Microstruttura, struttura di solidificazione e stabilità termica di acciaio inossidabile 316 L fabbricato mediante fusione laser a polvere

Una grande quantità di lavoro è impegnata nell’ottimizzazione dei materiali per la produzione additiva. La porosità è un problema costante nella stampa 3D in metallo e gli scienziati dedicano molto tempo allo studio di ciascun materiale metallico per cercare di minimizzare o eliminare i difetti. In un documento intitolato ” Microstruttura, struttura di solidificazione e stabilità termica di acciaio inossidabile 316 L fabbricato mediante fusione laser a polvere “, un team di ricercatori esamina l’acciaio inossidabile 316 L utilizzando tecniche di scansione e microscopia elettronica di transizione, metodi di diffrazione e tomografia a sonda atomica .

La porosità può essere eliminata controllando la potenza del laser e la velocità di scansione del laser durante il processo di stampa 3D, sottolineano i ricercatori.

“Le proprietà finali sono governate dalla microstruttura del materiale”, continuano. “La microstruttura del materiale LPBF si forma in condizioni di gradienti di temperatura elevata e tassi di solidificazione, lontani da quelli dei materiali convenzionali. Ciò si traduce nella formazione di una microstruttura non di equilibrio con un insieme unico di proprietà. È stata comunemente osservata la nucleazione epitassiale delle colonie cellulari, che si traduce nella struttura di solidificazione e nelle proprietà meccaniche anisotropiche dei materiali LPBF. ”

Lo studio, che è stato condotto per diversi anni, si concentra sugli aspetti metallurgici del materiale, nonché sulla sua microstruttura. La formazione di una struttura cellulare in una piscina fusa è stata discussa in relazione al gradiente termico e alla velocità di solidificazione. La correlazione tra la spaziatura delle cellule primarie e la durezza è stata anche discussa in relazione ai parametri del processo di produzione additiva e alla presenza di porosità.

Diversi esperimenti sono stati effettuati con il materiale in acciaio inossidabile. I campioni sono stati prodotti additivamente utilizzando una macchina Phenix Systems PM 100. Per l’analisi microstrutturale, sono stati utilizzati parametri di potenza laser da 50 W e una velocità di scansione laser di 120 mm / s in quanto hanno fornito la minore porosità. L’analisi microstrutturale è stata eseguita utilizzando metodi di microscopia ottica ed elettronica.

Sono state raggiunte diverse conclusioni. La microstruttura as-built dell’acciaio inossidabile è costituita da colonie di cellule e i confini tra le celle non sono normali limiti di grana ad alto angolo, ma piuttosto strutture di dislocazione di spessore di 100-300 nm. La dimensione delle celle nelle colonie dipende dalle condizioni di produzione e può variare all’interno di una singola traccia.

“La segregazione degli elementi sui confini delle celle è presumibilmente una funzione delle condizioni di solidificazione e può variare in AM 316 L prodotto con diverse potenze laser e velocità di scansione”, affermano i ricercatori. “La spaziatura delle cellule primarie è il parametro chiave che controlla la forza, seguendo la relazione Hall-Petch. In molti casi, le deviazioni dalla relazione Hall-Petch possono essere spiegate da variazioni della spaziatura delle cellule primarie attraverso il materiale LPBF e la porosità. ”
La consistenza della solidificazione era formata da colonie di cellule che crescevano attraverso diversi strati. La trama era controllata dalla strategia di produzione. Le cellule all’interno delle colonie erano stabili fino a 800-900 ° C, dopodiché scomparivano. La scomparsa delle cellule ha comportato una diminuzione della durezza. La crescita della colonia non è stata significativa fino a 1050 ° C.

“Le particelle di ossido di nanoscala probabilmente si formano dall’ossido di superficie, o a causa dell’ossigeno raccolto durante la produzione”, continuano i ricercatori. “Sono stabili e non si uniscono o cambiano forma dopo il trattamento termico fino a 1050 ° C. Il contributo di tali nanoparticelle di durezza del materiale LPBF 316 L sembra essere insignificante, poiché dopo il trattamento termico della durezza dell’acciaio L LPBF 316 valori tipici per il materiale grossolano convenzionale avvicinato.”
Gli autori della carta includono Pavel Krakhmalev, Gunnel Fredriksson, Krister Svensson, Igor Yadroitsev, Ina Yadroitsava, Mattias Thuvander, e Ru Peng.

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