The effects of different processing atmospheres on the microstructure and mechanical properties of AISI 316L : stainless steel via Directed Energy Deposition

For centuries, scientists have studied the effects of various material removal processes on the final mechanical properties of manufactured parts. In comparison, layer-based additive manufacturing processes such as Directed Energy Deposition (DED) still require substantial work to understand how the various methods and techniques used to deposit and melt the material change the mechanical, thermal, and electrical properties of the final part. Like other additive manufacturing processes, Laser-Directed Energy Deposition (L-DED) systems allows to build 3D parts by adding materials in a layer-wise approach by utilizing a focused laser beam to melt the layers. This AM process is widely used for repair work or to build large parts. Impact assessment of process parameters on the melting stability and control of properties of materials, along with curating essential characterization and tracking tools, has been the point of large-scale scientific efforts. The attention on first order laser scanning parameters has shifted focus away from the importance of process atmosphere. This thesis is an attempt to bridge that gap, at least to some degree, by providing insights into the role of different process atmosphere modes in DED systems and their effect on the resulting built material in terms of microstructure and mechanical properties. The scope of this thesis was expanded to include nitrogen, helium, and a mixture of argon and helium to produce AISI 316L stainless steel (316L SS) parts. The primary function of shielding gas is not only to protect the metal from oxidation but also to carry process byproducts away from the laser windows, which would otherwise interfere with and attenuate the laser radiation. Argon and helium, among the shielding gases utilized, are noble gases, whereas nitrogen is a molecule. Dissociated nitrogen atoms can react with species like oxygen or hydrogen, dissolve in molten metals and form nitrides with active metals. Also, different thermal properties of the inert gases employed and their interactions with the processed material may impart distinct properties. Helium, for example, has a higher heat capacity and thermal conductivity than argon and nitrogen and thus may be able to extract heat from melted areas more efficiently via conduction at the process gas–melt pool interface than the other gases. By combining the properties of a helium atmosphere to decrease the accumulation of process by-products with the high density of argon to eliminate these by-products more efficiently, a helium-argon gas mixture can potentially provide the best of both worlds. The effect of different processing conditions on the microstructure was evaluated by X-ray analysis, Optical and scanning electron microscopy. X-ray diffraction revealed the existence of austenite in all samples and the δ-ferrite phase only in argon and mixed argon/helium environments. Furthermore, all samples revealed a complex grain structure containing long columnar grains combined with small and almost equiaxed grains. The microstructure was compared using EBSD maps, which demonstrated that the efficient heat removal in the helium environment did not change the direction of heat flow but only its magnitude and hence, a minimal change in the observed texture. Despite the slight differences that did not quantitatively equate to higher tensile properties or microhardness, different inert gases and their mixture were successfully employed as plausible DED gases to produce 316L stainless steel parts. Further work on inert gas mixtures could provide a wide range of thermal properties and densities, in combination with cost-competitiveness.

Per secoli, gli scienziati hanno studiato gli effetti dei vari processi di rimozione del materiale sulle proprietà meccaniche finali dei pezzi prodotti. In confronto, i processi di produzione additiva basati sugli strati, come Directed Energy Deposition (DED), richiedono ancora un lavoro sostanziale per capire come i vari metodi e tecniche utilizzati per depositare e fondere il materiale cambiano le proprietà meccaniche, termiche ed elettriche della parte finale. Come altri processi di produzione additiva, i sistemi Laser-Directed Energy Deposition (L-DED) permettono di costruire parti 3D aggiungendo materiali in un approccio a strati utilizzando un raggio laser focalizzato per fondere gli strati. Questo processo AM è ampiamente utilizzato per lavori di riparazione o per costruire parti di grandi dimensioni. La valutazione dell'impatto dei parametri di processo sulla stabilità di fusione e il controllo delle proprietà dei materiali, insieme alla cura degli strumenti essenziali di caratterizzazione e tracciamento, è stato il punto di sforzi scientifici su larga scala. L'attenzione sui parametri di primo ordine della scansione laser ha spostato l'attenzione dall'importanza dell'atmosfera di processo. Questa tesi è un tentativo di colmare questa lacuna, almeno in una certa misura, fornendo approfondimenti sul ruolo delle diverse modalità di atmosfera di processo nei sistemi DED e il loro effetto sul materiale costruito risultante in termini di microstruttura e proprietà meccaniche. Lo scopo di questa tesi è stato ampliato per includere azoto, elio e una miscela di argon ed elio per produrre parti in acciaio inossidabile AISI 316L (316L SS). La funzione primaria del gas di protezione non è solo quella di proteggere il metallo dall'ossidazione, ma anche di portare i sottoprodotti del processo lontano dalle finestre del laser, che altrimenti interferirebbero con la radiazione laser e la attenuerebbero. L'argon e l'elio, tra i gas schermanti utilizzati, sono gas nobili, mentre l'azoto è una molecola. Gli atomi di azoto dissociati possono reagire con specie come l'ossigeno o l'idrogeno, dissolversi nei metalli fusi e formare nitruri con i metalli attivi. Inoltre, le diverse proprietà termiche dei gas inerti impiegati e le loro interazioni con il materiale lavorato possono conferire proprietà diverse. L'elio, per esempio, ha una capacità termica e una conduttività termica superiori a quelle dell'argon e dell'azoto e quindi può essere in grado di estrarre il calore dalle zone fuse in modo più efficiente attraverso la conduzione nell'interfaccia gas-fusione rispetto agli altri gas. L'effetto delle diverse condizioni di lavorazione sulla microstruttura è stato valutato mediante analisi a raggi X, microscopia ottica ed elettronica a scansione. La diffrazione dei raggi X ha rivelato l'esistenza dell'austenite in tutti i campioni e la fase δ-ferrite solo negli ambienti argon e argon misto/elio. Inoltre, tutti i campioni hanno rivelato una complessa struttura del grano che contiene lunghi grani colonnari combinati con grani piccoli e quasi equispaziati. La microstruttura è stata confrontata utilizzando le mappe EBSD, che hanno dimostrato che l'efficiente rimozione del calore nell'ambiente di elio non ha cambiato la direzione del flusso di calore ma solo la sua grandezza e quindi, un cambiamento minimo nella struttura osservata. Nonostante le lievi differenze che non equivalevano quantitativamente a maggiori proprietà di trazione o microdurezza, diversi gas inerti e le loro miscele sono stati impiegati con successo come gas DED plausibili per produrre parti in acciaio inossidabile 316L. Ulteriori lavori sulle miscele di gas inerti potrebbero fornire un'ampia gamma di proprietà termiche e densità, in combinazione con la competitività dei costi.