Acciai CrMnNi metastabili lavorati mediante fusione laser a letto di polvere: valutazione sperimentale dei meccanismi elementari che contribuiscono alla microstruttura, alle proprietà e alle tensioni residue

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 21862 (2022) Citare questo articolo

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È noto che la complessa storia termica imposta dal processo di fusione dei metalli a letto di polvere basato su laser (PBF-LB/M) promuove l'evoluzione di microstrutture uniche. Nel presente studio, gli acciai CrMnNi metastabili con diversi contenuti di nichel e, quindi, diverse stabilità di fase sono prodotti da PBF-LB/M. I risultati rivelano chiaramente che una scelta adeguata dei materiali consentirà di personalizzare le proprietà meccaniche e gli stati di stress residui nel materiale così costruito per eventualmente ridondanti qualsiasi post-trattamento termico. Le differenze chimiche portano a diverse costituzioni di fase in condizioni as-built e, quindi, influenzano l'evoluzione della microstruttura e i meccanismi di deformazione elementare dopo deformazione, cioè il gemellaggio e la trasformazione martensitica. Tali leghe progettate per la produzione additiva (AM) evidenziano la possibilità di affrontare sfide ben note nell’AM come tolleranza limitata ai danni, porosità e stati di stress residui dannosi senza condurre alcun trattamento successivo, ad esempio distensione e pressatura isostatica a caldo. Dal punto di vista della progettazione robusta dei componenti AM, sembra infatti essere un approccio molto efficace adattare il materiale alle caratteristiche del processo AM.

Nell'ultimo decennio i processi di produzione additiva (AM), come la fusione laser a letto di polvere dei metalli (PBF-LB/M) (nota anche come fusione laser a letto di polvere (LPBF) o fusione laser selettiva (SLM)), si sono evoluti da tecniche utilizzate solo per la prototipazione per la produzione diretta. La struttura a strati combinata con la libertà di progettazione senza precedenti sono interessanti per molti settori, ad esempio quello aerospaziale e dell'ingegneria medica. Soprattutto la produzione senza utensili rappresenta un vantaggio, ad esempio in termini di individualizzazione, produzioni in piccoli lotti e ottimizzazione avanzata della topologia che sono della massima importanza per le parti leggere1.

Le condizioni di raffreddamento inerenti al processo e le dinamiche del pool di fusione, rispettivamente, nel processo PBF-LB/M spesso danno luogo a microstrutture uniche; tuttavia, le caratteristiche vantaggiose sono solitamente accompagnate da stress residui dannosi e difetti del materiale come la porosità2,3,4. Le elevate sollecitazioni possono essere attribuite alle piccole dimensioni del bagno di fusione e alle elevate velocità di raffreddamento. La porosità spesso deriva da combinazioni inadeguate dei parametri di processo o può essere introdotta dalla polvere stessa. Spinti da diversi settori industriali, la lega di titanio Ti6Al4V, la superlega a base di nichel Inconel 718 (IN718) e l'acciaio inossidabile austenitico 316L sono stati al centro di numerosi studi e le relative relazioni tra proprietà e processo sono state studiate in dettaglio5,6,7,8. Negli ultimi anni, la gamma di leghe lavorate dalle tecnologie AM è stata ampliata rapidamente, ad esempio le leghe di alluminio, gli acciai per utensili e persino i materiali intelligenti sono entrati al centro della ricerca9,10,11,12,13. I metalli AM possono essere caratterizzati da proprietà meccaniche diverse rispetto alle controparti prodotte convenzionalmente, ad esempio, maggiore resistenza o addirittura una modifica nel modulo di Young14,15. Nel processo PBF-LB/M, la microstruttura as-built delle leghe di tipo 316L tende a sviluppare grani grossolani. Questi grani, che sono principalmente allungati nella direzione di costruzione (BD), portano allo sviluppo di un orientamento cristallografico preferito, risultando infine in proprietà meccaniche anisotrope16,17. Lo sviluppo di tali microstrutture anisotrope è principalmente attribuito al flusso di calore direzionale, alla solidificazione/crescita epitassiale e al raffreddamento rapido, nonché all'assenza di qualsiasi trasformazione di fase all'interno del processo di raffreddamento. Un'evoluzione microstrutturale simile, ovvero grana grossa e struttura forte, è stata mostrata anche per IN718 elaborato da PBF-LB/M e fusione di metalli con letto di polvere a fascio di elettroni (PBF-EB/M)18,19. Gli acciai austenitici a grana grossa mostrano solitamente un'elevata duttilità a scapito della resistenza. Tuttavia, il 316L prodotto mediante addizione mostra un carico di snervamento (YS) significativamente più elevato combinato con un’elevata duttilità rispetto alle controparti prodotte convenzionalmente. Ciò è attribuito alle strutture dei sottograni che alla fine aumentano la resistenza secondo la relazione Hall-Petch20. Pertanto, PBF/LB-M rappresenta un processo promettente per superare il compromesso resistenza-duttilità21,22.