Laser powder bed fusion of INCONEL® 718: optimization of process parameters and residual stress analysis before and after heat treatment

Metals Additive Manufacturing (AM) is a “flourishing” technology, developing fast and successfully. Laser Powder Bed Fusion (LPBF) is among the most used metals AM processes in industry. Inconel® 718 (IN718) is a nickel-based superalloy that maintains its exceptional properties at high and low temperatures, thereby, it is a material commonly used to fabricate high performance components. The purpose of this work is to study the residual stress (RS) evolution of IN718 parts fabricated by LPBF, before and after heat treatment. Firstly, specimens with different combinations of parameters were fabricated to select the optimal LPBF process parameters. With the results from that part of the work, the influence of the individual process parameters on the porosity was studied. Then, new specimens were fabricated with the selected parameters and the RS analyzed by the hole-drilling strain-gage method, in as-built, solution annealed (SA) and SA plus double-aged (DA) conditions. It was concluded that increasing the scanning speed contributes to the reduction of the porosity. Also, for lower scanning speeds, 400 mm/s and lower, a hatching distance of 0.13 mm was defined as optimal. For higher scanning speeds, 600 and 800 mm/s, no relevant influence of the hatching distance, from 0.05 to 0.11 mm, on the porosity was observed. Laser power and layer thickness were not studied. Larger pores were found in specimens with higher porosity. Also, the specimens with higher porosity presented irregular pores and with lower porosity presented spherical-like pores. Regarding the RS evolution, as-built top surface presented uniform RS distribution of approximately 400 MPa. Lateral surface presented anisotropic distribution, with RS magnitudes of 600 to 800 MPa in build direction and 200 to 300 MPa horizontally. After the SA heat treatment, the RS decrease greatly to values between 50 – 200 MPa. Series of carbides were found at the grain boundaries, which were attributed as the cause for oscillations in the RS profile. SA plus DA condition presented RS between 10 to 50 MPa. Heat-treated specimens revealed compressive RS at immediately near the surface.A fabricação aditiva (FA) de metais é uma tecnologia “florescente”, em rápido desenvolvimento e com sucesso. Fusão a laser em leito de pó (LPBF) está entre os processos de FA de metais mais usados na indústria. Inconel® 718 é uma superliga à base de Nickel, que mantém as suas propriedades excecionais a altas e baixas temperaturas, desse modo, é comummente usada para produzir componentes de alto desempenho. O objetivo deste trabalho é estudar a evolução das tensões residuais (TR) de partes produzidas por LPBF, antes e pós tratamento térmico. Primeiramente, produziram-se amostras com diferentes combinações de parâmetros do processo LPBF para selecionar os melhores parâmetros. Com os resultados obtidos dessa parte do trabalho, foi estudada a influência na porosidade dos diferentes parâmetros. Então, produziram-se novas amostras com os parâmetros selecionados e foram analisadas as TR pelo método do furo cego incremental, nas condições: “as-built”, recozido (SA) e SA mais envelhecimento duplo (DA). Concluiu-se que o aumento da velocidade de varredura contribuí para a redução da porosidade. Também, para velocidades mais baixas, 400 mm/s e abaixo, a distância entre passagens de 0.13 mm foi definida como ótima. Para velocidades mais altas, 600 mm/s e 800 mm/s, a influência da distância entre passagens, de 0.05 a 0.11 mm, na porosidade é desprezível. A potência do laser e a espessura das camadas não foram estudados. Poros maiores foram observados nas amostras com maior porosidade. Também, as amostras com maior porosidade exibiram poros irregulares, e com menor porosidade poros esféricos. Em relação à evolução das TR, a face superior “as-built” apresentou uma distribuição das TR uniforme de aproximadamente 400 MPa. A face lateral apresentou distribuição anisotrópica, com TR entre 600 e 800 MPa na direção de deposição, e entre 200 e 300 MPa horizontalmente. Nas amostras SA, as TR reduziram substancialmente para valores entre 50 e 200 MPa. Foram detetados conjuntos de carbonetos, aos quais se atribuiu a ocorrência de oscilações no perfil das TR. A condição SA mais DA apresentou TR entre 10 e 50 MPa. As amostras tratadas termicamente revelaram TR à compressão bem próximo da superfície