Effects of high deposition rates on the compositional and property heterogeneity in direct energy deposited Inconel 718

Direct Energy Deposition (DED) is an Additive Manufacturing (AM) technique which allows the production and repair of metallic parts in significantly reduced times. Adopting Heat Treated Inconel 718 as a model system due to its wide use in the Aerospace Industry, this research provides insight into the heterogeneous thermo-fluidic phenomena arising during the DED process, exacerbated by the adoption of high deposition rate strategies, which in turn lead to a strong property diversity. Employing Directional Reflectance Microscopy (DRM), a new optical microscopy technique, along with Scanning Electron Microscopy (SEM), we identify variabilities in the precipitate density and in the solute trapping in the matrix phase, both having a direct impact onto the alloy hardness measured by nano- and micro-indentation. Electron Back Scatter (EBSD) images taken along the building direction show the arise of gradients in texture, grain shape and size throughout the part, all yielding to a strongly variable mechanical response of compression samples cut from all across the build and showing an overall detrimental trend in the mechanical properties. We also discuss a variable corrosion behavior, along with the limits of the test set up adopted for such measurement. We demonstrate that standard heat treatments cannot make up for this property heterogeneity, which may be reduced either by studying new heat treatments or by adopting lower deposition rates strategies.

Direct Energy Deposition (DED) è una tecnica di Additive Manufacring (AM) che permette la produzione e la riparazione di parti metalliche in tempi decisamente brevi. Utilizzando Inconel 718 termicamente trattato come sistema modello per il suo vasto utilizzo nell'Industria Aerospaziale, questa ricerca fornisce un dettaglio dei fenomeni termo-fluidici che caratterizzano l’eterogeneità di questa tecnologia e che sono esasperati dall’utilizzo di strategie di stampa ad alti ratei di deposizione, che da un lato accelerano sensibilmente i processi produttivi, ma dall’altro causano forti variabilità all’interno del materiale stampato. Utilizzando Directional Reflectance Microscopy (DRM), una nuova ed innovativa tecnologia di microscopia ottica, unitamente a Scanning Electron Microscopy (SEM), la presente ricerca identifica variabilità nella densità dei precipitati e nella quantità di soluto intrappolato nella fase-matrice del materiale lungo la direzione di stampa, entrambi aventi un impatto diretto sulla durezza del materiale misurata tramite micro- e nano-indentation. Immagini Electron Back Scatter Diffraction (EBSD) catturate lungo la direzione di stampa mostrano l’insorgere di gradienti di orientazione cristallografica, di forma e di dimensione dei grani, che unitamente contribuiscono ad una risposta meccanica eterogenea per molteplici provini di compressione, equamente tagliati dal materiale stampato e tutti mostranti un andamento decrescente delle proprietà meccaniche lungo la direzione di stampa. Inoltre, viene discussa una variabile resistenza a corrosione del materiale, insieme ai limiti del set-up utilizzato per questa misurazione. Si dimostra che i trattamenti termici standard adottati non riescono a colmare l’insorgere di queste eterogeneità, che possono essere ridotte solo studiando nuovi trattamenti termici oppure adottando strategie di stampa a minori ratei di deposizione.