Thermal fatigue of laser powder bed fusion processed Al alloys

The AlSi7Mg (A357) alloy is a suitable material to be used in different industrial applications. Even though the majority of parts is produced by casting, a large interest is raising on laser additive manufacturing of this alloy owing to its good processability. Service conditions of several applications, including cylinder heads and exhaust manifolds, cause the alloy to undergo fluctuating thermal and mechanical loads, thus inducing Thermal Fatigue (ThF) concerns. In the first part of this research, the ThF of A357 alloy processed by Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) is investigated using a Gleeble® 3800 equipment. The material is thermo-mechanically tested in the artificially aged condition. Microstructural and mechanical behavior of the alloy was investigated, and it was found that by keeping fixed the minimum and maximum temperatures of thermal cycles between 100 and 280°C, the fatigue life of the alloy deteriorates significantly by increasing the applied constant load from 90 to 120 MPa. Fractographic analyses showed the occurrence of ductile fracture nucleated from large process-induced pores and numerous fine dimples created due to plastic deformation. Results based on the analysis of the elasto-plastic behavior of the material at high temperature showed that the inelastic strain of the broken samples was about 5 times higher than that of the run-out samples. Hardness drop occurred in all specimens after ThF experiments due to coarsening of the strengthening phases and modification of the Si-rich particles. In the second part of this study, a comparative research has been carried out on the ThF behavior of A357 alloy processed either by sand casting or L-PBF. Both alloy conditions were cycled within three temperature intervals with a lower temperature of 100°C and upper limits of 200, 240 and 280°C, in presence of a constant uniaxial tensile load. Three tensile loads of 110, 120 and 150 MPa were applied for each temperature range in order to explore the effect of both thermal cycling and concurrent tensile load on ThF resistance. Both alloys showed a similar ThF lifetime when exposed to temperature cycles from 100 to 200°C under all the three tensile loads investigated, while the L-PBF A357 alloy tested to the highest temperature limits of 240°C and 280°C comparatively revealed an improved ThF resistance than the cast counterpart. Microstructural analyses on the cross-sections of both samples revealed that a large amount of strain was accumulated close to the fracture regions and several micropores and microcracks were developed in these areas. Microcracks preferentially nucleated at eutectic Si and Febearing coarse intermetallics in the ThF tested cast alloy, while they propagated from the sharp corners of the process-induced pores in L-PBF samples. Moreover, several micropores are formed at the edges of the fragmented silicon particles in the network in L-PBF alloy that accelerate the failure process.

La lega AlSi7Mg (A357) è un materiale adatto per essere utilizzato in diverse applicazioni industriali. Anche se la maggior parte delle parti è prodotta per fusione, sta sorgendo un grande interesse sulla produzione additiva laser di questa lega grazie alla sua buona lavorabilità. Le condizioni di servizio di diverse applicazioni, comprese le teste dei cilindri e i collettori di scarico, fanno sì che la lega subisca carichi termici e meccanici fluttuanti, inducendo così problemi di fatica termica (ThF). Nella prima parte di questa ricerca, il ThF della lega A357 elaborato da Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) viene studiato utilizzando un'apparecchiatura Gleeble® 3800. Il materiale è testato termomeccanicamente allo stato invecchiato artificialmente. È stato studiato il comportamento microstrutturale e meccanico della lega, ed è stato riscontrato che mantenendo fisse le temperature minime e massime dei cicli termici tra 100 e 280 ° C, la vita a fatica della lega si deteriora notevolmente aumentando il carico costante applicato da 90 a 120 MPa. Le analisi frattografiche hanno mostrato il verificarsi di fratture duttili nucleate da grandi pori indotti dal processo e numerose piccole fossette create a causa della deformazione plastica. I risultati basati sull'analisi del comportamento elastoplastico del materiale ad alta temperatura hanno mostrato che la deformazione anelastica dei campioni rotti era circa 5 volte superiore a quella dei campioni run-out. La caduta di durezza si è verificata in tutti i campioni dopo gli esperimenti con ThF a causa dell'ingrossamento delle fasi di rinforzo e della modifica delle particelle ricche di Si. Nella seconda parte di questo studio, è stata condotta una ricerca comparativa sul comportamento ThF della lega A357 lavorata mediante colata in sabbia o L-PBF. Entrambe le condizioni della lega sono state ciclate entro tre intervalli di temperatura con una temperatura inferiore di 100 ° C e limiti superiori di 200, 240 e 280 ° C, in presenza di un carico di trazione uniassiale costante. Tre carichi di trazione di 110, 120 e 150 MPa sono stati applicati per ciascun intervallo di temperatura al fine di esplorare l'effetto sia del ciclo termico che del carico di trazione simultaneo sulla resistenza al ThF. Entrambe le leghe hanno mostrato una durata ThF simile se esposte a cicli di temperatura da 100 a 200 ° C sotto tutti e tre i carichi di trazione studiati, mentre la lega L-PBF A357 testata ai limiti di temperatura più elevati di 240 ° C e 280 ° C ha rivelato comparativamente un migliore resistenza al ThF rispetto alla controparte fusa. Analisi microstrutturali sulle sezioni trasversali di entrambi i campioni hanno rivelato che una grande quantità di deformazione si è accumulata vicino alle regioni di frattura e in queste aree sono stati sviluppati diversi micropori e microfessure. Le microfessure nucleate preferenzialmente a Si eutettici e intermetallici grossolani Febearing nella lega fusa testata ThF, mentre si propagavano dagli angoli acuti dei pori indotti dal processo nei campioni L-PBF. Inoltre, diversi micropori si formano ai bordi delle particelle di silicio frammentate nella rete in lega L-PBF che accelerano il processo di rottura.