17-4 PH stainless steel by binder jetting for medical applications

This thesis investigates the microstructure and mechanical behavior of 17-4 PH stainless steel fabricated using binder jetting, an additive manufacturing process known for enabling complex geometries and efficient production. The study explores how different powder sources, sintering conditions, and especially post-processing heat treatments affect the final properties of the material. Special attention is given to the sequence of solution annealing and ageing, combined with various cooling methods. The results show that the combination of solution annealing and water quenching, followed by a second water quenching after ageing (the X-W-W route), consistently produces the best balance of strength, hardness, and reliability. This approach minimizes unwanted phases from the sintering process like δ-ferrite and inclusions as niobium carbide (NbC). Also, a fully martensitic structure with finely dispersed copper-rich precipitates can be achieved by adjusting thermal treatments, which are essential for superior mechanical performance. While some challenges remain, such as achieving full densification and avoiding surface oxidation, these can be managed through further optimization of the process. Overall, this work highlights the importance of tailored thermal treatments in maximizing the potential of binder jet 17-4 PH stainless steel, especially for demanding applications in engineering and medical areas. The findings also point to future opportunities in surface engineering, powder reuse, and digital process integration to further improve part quality and sustainability.

Questa tesi analizza la microstruttura e il comportamento meccanico dell’acciaio inox 17-4 PH prodotto tramite binder jetting, un processo di manifattura additiva noto per la possibilità di realizzare geometrie complesse e per l’efficienza produttiva. Lo studio esamina come differenti polveri di partenza, condizioni di sinterizzazione e soprattutto i trattamenti termici post-processo influenzino le proprietà finali del materiale, con particolare attenzione alla sequenza di solubilizzazione e invecchiamento abbinata a diversi metodi di raffreddamento. I risultati dimostrano che la combinazione di solubilizzazione seguita da tempra in acqua, e una seconda tempra in acqua dopo l’invecchiamento (strategia X-W-W), consente di ottenere in modo ripetibile il miglior equilibrio tra resistenza, durezza e affidabilità. Questo approccio minimizza la formazione di fasi indesiderate derivanti dal processo di sinterizzazione, come la δ-ferrite e inclusioni come il carburo di niobio (NbC). Inoltre, regolando i trattamenti termici, si può ottenere una struttura completamente martensitica con precipitati ricchi di rame finemente dispersi, elementi essenziali per garantire prestazioni meccaniche superiori. Sebbene rimangano alcune sfide, come il raggiungimento della piena densificazione e la prevenzione dell’ossidazione superficiale, questi aspetti possono essere affrontati tramite un’ulteriore ottimizzazione del processo. Nel complesso, questo lavoro sottolinea l’importanza di trattamenti termici mirati per massimizzare il potenziale dell’acciaio 17-4 PH prodotto tramite Binder Jetting, in particolare per applicazioni avanzate nei settori ingegneristico e medico. I risultati suggeriscono inoltre futuri sviluppi nella progettazione delle superfici, nel riutilizzo delle polveri e nell’integrazione digitale dei processi per migliorare ulteriormente qualità e sostenibilità dei componenti prodotti.