di osservare l'effetto della direzione di deposito e del trattamento termico su densità, resistenza, allungamento della rottura, microstruttura e durezza dei campioni. Un campione costruito orizzontalmente e trattato termicamente viene confrontato con un campione di costruzione verticale trattato termicamente. Dopo aver rilevato le differenze in termini di resistenza, allungamento, densità, microstruttura e durezza tra questi campioni, un campione costruito verticalmente non trattato termicamente viene confrontato con il campione costruito verticalmente trattato termicamente analizzato in precedenza. I campioni che sono depositati in diverse direzioni di costruzione hanno mostrato comportamenti significativamente diversi principalmente a causa dell'angolo tra la direzione di caricamento e gli strati di deposito anche a distanza dal substrato. Tuttavia, non vi è quasi alcuna differenza significativa tra campioni trattati termicamente e non trattati termicamente. In entrambi i casi, le proprietà meccaniche sono piuttosto scarse, i valori di durezza sono molto bassi e la microstruttura non è più cellulare. Ciò è attribuito al sovra-invecchiamento del processo stesso. İl sovra-invecchiamento del processo avviene in condizioni di ambiente di lavoro caldo a causa della presenza della camera chiusa e della perdita del contenuto di Mg sui campioni a causa della bassa temperatura di vaporizzazione di Mg rispetto ad altri elementi nella lega. In conclusione, la percentuale di porosità raggiunge valori abbastanza bassi per la valutazione statica, tuttavia dal punto di vista delle proprietà meccaniche, è evidente la necessità di alcuni miglioramenti sul processo per poter utilizzare la lega A357 nella tecnica di deposito di metalli laser.