Optimization of thermal cycles for a novel Al 6061 alloy produced by Binder Jetting

Binder Jetting is an Additive Manufacturing method consisting of the fabrication of 3D objects by stacking layers of powdered material in which the particles are bonded together by the injection of a liquid binder. Owing to its non-fusion-based characteristics, it provides numerous advantages with respect to other similar methods. Nevertheless, related scientific research carried out and solid applications in the field are still limited to a few specific material classes. This Thesis aimed to study the de-binding, sintering and age-hardening cycles of binder-jetted specimens manufactured using a novel pre-alloyed Al 6061 powder feedstock, to then characterize their resulting microstructure and mechanical properties. Green specimens were subjected to dilatometry tests to investigate their behavior during de-binding and sintering thermal cycles under different atmospheres (N2, Ar, and vacuum). Results in terms of linear shrinkage and final densification indicated that only a pure N2 atmosphere was effective in sintering this alloy. Additionally, it was recognized that the densification step occurs in Liquid-Phase Sintering conditions, favored by the small addition of Sn powder as an additive. Furnace-sintered specimens were subjected to age-hardening heat treatments with the aim of determining the optimal treatment time and temperature to produce the highest strengthening effect. The results obtained in terms of hardness values showed that this thermal cycle must include an initial solution step at 530 °C with water quenching and ultimate artificial aging (T6) at 175 °C for 8 h. The metallographic analysis demonstrated a residual porosity below 5%, isotropic microstructure, and some interparticle secondary phases. Tensile and fracture toughness tests performed on heat-treated specimens indicated no variations according to the loading direction, confirming the isotropic behavior of the material. Yield Strength and Ultimate Tensile Strength values were comparable to specimens of the same alloy produced by conventional processes, while Elongation at Break values were noticeably lower, although ductile fracture has mainly occurred. Fracture toughness in terms of K resulted in substantially inferior values than extruded Al 6061-T6 specimens, and unstable crack growth was observed. The analysis of the fracture surfaces indicated that specific discontinuities such as continuous oxide layers and other defects, like pores, could have acted as stress-concentration points, favoring the development of brittle fracture mechanisms.

Binder Jetting è un metodo di manifattura additiva che consiste nella fabbricazione di oggetti 3D impilando strati di materiale in polvere in cui le particelle sono legate insieme mediante l'iniezione di un legante liquido. Grazie alle sue caratteristiche non basate sulla fusione, offre numerosi vantaggi rispetto ad altri metodi simili. Tuttavia, la ricerca scientifica svolta e le solide applicazioni nel campo sono ancora limitate a poche classi di materiali specifici. L’obiettivo di questa tesi è stato studiare i cicli di de-binding, sinterizzazione e indurimento per invecchiamento di campioni prodotti da Binder Jetting utilizzando una nuova polvere di Al 6061 pre-legata, per poi caratterizzare la loro microstruttura risultante e le proprietà meccaniche. I campioni verdi sono stati sottoposti a test dilatometrici per studiarne il comportamento durante i cicli termici di de-binding e sinterizzazione in diverse atmosfere (N2, Ar e vuoto). I risultati di contrazione lineare e densificazione hanno indicato che solo un'atmosfera di N2 è stata efficace nella sinterizzazione di questa lega. Inoltre, è stato riconosciuto che la densificazione avviene in condizioni di sinterizzazione in fase liquida, favorita dalla piccola aggiunta di polvere di Sn come additivo. I campioni sinterizzati in forno sono stati sottoposti a trattamenti termici di indurimento per invecchiamento con l'obiettivo di determinare il tempo e la temperatura di trattamento ottimali per produrre il massimo effetto di rinforzo. Secondo i valori di durezza, questo ciclo termico deve includere un trattamento di solubilizzazione a 530 °C con tempra in acqua e invecchiamento artificiale (T6) a 175 °C per 8 ore. L'analisi metallografica ha dimostrato una porosità residua inferiore al 5%, una microstruttura isotropa e fasi secondarie interparticellari. Le prove di resistenza a trazione e frattura eseguite su provini trattati termicamente non hanno evidenziato variazioni secondo la direzione di carico, confermando il comportamento isotropo del materiale. Lo snervamento e carico massimo a trazione sono paragonabili a quelli dei provini della stessa lega prodotti mediante processi convenzionali, mentre l’allungamento a rottura è notevolmente inferiore, sebbene si sia verificata principalmente la frattura duttile. La tenacità alla frattura (K) ha risultato sostanzialmente inferiore rispetto ai campioni di Al 6061-T6 estruso ed è stata osservata una crescita instabile delle cricche. L'analisi delle superfici di frattura ha indicato che specifiche discontinuità come pelli di ossido e altri difetti, come i pori, potrebbero aver agito come punti di concentrazione delle tensioni, favorendo lo sviluppo di meccanismi di frattura fragile.