Effects of build orientation and heat treatments on microstructure and mechanical properties of additively manufactured AlSi10Mg alloy using Selective Laser Melting

Orientador: Éder Sócrates Najar LopesDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: Recentemente, a Manufatura Aditiva da liga AlSi10Mg tornou-se assunto de interesse, dada suas características atraentes para as indústrias automotiva e aeroespacial: baixa densidade, boa soldabilidade e capacidade de endurecimento por meio da precipitação de fases secundárias. Este estudo investiga a influência de diferentes orientações de fabricação (0°, 45° e 90°) e tratamentos térmicos nas propriedades mecânicas e microestruturas de amostras de AlSi10Mg produzidas por Fusão Seletiva a Laser (FSL). Os tratamentos térmicos foram realizados em duas partes: 1) exploração de diferentes rotas de alívio de tensão, homogeneização e homogeneização seguida de envelhecimento, por caracterização microestrutural e medição de dureza; 2) definição de três rotas de interesse para caracterização microestrutural, avaliação de propriedades mecânicas de tração, tenacidade a fractura e fractografia: a) tratamento térmico HT0 ¿ alívio de tensões a 300 ° C por 2 h; b) tratamento térmico HT1 ¿ homogeneização a 540 ° C por 2 h seguido de envelhecimento artificial a 170 ° C por 8 h; c) tratamento térmico HT2 ¿ homogeneização a 540 ° C por 6 h seguido de envelhecimento artificial a 170 ° C por 14 h. As amostras como fabricadas e com alívio de tensões exibiram uma morfologia microestrutural característica, com marcas de varredura do laser distintas do processo de fabricação. Os altos gradientes térmicos resultantes da técnica FSL levam a uma microestrutura fina com células de Al em tamanhos submicrométricas circundadas por constituinte rico em Si. Grãos colunares tendem a crescer epitaxialmente dentro dos limites da poça de fusão, gerando textura cristalográfica devido à transferência de calor direcional durante a solidificação. A direção de construção mostrou ter uma influência impactante nas propriedades mecânicas dos espécimes, indicando anisotropia estrutural: os espécimes fabricados a 0° mostraram propriedades superiores a espécimes fabricados a 90°. Sob temperaturas elevadas, durante o HT1 e HT2, ocorre precipitação e coalescência das partículas de Si, diminuindo a concentração de Si na matriz de Al e formando partículas de Si equiaxiais dispersas uniformemente pela matriz. Esses tratamentos térmicos de homogeneização também resultam no apagamento do histórico de processamento do material, o que causa crescimento equiaxial de grãos de modo independente aos limites originais das poças de fusão. Além disso, verificou-se redução na dependência da direção de construção nas propriedades mecânicas em espécimes submetidos a HT1 e HT2, apresentando resultados mais uniformes para as diferentes orientações de fabricação. Portanto, o presente estudo fornece alternativas no controle da dependência de direção das propriedades mecânicas de ligas AlSi10Mg fabricadas por FSLAbstract: Recently, the Additive Manufacture of the AlSi10Mg alloy has become a subject of attention, given its attractive characteristic for the automotive and aerospace industries: lightweight, good weldability and hardenability. This study investigates the influence of different manufacturing orientations (0°, 45° and 90°) and heat treatments on mechanical properties and microstructure of AlSi10Mg samples produced by Selective Laser Melting (SLM). The heat treatments were carried out in two parts: 1) exploration of different routes of stress relieving, homogenization and homogenization followed by aging, through microstructural characterization and hardness measurement; 2) definition of three routes of interest for microstructural characterization, evaluation of mechanical tensile properties, fracture toughness and fractography: a) stress-relief heat treatment (HT0) by annealing at 300°C for 2h; b) HT1 ¿ solution heat treatment at 540°C for 2 h followed by artificial aging at 170°C for 8 h; c) HT2 ¿ solution heat treatment at 540°C for 6 h followed by artificial aging at 170°C for 14 h. The as-built and SRHT samples exhibited a characteristic microstructural morphology, with distinct scan track marks. The high thermal gradients resultant of SLM process lead to a fine microstructure with submicron-sized Al cells surrounded by eutectic Al-Si, and columnar grains that tend grow epitaxially within melt pool boundaries. Crystallographic texture is present in as-built SLM parts due to the directional heat transfer during solidification. Build direction has shown to have an impactful influence on as-built specimens¿ mechanical properties, indicating structural anisotropy: 0° specimens showed superior properties to 90° specimens. At elevated temperatures, during HT1 and HT2, precipitation and coalescence of the Si particles occur, decreasing Si concentration in the Al matrix and forming equiaxed Si particles. These solution heat treatments also result in the erasing of the materials processing history, causing equiaxial growth of grains and orientation independence of the original melt pool boundaries. Also, it has been found reduction on the direction-dependence of mechanical properties in specimens subjected to HT1 and HT2. Therefore, the present study provides alternatives on controlling direction-dependence of mechanical properties of AlSi10Mg alloys fabricated by SLMMestradoMateriais e Processos de FabricaçãoMestra em Engenharia Mecânica2175/18FUNCAMPFAEPE