Properties of binder jetting 3D printed 316L stainless steel

In recent years, developments in the field of Additive Manufacturing techniques have been exponential, by showing interesting advantages for various sectors, from the wide variety of materials to high geometric freedom, less waste of material and speed of realization. For metals, the most developed technologies were powder bed techniques, mainly fusion-based, where the final structure is consolidated by laser or electron beam. With these techniques, an excellent definition of shape and density close to the traditional metal is achieved. In Binder Jetting, on the other hand, it is the deposition of drops of liquid binder that allows the dust particles to be joined layer by layer, similar to a 3-D print. The pieces produced must then undergo a debinding and sintering process to reach the final density. Most of the research has been done in perfecting the process parameters to ensure the mechanical properties, but little was done in the field of corrosion behavior. In this thesis, the effects of different process and thermal parameters on the porosity and mechanical properties, and the corrosion resistance of Binder Jetting AISI 316L stainless steel, are evaluated. The effect of layer thickness and binder saturation, and debinding and sintering atmospheres referring to the post-processing stages, were investigated via microstructural and compositional analysis and mechanical characterization. The effects of different printing parameters and a comparison with samples produced with traditional metallurgical techniques, has been analyzed for corrosion behavior. Two typical phenomena of austenitic stainless steels were tested: intergranular corrosion and pitting. For intergranular and generalized corrosion, a weight loss test was used. For resistance to pitting, electrochemical tests of linear and cyclic polarization were carried out. The results were also evaluated using SEM images and EDX analysis. The 316L steel produced in this work by Binder Jetting exhibited a fine equiaxed microstructure, tensile strength values comparable to those of cast products and superior ductility compared to other additive techniques. Binder Jetting Steel has also higher intergranular resistance and comparable pitting resistance compared to cast 316L.

Negli ultimi decenni gli sviluppi nel campo delle tecniche di Additive Manufacturing sono stati esponenziali, mostrando interessanti vantaggi per diversi settori, dall’ampia varietà di materiali alla liberà geometrica della forma, minor spreco di materiale e velocità di realizzazione. Per i metalli, le tecnologie più sviluppate sono state quelle a letto di polveri, principalmente quelle a fusione, dove la struttura finale si consolida tramite laser o fascio elettronico. Con queste tecniche si raggiunge un’ottima definizione di forma e densità vicina al metallo tradizionale. Nel Binder Jetting invece, è la deposizione di gocce di legante liquido che permette di unire le particelle di polvere strato per strato, in maniera analoga a una stampa 3-D. I pezzi prodotti devono poi subire un processo di debinding e sinterizzazione, per raggiungere la densità finale. La maggior parte della ricerca è stata fatta nel perfezionamento dei parametri di processo per garantire le proprietà meccaniche, ma poco è stato fatto nell’ambito del comportamento corrosionistico. In questa tesi vengono valutati gli effetti di diversi parametri di processo e della temperatura sulla porosità e le proprietà meccaniche, e la resistenza alla corrosione dell'acciaio inossidabile Binder Jetting AISI 316L. L'effetto del layer thickness e della saturazione del binder e l’atmosfera di debinding e sinterizzazione, relative alle fasi di post-elaborazione, sono stati studiati tramite analisi microstrutturali e compositive, oltre alla caratterizzazione meccanica. Per il comportamento a corrosione sono stati analizzati gli effetti di diversi parametri di stampa e fatto un confronto con campioni prodotti con tecniche metallurgiche tradizionali. Sono stati testati due fenomeni tipici degli acciai inossidabili austenitici: corrosione intergranulare e pitting. Per la corrosione intergranulare e generalizzata è stato utilizzato un test di perdita di peso. Per la resistenza al pitting sono state eseguite prove elettrochimiche di polarizzazione lineare e ciclica. I risultati sono stati valutati anche utilizzando immagini SEM e analisi EDX. L'acciaio 316L prodotto in questo lavoro da Binder Jetting ha mostrato una microstruttura equiassiale fine, valori di resistenza alla trazione paragonabili a quelli dei prodotti da fonderia e una duttilità superiore rispetto ad altre tecniche di additive manufactoring. Binder Jetting SS ha anche una maggiore resistenza intergranulare e una resistenza al pitting comparabile rispetto al 316L tradizionale.