Metallurgical characterizations of 17-4 PH and WC-Co hard facing Laser-based Direct Energy Depositions: effect of process parameters and post-fabrication heat treatments

MORALES BAZALDUA, CINDY ESTEFANIA

Il processo denominato Direct Energy Deposition è una delle tecniche di manifattura additiva che, assieme ai processi a letto di polvere, è comunemente impiegato per fabbricare parti in materiale metallico. La tecnologia DED prevede l’utilizzo di una sorgente termica per fondere un materiale che viene fornito sotto forma di polvere o filo e che fonde mentre viene depositato. Questa tecnica può essere utilizzata per realizzare rivestimenti duri su substrati metallici o per fabbricare parti di geometria prossima a quella finale. Per tale ragione, il processo è tipicamente impiegato per riparare, ripristinare o aggiungere materiale a componenti esistenti. Si tratta di un processo molto flessibile per la realizzazione di parti complesse e di elevata qualità, prevenendo l’utilizzo di processi convenzionali costosi ed onerosi in termini di tempo. Considerando questi vantaggi, il processo DED è impiegato con successo in molti ambiti industriali, come ad esempio quelli biomedicale, aeronautico, automotive, della meccanica e dell’utensileria. All’interno del panorama dei materiali che oramai vengono processati con tecniche di manifattura additiva, le leghe ad alta resistenza come l’acciaio inossidabile 17-4 PH e il metallo duro WC-Co sono utilizzati principalmente in processi sia a letto di polvere sia Binder Jetting. Considerato l’elevato numero di parametri che devono essere controllati in un processo DED, diventa fondamentale conoscere in maniera approfondita l’effetto che può essere generato della sorgente termica, da entrambe la strategia e la velocità di scansione, e dalla velocità di apporto della polvere o del filo sulle caratteristiche sia meccaniche sia macro e microstrutturali del materiale al fine di produrre dei componenti di buona qualità. In quest’ottica, il presente lavoro di tesi ha riguardato la caratterizzazione di deposizioni in acciaio inossidabile 17-4 PH e in metallo duro WC-12Co realizzate mediante tecnologia DED avente un laser come sorgente termica. Per stabilire le migliori condizioni di processo in grado di soddisfare appropriati requisiti industriali, sono state indagate sia le caratteristiche geometriche delle deposizioni sia il loro comportamento meccanico e le caratteristiche microstrutturali. Per entrambi i materiali, i risultati hanno dimostrato che la complessa microstruttura tipica di queste deposizioni, e di conseguenza le loro caratteristiche meccaniche, sono fortemente influenzate e controllate dai parametri del laser. Per quanto riguarda l’acciaio inossidabile 17-4 PH i risultati mostrano che è possibile ottenere miglioramenti della microstruttura in termini di distribuzione, omogeneizzazione e dimensione delle principali fasi, qualora vengano utilizzati valori elevati della densità di energia. Inoltre, per comprendere l’effetto della precipitazione sull’indurimento dell’acciaio 17-4 PH, sul materiale depositato sono stati eseguiti dei trattamenti termici utilizzando parametri sia analoghi sia sperimentali rispetto al convenzionale trattamento denominato H900. I risultati hanno mostrato che, sfruttando il livello elevato di sovrasaturazione degli elementi di lega che caratterizza il materiale allo stato di fabbricazione, l’invecchiamento diretto è una efficace alternativa al fine dell’incremento di durezza del materiale stesso. Le analisi effettuate sui campioni in WC-12Co hanno dimostrato che la potenza del laser e la densità volumetrica di energia hanno un notevole effetto sulla distribuzione, riprecipitazione e dissoluzione delle principali fasi presenti nel materiale depositato. La selezione dei due parametri citati risulta importante per controllare l’evoluzione della durezza del materiale. Tuttavia, anche la velocità di scansione è stata individuata come parametro potenzialmente critico in quanto influenza in modo sensibile il contenuto di porosità e di conseguenza anche la durezza e la microstruttura dei campioni.

Direct Energy Deposition (DED) process is one of the most widespread additive manufacturing (AM) techniques that, in addition to the Powder Bed Fusion (PBF) processes, is commonly used to fabricate metal parts. DED is an AM process in which a focused thermal energy source (e.g., a laser) is used to fuse materials, in the form of powder of wires, by melting them while they are being deposited. This AM technique can be used to build hard-facing coatings onto desired metal substrates to fabricate near-net-shape metal parts. Hence, this process is also typically used to repair, restore, or add additional material to existing components, so enabling the maximum flexibility to manufacture complex and high-quality parts without using costly and time-consuming conventional processes. Considering these advantages, DED is widely and successfully employed in several industrial fields, such as biomedical, aerospace, automotive, machinery, and tooling. Among the increasing number of materials that can be processed by AM techniques, high-resistant alloys such as the 17-4 PH stainless steel and WC-12Co are mainly processed by PBF and Binder Jetting (BJ) techniques. The DED process could also be a feasible technique suitable to be used with the above-mentioned materials, allowing to achieve good results in terms of both microstructural and mechanical properties. Nevertheless, the literature is quite scarce on this topic. Considering the high number of parameters that need to be controlled in the DED process, it is important to deeply understand the effect of the heat source, the scanning strategy, the scanning speed, and the powder or wire feed rate on macro and microstructural features as well as the mechanical behavior of the processed material to guarantee the fabrication of good-quality metal parts. Hence, the present Ph.D. investigation deals with the characterization of depositions fabricated by Laser-based Direct Energy Deposition (L-DED) in two different materials: the 17-4 PH stainless steel and the WC-12Co cermet. Geometrical features of the depositions, as well as their microstructural and mechanical behavior, were studied to establish the best process conditions, suitable for achieving appropriate industrial requirements. The results demonstrated that, in both cases, the complex microstructure of the depositions and hence their mechanical behavior are highly influenced and controlled by the laser power parameters. Concerning the 17-4 PH stainless steel, the results showed that when the highest laser energy density values are used, effective improvements in the microstructure in terms of distribution, homogenization, and size of the main phases can be obtained. To better understand the effect of precipitation hardening in 17-4 PH stainless steel deposited by DED, different heat treatment routes were investigated and compared to the most common H900 treatment. The applied post-fabrication heat treatments demonstrated that a direct aging route can be successful in enhancing the hardness of the materials by taking advantage of the level of saturation of the hardening elements. The analysis of the WC-Co specimens showed that the laser power parameter and the volumetric energy density factor have a strong effect on the distribution, re-precipitation, and dissolution of the main phases in the deposited material. The proper selection of these parameters is extremely important for the hardness evolution of the material. Besides that, the scanning strategy was detected as critical among the selected process parameters because it was identified as the main responsible for porosity formation and thus influencing the microstructure and the hardness behavior of the samples.