Novel strategies to design high strength aluminum alloys for L-PBF

Metal additive manufacturing is rapidly permeating the market thanks to the high flexibility and design freedom it allows, carrying significant advantages in functional, economical and strategical perspectives. Several AM techniques are today available, the most widespread being Laser Powder Bed Fusion, based on the layer-by-layer consolidation of metal powders through a high energy laser beam. This process involves very fast and localized melting and solidification, which leads many al- loys to show hot cracking phenomena, limiting their applicability. The reduced choice of processable materials is today a limiting factor for the diffusion of the technology. In particular there is strong interest in the development of high strength aluminum alloys, which could find use in the automotive and aerospace sector. Moreover many of the L-PBF processable alloys in use today are based on rare or critical elements, so it is important to develop new, more sustainable approaches in alloy design. The aim of the present work is to test two different approaches to modify the solidification behaviour of high strength aluminum alloys to improve their printability: stimulation of abundant eutectic and ad- dition of nucleants. The first approach was applied to an EN AW2024 alloy through the addition of pure copper powder, while the second was applied to and EN AW6182 powder modified with the addition of small percentages of zirconium. The novel aluminum alloys have been metallurgically and mechanically characterized to evaluate the material response to the process and ther- mal treatments and the resulting performance. Both approaches proved to be effective in reducing hot cracking phenomena.

La produzione additiva in metallo sta rapidamente permeando il mer- cato grazie all’elevata flessibilità e alla libertà progettuale che permette, comportando significativi vantaggi dal punto di vista funzionale, eco- nomico e strategico. Oggi sono diponibili diverse tecniche di produzione additiva, fra cui la più diffusa è la Laser Powder Bed Fusion (fusione laser a letto di polvere), basata sul consolidamento strato su strato di polveri metal- liche attraverso l’azione di un laser ad alta intensità. Questo processo provoca una fusione e risolidifcazione molto veloce e localizzata, che porta molte leghe a incorrere nella formazione di cricche a caldo, li- mitandone l’applicabilità. La scelta ridotta di materiali processabili è oggi uno dei fattori limitanti per la diffusione della tecnologia. In par- ticolare c’è forte interesse per lo sviluppo di leghe di alluminio ad alta resistenza, che troverebbero applicazione nel settore dell’automotive e dell’aerospazio. Inoltre molte delle leghe processabili tramite L-PBF oggi in uso sono basate su elementi rari o critici, quindi è importante sviluppare approcci nuovi e più sostenibili per la progettazione delle leghe. Lo scopo di questo lavoro è di testare due diversi approcci per modifi- care la solidificazione delle leghe di alluminio ad alta resistenza miglio- randone la stampabilità: la stimolazione di un eutettico abbondante e l’aggiunta di nucleanti. Il primo approccio è stato applicato alla lega EN AW2024 tramite l’aggiunta di polvere di rame puro, mentre il se- condo è stato applicato alla lega EN AW6182 con l’aggiunta di piccole percentuali di zirconio. Le nuove leghe sono state caratterizzare metallurgicamente e mecca- nicamente per valutare la risposta del materiale al processo e ai trat- tamenti termici, misurandone le prestazioni risultanti. Entrambi gli approcci si sono provati efficaci nel ridurre il fenomeno delle cricche a caldo.