Development of high-strength aluminium alloys and innovative manufacturing processes

Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) is widely adopted in industrial additive manufacturing for the production of lightweight and geometrically complex metal components thanks to its high dimensional accuracy, design flexibility, and reduced material waste. However, the range of commercial alloys truly optimized for this process remains limited, especially in the case of aluminum, which is particularly prone to hot cracking during printing. In this context, the present doctoral research focused on the development and optimization of high-strength aluminum alloys tailored for L-PBF applications. The work involved process parameter optimization, investigation about solidification behavior, and microstructural and mechanical characterization of six alloy formulations, derived from both pre-alloyed powders and powder blends. The study evaluated the effectiveness of inoculant elements as alternatives to scandium—a critical raw material—such as Ti, Zr, and B. The introduction of ceramic particles (TiB₂) and the formation of intermetallic phases (Al₃(Zr,Ti)) proved effective in promoting the columnar-to-equiaxed grain transition and in preventing hot cracking. The results also demonstrated that the weight percentage of inoculants plays a key role in grain refinement and in enhancing the efficacy of heat treatments (HT) for the precipitation of strengthening phases and mechanical performance improvement. In a following step, the thesis addressed the emerging challenge of multimaterial printing via L-PBF. A modified powder dosing system enabled the printing, within a single job, of dissimilar alloys such as CuNiSiCr and Inconel-625. Microstructural and compositional analyses of the interfaces highlighted the critical importance of local process optimization in the transition zones to reduce defect formation and ensure joint integrity. Overall, the findings of this research contribute to overcoming current limitations of the L-PBF process by proposing innovative materials and advanced processing strategies — including the context of multimaterial fabrication — for the additive manufacturing of high-performance, lightweight, and sustainable structural components.

La tecnologia Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) è oggi ampiamente impiegata per la produzione additiva in ambito industriale di componenti metallici complessi e alleggeriti, grazie all’elevata precisione e alla possibilità di ridurre lo spreco di materiale. Tuttavia, il numero di leghe commerciali ottimizzate per L-PBF rimane limitato, soprattutto per l’alluminio, a causa della sua tendenza a sviluppare cricche a caldo durante la stampa. In questo contesto, la presente ricerca di dottorato si è focalizzata sullo sviluppo e l’ottimizzazione di leghe di alluminio ad alta resistenza per applicazioni L-PBF. Il lavoro ha previsto l’ottimizzazione dei parametri di processo, lo studio metallurgico del comportamento in solidificazione e la caratterizzazione microstrutturale e meccanica di sei diverse formulazioni, ottenute sia da polveri pre-alligate sia da miscele (blend). Sono stati valutati gli effetti di elementi inoculanti alternativi allo scandio – materia prima critica – come Ti, Zr e B. L’introduzione di particelle ceramiche (TiB₂) e la formazione di fasi intermetalliche (Al₃(Zr,Ti)) si sono dimostrate efficaci nel favorire la transizione colonnare-equiassica e nel prevenire la formazione di cricche. Le analisi hanno inoltre evidenziato come la percentuale in peso degli inoculanti influenzi significativamente l’affinamento del grano e l’efficacia dei trattamenti termici nel promuovere la precipitazione di fasi di rinforzo e il miglioramento delle proprietà meccaniche. Successivamente, è stato esplorato l’impiego della L-PBF per la stampa di componenti multimateriale. Attraverso una modifica al sistema di dosaggio della polvere, è stato possibile stampare, in un unico job, leghe dissimili come CuNiSiCr e Inconel-625. Le indagini microstrutturali e composizionali delle interfacce hanno evidenziato l’importanza dell’ottimizzazione locale dei parametri per ottenere giunzioni prive di difetti. Nel complesso, i risultati di questa ricerca contribuiscono a colmare il gap esistente tra le limitazioni attuali della tecnologia L-PBF e le richieste crescenti del settore industriale, proponendo materiali innovativi e strategie di processo avanzate, anche in ottica multimateriale, per la produzione additiva di componenti strutturali ad alte prestazioni, leggeri e sostenibili.