3D-printed Alumina pressureless infiltrated with aluminum alloy

Interpenetrating Phase Composites (IPCs) are materials in which two phases create a structure that is topologically co-continuous and three-dimensionally percolating. These materials are produced through a two-step process: first, the ceramic reinforcement is shaped into an open porous structure and then the chosen metal is melted and infiltrated into the porosities to form the final composite. The production technique chosen for the production of the porous ceramic preform was Binder Jetting (BJT), which is an additive manufacturing technique. BJT is a powder-based technique that relies on the selective deposition of a liquid binder agent to bind the particles of the deposited material together. After the printing, the parts need to undergo a curing process to consolidate the green body, facilitating the removal of excessive powder. Finally, by controlling the debinding and sintering step, the porous ceramic is obtained. The pressureless infiltration technique was chosen to infiltrate the metal phase because the process exploits the capability of the melt to wet and penetrate the preform without the aid of external additional pressure that could cause unwanted stresses and damage in the ceramic preform. The porous Al2O3 preforms produced by BJT were sintered using two different thermal cycles. Dimensional analysis on the green and sintered parts to monitor the relative density, the effect of the sintering temperature on the microstructure and the impact of the infiltration process on the final properties of the composite were investigated. The behaviour during the infiltration process of four different aluminum alloys was also monitored by dimensional and microstructural analysis in order to select the most suitable to produce fully dense composite. After the selection, the best performing alloy was infiltrated in the ceramic samples, and the mechanical properties were tested on the material produced.

I Compositi a Fasi Interpenetranti (IPCs) sono materiali nei quali due fasi formano una struttura che è topologicamente co-continua e tridimensionalmente percolante. Questi materiali vengono prodotti attraverso un processo in due fasi: la prima, nella quale il rinforzo ceramico viene modellato in una struttura porosa aperta, la seconda dove il metallo scelto viene fuso e infiltrato nelle porosità per formare il composito finale. La tecnica di produzione scelta per la realizzazione della preforma ceramica porosa è il Binder Jetting (BJT), che appartiene alla famiglia delle tecniche di produzione additiva. Il BJT è una tecnica che deposita del materiale sotto forma di polvere e che lo lega in base alla deposizione selettiva di un agente legante liquido capace di unire le particelle del materiale depositato. Dopo la stampa, le parti devono sottoporsi a un processo di indurimento per facilitare la rimozione della polvere in eccesso. Infine, controllando il processo di rimozione del legante e sinterizzazione, si ottiene la preforma ceramica porosa. La tecnica di infiltrazione senza pressione è stata scelta per infiltrare la fase metallica poiché il processo sfrutta la capacità del metallo fuso di bagnare e penetrare nella preforma senza l'ausilio di una pressione esterna la quale potrebbe causare sforzi indesiderati e danni alla preforma ceramica. In questo lavoro, la preforma porosa di Al2O3 prodotta tramite BJT è stata sinterizzata utilizzando due cicli termici differenti. Sono state effettuate analisi dimensionali sulle parti verdi e sinterizzate per monitorare la densità relativa e i cambiamenti dovuti alla sinterizzazione, al fine di investigare l’impatto delle diverse microstrutture sul processo di infiltrazione e sulle proprietà finali del composito. Il comportamento durante il processo di infiltrazione di quattro diverse leghe di alluminio è stato anche monitorato mediante analisi dimensionale e microstrutturale per selezionare quella più adatta alla produzione di compositi completamente densi. Dopo la selezione, la migliore lega è stata utilizzata per infiltrare i campioni che sono stati poi testati per misurare le proprietà meccaniche del materiale composito.