Investigation of two Ti-B-reinforced aluminum alloys for laser powder bed fusion

Traditional production techniques are subtractive, therefore they are based on the superficial removal of material from a raw product. On the contrary, Additive Manufacturing (AM) is based on adding material, thus minimizing production waste. The great advantage of AM is the ability to produce objects of any shape, without the use of molds or tools. In fact, this technology allows to obtain an object in 3 dimensions by printing layer by layer, increasing the production flexibility of the process. In recent years, several technologies for 3D metal printing have been developed, including Selective Laser Melting (SLM). The SLM printing process consists of a laser beam that transfers energy to a portion of powder, which melts and solidifies quickly, forming a layer of an object. The set of all the layers forms the final component. The number of materials available for SLM is still limited, due to the impossibility of processing many alloys due to the formation of defects during solidification. In particular, since the objective of many companies in the automotive and aerospace field is aimed at the production of light components, there is a great interest in the development of new aluminum alloys for SLM. In this thesis work the results of an investigation on two aluminum alloys produced by SLM technology are reported: the A20X produced by Aeromet (UK), and an alloy developed in the context of this thesis in collaboration with BEAM-IT (IT). Both materials studied are Al-Cu-Mg alloys modified with the addition of Ti and B and designed for high temperature uses. The similarities between these two materials offered the possibility of a comparison, especially from the point of view of the mechanical properties at high temperatures. For each alloy, both printing and heat treatment parameters were optimized. The mechanical properties were characterized by tensile tests at room temperature and at high temperature. The microstructure was studied by optical and electronic microscopy and by X-ray diffraction.

Al contrario delle tradizionali tecniche sottrattive, basate sulla rimozione superficiale di materiale da un prodotto grezzo, l’Additive Manufacturing (AM) è una tecnica di produzione additiva. In altre parole, la produzione di oggetti tramite AM è basata sull’aggiunta di materiale, minimizzando quindi gli scarti di produzione. Il grande punto di forza dell’AM è la possibilità di produrre oggetti di qualsiasi forma, senza l’utilizzo di stampi o utensili. Infatti questa tecnologia permette di ottenere un oggetto in 3 dimensioni stampando uno strato alla volta di materiale, aumentando enormemente la versatilità produttiva del processo. Negli ultimi anni sono state sviluppate diverse tecnologie per la stampa 3D dei metalli, fra cui il Selective Laser Melting (SLM). Il processo di stampa SLM consiste in un fascio di laser che trasferisce energia ad una porzione di polvere, la quale fonde e solidifica rapidamente andando a formare uno strato di un oggetto. L’insieme di tutti gli strati forma il componente finale. Il numero di materiali disponibili per SLM è ancora limitato, a causa dell’impossibilità di processare molte leghe per via della formazione di difetti durante la solidificazione. In particolare, dal momento in cui l’obiettivo di molte aziende nel campo automobilistico e aerospaziale è volto alla produzione di componenti leggeri, vi è un grande interesse nello sviluppo di nuove leghe di alluminio per SLM. In questo lavoro sono riportati i risultati di un’indagine eseguita su due leghe di alluminio prodotte con tecnologia SLM: una A20X prodotta da Aeromet (UK), e una sviluppata nel contesto di questa tesi in collaborazione con BeamIT (IT). Entrambi i materiali studiati sono leghe Al-Cu-Mg modificate con l’aggiunta di Ti e B e progettate per impieghi ad alta temperatura. Le somiglianze tra questi due materiali hanno offerto la possibilità di un confronto, soprattutto dal punto di vista delle proprietà meccaniche alle alte temperature. Per ciascuna lega sono stati ottimizzati sia i parametri di stampa che di trattamento termico. Le proprietà meccaniche sono state caratterizzate mediante prove di trazione a temperatura ambiente e ad alta temperatura, La microstruttura è stata studiata mediante microscopia ottica ed elettronica e mediante diffrazione a raggi X.