Effects of heat treatments on strengthening mechanism for Al2024-RAM2 printed by LPBF studied through microhardness, tensile tests and simulations

This thesis investigates the effects of heat treatments on an Al2024-RAM2 alloy produced by laser powder bed fusion (LPBF). Thanks to their excellent mechanical properties and good workability, Al2024 alloys are among the most widely used in the aerospace industry. Their application in 3D printing processes with great potential, such as LPBF, has attracted considerable interest since this technology emerged. In particular, this study focuses on the RAM2 alloy, which contains alloying elements such as titanium, boron and carbon, responsible for the formation of Al₃Ti and ceramic compounds, classifying this alloy as a metallic composite material. These phases, together with the LPBF printing method, generate a unique crystalline structure with specific characteristics and performance. The thesis's main objective is to study how different heat treatments and their associated phases influence this special crystalline structure and consequently the mechanical performance of the treated material. The aim was to develop a model to estimate the effects of heat treatment and predict the mechanical performance of the finished component through the analysis of experimental data and images acquired by electron microscopy. Experimental microhardness and tensile tests were conducted to identify the most effective heat treatments among those most commonly used in the aeronautical field. The results highlighted the remarkable mechanical performance of this alloy which, combined with the innovative production process, demonstrates its high potential for the realisation of components in Al2024-RAM2. Further analysis highlighted the potential and limitations of studying an ageing treatment using numerical simulation with Thermo-Calc software, allowing for a better understanding of the precipitation phenomena characteristic of this type of treatment.

La presente tesi indaga gli effetti dei trattamenti termici su una lega Al2024-RAM2, prodotta mediante Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Grazie alle eccellenti proprietà meccaniche e alla buona lavorabilità, le leghe Al2024 sono tra le più impiegate in ambito aerospaziale e la loro applicazione in un processo di stampa 3D dalle grandi potenzialità come LPBF ha suscitato notevole interesse fin dagli albori di questa tecnologia. In particolare, questo studio si concentra sulla lega RAM2, che contiene elementi di lega come titanio, boro e carbonio, responsabili della formazione di Al₃Ti e di composti ceramici, classificando questa lega come un materiale composito metallico. Tali fasi, assieme al particolare metodo di stampa LPBF, generano una struttura cristallina peculiare con caratteristiche e prestazioni uniche. L’obiettivo principale della tesi è studiare come i diversi trattamenti termici e le singole fasi che li compongono, influenzino questa speciale struttura cristallina e di conseguenza, le prestazioni meccaniche del materiale trattato. Attraverso l’analisi dei dati sperimentali e delle immagini acquisite al microscopio elettronico, si è voluto sviluppare un modello per stimare gli effetti di un trattamento termico e prevedere le prestazioni meccaniche del componente finito. Sono state condotte prove sperimentali di microdurezza e di trazione per individuare i trattamenti termici più efficaci tra quelli maggiormente impiegati in ambito aeronautico. I risultati hanno evidenziato le notevoli prestazioni meccaniche di questa lega che, unite all’innovativo processo produttivo, ne dimostrano l’elevato potenziale per la realizzazione di componenti in Al2024-RAM2. Un’ulteriore analisi ha messo in luce potenzialità e limiti dello studio di un trattamento di invecchiamento mediante simulazione numerica con il software Thermo-Calc, consentendo una migliore comprensione dei fenomeni di precipitazione caratteristici di questa tipologia di trattamenti.