Laser powder bed fusion of AISI 310S and Inconel 625 with CW and PW emissions

Laser powder bed fusion technology is a type of additive manufacturing that builds the products layer by layer. Each layer is completely melted with a laser source and it is followed by solidification. The LPBF is a very advantageous technology to build complex structures with its various choices of material resulting in outstanding performance. In recent years the effect of emission strategy is started to be investigated from various aspects such as productibility or melt pool stability. The effect of emission strategy on different properties is also being studied in this thesis work. In this thesis, two different materials are used. AISI 310S and Inconel 625 chosen to be the two materials processed by the LPBF technique due to their high corrosion resistance at high temperatures and good mechanical properties such as YS’s reaching up to 300MPa for AISI 310 and 490MPa for Inconel 625. It has been stated with different studies that AM could be an outstanding choice of production of heat exchangers due to generic design, which could result in increased efficiency, this study is focussing on the LPBF technique for the production of a recuperative burner. Changing the emission strategy throughout the deposition of the final product could lead to a uniform structure due to the stabilization of the melt pools. To this end, both materials have been used to produce samples made of a different set of combinations of different emission strategies, hatch distance and scanning speed to understand the effect of the emission strategy on the two different alloys. A customized LPBF system has been used. The SLM machine used in this system is 3DNT LLA150. Density, porosity, microstructure, microhardness and compression properties of produced samples have been investigated throughout the experiment campaign. The results and the effect of the different sets of parameters have been analyzed with Minitab software using ANOVA. The materials have been successfully deposited with the mean porosity values of 0.2% and 0.9% respectively for AISI 310s and Inconel 625. In terms of compression characteristics of the studied materials, the influence of the emission technique was insignificant. Though it has been shown to be significant for density as predicted. Hatch distance and scanning speed appear to impact the porosity of Inconel 625 samples. Increasing the scanning speed and hatch distance, as expected, resulted in a decrease in relative density and, as a result, increased porosity. The microhardness analysis revealed that none of the studied factors has a significant influence. The mean compressive yield strengths are 600.9 MPa and 702.9MPa respectively for AISI310S and Inconel 625 indicating that both materials are promising to be produced by LPBF for the recuperative burner. Yet further analyzes are required to understand the materials characterization at high temperatures.

La tecnologia di fusione a letto di polvere laser è un tipo di produzione additiva che costruisce i prodotti strato per strato. Ogni strato viene completamente fuso con una sorgente laser ed è seguito dalla solidificazione. Il LPBF è una tecnologia molto vantaggiosa per costruire strutture complesse con le sue varie scelte di materiale con conseguente prestazione eccezionale. Negli ultimi anni si è iniziato a studiare l'effetto della strategia di emissione da vari aspetti come la produttività o la stabilità del melt pool. In questo lavoro di tesi viene studiato anche l'effetto della strategia di emissione su diverse proprietà. In questa tesi vengono utilizzati due materiali diversi. AISI 310S e Inconel 625 scelti per essere i due materiali lavorati con la tecnica LPBF per la loro elevata resistenza alla corrosione ad alte temperature e buone proprietà meccaniche come quelle di YS che arrivano fino a 300 MPa per AISI 310 e 490 MPa per Inconel 625. È stato affermato con diversi studi che AM potrebbe essere una scelta eccezionale di produzione di scambiatori di calore a causa del design generico, che potrebbe comportare un aumento dell'efficienza, questo studio si concentra sulla tecnica LPBF per la produzione di un bruciatore recuperativo. La modifica della strategia di emissione durante la deposizione del prodotto finale potrebbe portare a una struttura uniforme a causa della stabilizzazione dei pool di fusione. A tal fine, entrambi i materiali sono stati utilizzati per produrre campioni costituiti da un diverso insieme di combinazioni di diverse strategie di emissione, distanza di tratteggio e velocità di scansione per comprendere l'effetto della strategia di emissione sulle due diverse leghe. È stato utilizzato un sistema LPBF personalizzato. La macchina SLM utilizzata in questo sistema è 3DNT LLA150. Densità, porosità, microstruttura, microdurezza e proprietà di compressione dei campioni prodotti sono state studiate durante la campagna sperimentale. I risultati e l'effetto dei diversi set di parametri sono stati analizzati con il software Minitab utilizzando ANOVA. I materiali sono stati depositati con successo con valori medi di porosità di 0,2% e 0,9% rispettivamente per AISI 310 e Inconel 625. In termini di caratteristiche di compressione dei materiali studiati, l'influenza della tecnica di emissione è stata insignificante. Anche se è stato dimostrato che è significativo per la densità come previsto. La distanza del tratteggio e la velocità di scansione sembrano influire sulla porosità dei campioni di Inconel 625. L'aumento della velocità di scansione e della distanza di tratteggio, come previsto, ha comportato una diminuzione della densità relativa e, di conseguenza, un aumento della porosità. L'analisi della microdurezza ha rivelato che nessuno dei fattori studiati ha un'influenza significativa. I carichi di snervamento a compressione medi sono 600,9 MPa e 702,9 MPa rispettivamente per AISI310S e Inconel 625, indicando che entrambi i materiali sono promettenti per essere prodotti da LPBF per il bruciatore recuperativo. Sono necessarie ulteriori analisi per comprendere la caratterizzazione dei materiali alle alte temperature.