Thermal treatment optimization of low alloy steel printed by additive manufacturing

In the past forty years, Additive Manufacturing (AM) has made significant progress. One of the most widespread AM techniques is Laser Powder Bed Fusion (PBF-LB/M), which is currently the primary process for metal parts production. In PBF-LB/M a laser beam selectively melts consecutive layers of metallic powder, forming components in the desired shape. Although AM processes have advanced considerably since their creation, the materials used are still traditional ferrous alloys, such as 316L and 1,2709, originally developed for conventional production. However, in recent years, specific alloys have been designed for PBF-LB/M to enhance the performances of the materials by exploiting the unique characteristics of AM. The main purpose of this work is to investigate the effects of different conventional heat treatments on the mechanical properties and microstructures of the low-alloy E185 AMPO steel. The samples, printed via PBF-LB/M, were quenched using three different quenching media: water, oil and still air. The quenched components were then tempered with different time and temperature combinations. Additionally, direct tempering was evaluated as a potential alternative for the 3D-printed specimens. Before the experimental tests, CCT curves of the new alloy were simulated using the Thermo-Calc software to better understand the effects of the heat treatments. A preliminary assessment of the hardenability of E185 steel was performed by Jominy End Quench Test. Microstructural analysis of the heat-treated samples was conducted using both optical and electron microscopy, while the mechanical properties were analysed through Vickers microhardness and tensile tests. Residual stress analysis via XRD was also performed to evaluate the effect of the thermal treatments on the residual stress evolution of the samples. This study paves the way for the future application of PBF-LB/M not only in motorsport but also in the automotive sector.

Negli ultimi quarant’anni l'Additive Manufacturing (AM) ha compiuto enormi progressi. Una delle tecniche di AM più diffuse è il Laser Powder Bed Fusion (PBF-LB/M), che rappresenta oggi il processo principale per la fabbricazione di componenti metalliche. Il PBF-LB/M è una tecnica produttiva nella quale un laser fonde selettivamente strati consecutivi di polvere metallica, formando componenti aventi la forma desiderata. Sebbene l’AM sia progredita notevolmente dalla sua concezione, i materiali utilizzati restano prevalentemente leghe ferrose originariamente sviluppate per la produzione convenzionale, come il 316L e l’1,2709. Negli ultimi anni, tuttavia, sono state progettate leghe specifiche per il PBF-LB/M, in modo da migliorare le prestazioni dei componenti AM e sfruttare appieno le potenzialità di questa tecnologia. Questa tesi ha l'obiettivo di analizzare le proprietà meccaniche e le modifiche microstrutturali causate da diversi trattamenti termici convenzionali sull’acciaio basso legato E185 AMPO. I provini, stampati tramite PBF-LB/M, sono stati temprati con tre diversi mezzi di tempra: acqua, olio ed aria calma. I componenti temprati sono poi stati rinvenuti con diverse combinazioni di tempi e temperature. Inoltre, è stato valutato l’invecchiamento diretto come potenziale alternativa per i componenti stampati in 3D. Prima di effettuare prove sperimentali, per comprendere meglio l'esito dei trattamenti termici sono state studiate le curve CCT della nuova lega metallica, ottenute dalla simulazione effettuata tramite il software Thermo-Calc. Una stima preliminare della temprabilità dell'acciaio E185 è stata effettuata mediante prova “Jominy End Quench Test”. L’analisi microstrutturale dei campioni trattati termicamente è stata effettuata tramite microscopio ottico ed elettronico, mentre le proprietà meccaniche sono state analizzate tramite prove di microdurezza Vickers e trazione. Un’analisi degli stress residui tramite XRD è stata eseguita per valutare la variazione delle tensioni residue sia dopo lo stampaggio che dopo i trattamenti termici. Questo studio apre la strada a un futuro utilizzo del PBF-LB/M non solo nel motorsport, ma anche nel settore automobilistico.