Investigation on the effect of ZrH2 addition on the L-PBF processability of EN AW 6182 aluminium alloy

This work fits in the Samoa project framework, that is aimed at developing aluminium alloys for additive manufacturing with low concentration of critical raw materials. The development of the modified powder, and subsequently the printing process, was possible thanks to the collaboration with the AM4AM start-up company. A novel aluminium alloy has been developed starting from the EN AW 6182 alloy, strongly affected by hot-cracking phenomena when processed with LPBF (Laser – Powder Bed Fusion) technique. The effect of the ex-situ addition of Zirconium Hydride ceramic particles in the powder EN AW 6182 to increase the L-PBF processability of the alloy has been studied in this work. An initial comparison between the solidification behaviour of the EN AW 6182 and the novel aluminium alloy modified with Zr, based on the simulated Scheil curves, has been performed. Relative densities and as-built microstructure of these two aluminium alloys were investigate and compared to verify the efficiency of the addition of ZrH2 particles on the hot-cracking resistance of the novel material. SEM analysis were carried out to understand the influence and the distribution of Al3Zr second phase particles. The aging behaviour of the new alloy was investigated by means of hardness tests performed on samples aged for different times starting from both the as built and sol treated conditions. T5 and T6 conditions were thus determined. Mechanical tensile tests and fracture surface analysis have been performed on the 6182ZrH2 aluminium alloy in 3 different condition: As-built; T5; T6. XRD and EBSD analysis has been performed on the As-Built, T5 and T6 6182ZrH2 samples for phase and crystallographic texture investigation. A final estimation of the residual stresses, based on the Sin2Ψ method, has been conducted using a XRD Rigaku SmartLab machine. With the novel aluminium alloy an increase of the L-PBF processability has been achieved, i.e., no hot-cracking phenomena occurs, thanks mainly to the fine microstructure that is the result of the addition of Zr that forms Al3Zr particles that act as sites for the heterogeneous nucleation of grains. 6182ZrH2 showed a good response to the thermal treatment, and good thermal stability. The high internal stresses induced both by the presence of particles and by the L-PBF process induced a recrystallization phenomenon during the solution treatment associated with a strong change of the initial texture. Due to the high concentration of hydrogen the results of the mechanical test evidenced a brittle behaviour in all the condition of the novel aluminium alloy.

Il seguente lavoro si inserisce nella cornice del progetto Samoa, avente l’obbiettivo dello sviluppo di leghe di alluminio per la additive manufacturing con bassa concentrazione di materiali grezzi considerati critici dall’EU. Lo sviluppo della polvere modificata, e quindi del processo di stampa, `e stato reso possibile grazie alla collaborazione con la start-up AM4AM. Una nuova lega di alluminio `e stata sviluppata partendo dalla lega EN AW 6182, caratterizzata dalla formazione di cricche a caldo durante lo stampaggio con metodologia L-PBF (Laser Powder Bed Fusion). In questo lavoro sono stati analizzati gli effetti dell’addizione “ex-situ” di particelle ceramiche di Idruro di Zirconio nella polvere di EN AW 6182. Sulla base delle curve di Scheil, `e stato fatto un paragone del comportamento durante la solidificazione della EN AW 6182 e della lega innovativa modificata con Zr. Le densit`a relative e le microstrutture “As-Built” di entrambe le leghe sono state investigate e comparate, in modo da verificare l’efficienza dell’aggiunta delle particelle di ZrH2 nella prevenzione del fenomeno di criccatura a caldo. Per capire l’influenza e la distribuzione delle particelle di Al3Zr sono state eseguite analisi al SEM. La risposta al trattamento di invecchiamento della nuova lega `e stato investigato per mezzo di numerosi test sulla micro-durezza eseguiti sia sul campione solubilizzato che su quello “As-Built” in modo da determinare le condizioni T6 e T5. Analisi meccaniche e della superficie di frattura sono state realizzate sulla lega di alluminio 6182ZrH2 in 3 differenti condizioni: As-Built; T5; T6. Analisi cristallografiche e sulle fasi sono state realizzate su campioni in 3 condizioni differenti: As-Built, T5, T6, per mezzo di analisi XRD e EBSD. Infine, sono stati stimati gli stress residui usando il diffrattometro XRD Rigaku SmartLab usando il metodo delSin2Ψ. Grazie alla nuova lega di alluminio un aumento della processabilit`a con tecnologia L-PBF `e stata ottenuta, `e stato quindi eliminato il fenomeno della criccatura a caldo, principalmente grazie alla fine microstruttura ottenuta grazie all’addizione di Zr che precipita sottoforma di particelle di Al3Zr che agiscono come siti di nucleazione eterogenea di grani. La lega 6182ZrH2 mostra una buona risposta ai trattamenti termici, e una buona stabilit`a termica. Gli intensi stress residui indotti contemporaneamente dalla presenza delle particelle e dal processo di stampa inducono un fenomeno di ricristallizzazione durante i trattamenti termici. A questo fenomeno `e associato una modifica della texture. Per via dell’alta concentrazione di idrogeno all’interno della lega, quest’ultima ha evidenziato un comportamento marcatamente fragile durante i test meccanici