Aluminium metal matrix composites reinforced with TiB2 particles for laser powder bed fusion

Additive Manufacturing (AM) has exponentially grown during recent years in several industrial sectors, including aerospace, automotive and electronics, due to its extreme versatility: it can be applied to various materials like metals, polymers and ceramics and it allows to obtain complex shape products, which cannot be manufactured through conventional methods. Aluminium alloys are widely used in AM with techniques such as Laser Powder Bed Fusion (LPBF) since they are characterized by a low specific weight. A solution to increase mechanical properties and to reduce the hot tearing susceptibility of these types of alloys is the realization of Metal Matrix Composites (MMCs) through LPBF. In this work, Aluminium 2618 MMCs reinforced with micro-sized TiB2 dispersed particles have been obtained though LPBF. TiB2 ceramic particles were selected to avoid the formation of hot cracks and to improve the mechanical properties of the alloy. The goal of the work is to obtain powder feedstocks with high percentage of reinforcements (up to 7 wt%). To reach this objective, novel methods to obtain the powder feedstocks were studied. Four different methods to create composite powder feedstocks were selected: low and high energy mechanical mixing, plasma assisted deposition and pre-alloying by gas atomization. As a result, powders can be classified into two categories: powder particles with external or internal reinforcements. The functionalization of the powder feedstocks allowed to reach the goal of 7wt% of reinforcement particles with all the powder feedstocks, except for the pre-alloyed where a maximum of ~3wt% was obtained. The pre-alloyed powder showed the highest flowability since it is not affected by external TiB2 attached to Al micro-sized particles, that hinder the powder flow. Pre-alloyed, high energy mechanical mixing and plasma assisted powders are also not altered by sieving (necessary operation to perform to reuse the powder feedstock before a further printing process). Low energy mechanical mixing feedstock, instead, showed a crucial borides reinforcements reduction after sieving and for this reason it must be re-mixed before being reused. Cubic bulk samples were produced by pulsed laser LPBF varying hatch distance and point distance values, in order to achieve high material density. Bulk densities higher than 99% were obtained. The ceramic compounds were able to refine the microstructure and avoid cracks formation. The type of feedstock and the dimension of TiB2 particles strongly affects the microhardness of the bulk material and the size, orientation and distribution of the grains. Specifically, the pre-alloyed powder showed the best results regarding hardness (~ 157 ± 4 HV) and the lowest average grain diameter (0.8 μm).

La manifattura additiva (AM) è cresciuta esponenzialmente negli ultimi anni in diversi settori industriali, tra cui l'aerospaziale, l'automobilistico e l'elettronica. Grazie alla sua estrema versatilità può essere applicata a diversi materiali come metalli, polimeri e ceramici e consente di ottenere prodotti di forma complessa, che non potrebbero essere fabbricati con metodi convenzionali. Le leghe di alluminio sono ampiamente utilizzate nell'AM con tecniche come la fusione laser a letto di polvere (LPBF), poiché sono caratterizzate da un basso peso specifico. Una soluzione per incrementare le proprietà meccaniche di queste leghe e ridurre la loro suscettibilità alla formazione di cricche a caldo è la realizzazione di materiali compositi a matrice metallica (MMC) mediante LPBF. Nello specifico, in questo lavoro, tramite LPBF, sono stati ottenuti compositi in lega di alluminio 2618 rinforzati con una dispersione di microparticelle di TiB2. La scelta è ricaduta sulle particelle di ceramico in modo tale da evitare la formazione di cricche a caldo e da stabilizzare le proprietà meccaniche della lega ad alte temperature. L’obiettivo di questo progetto è di ottenere polveri composite ad alte concentrazioni di rinforzi – fino al 7% in peso – rispetto alla matrice metallica. In particolare, quattro diversi metodi di produzione di polveri composite sono stati studiati: miscelazione meccanica a bassa e ad alta, deposizione al plasma e pre-alligazione tramite atomizzazione a gas. Le polveri possono quindi essere distinte in due differenti categorie: polveri rafforzate da particelle interne oppure esterne. La funzionalizzazione delle polveri ha permesso di ottenere il 7% in peso di rinforzi con tutti i metodi eccetto per la polvere pre-alligata, con cui solo il 3% in peso è stato raggiunto. La polvere ottenuta per pre-alligazione è caratterizzata da una migliore fluidità, a causa dell’assenza di particelle di rinforzo esterne che ne limitano lo scorrimento. Inoltre, la polvere pre-alligata e quelle ottenute tramite miscelazione ad alta energia e deposizione assistita da plasma non vengono alterate dalla setacciatura (operazione necessaria per pulire la polvere residua prima di un ulteriore processo di stampa. Quella ottenuta tramite miscelazione meccanica a bassa energia, invece, mostra una netta riduzione nel numero di rinforzi a valle della setacciatura, e per questo un’ulteriore miscelazione è necessaria. Campioni cubici sono stati prodotti variando la hatch distance e la point distance durante la fase di stampa, in modo tale da poter ottenere la densità più alta possibile. Sono stati ottenuti campioni con densità maggiori del 99%. I rinforzi ceramici sono stati in grado di affinare la microstruttura dei grani ed evitare la formazione di cricche. La tipologia di polvere e la dimensione delle particelle dei boruri influenzano la durezza del composito e la dimensione, orientamento e distribuzione dei grani cristallini. In particolare, la polvere ottenuta per pre-alligazione ha mostrato il miglior risultato per quanto riguarda la durezza (~ 157 ± 4 HV) e il diametro medio dei grani (0,8 μm).