Optimization of an innovative T6 heat treatment for the AlSi10Mg alloy processed by Laser-based Powder Bed Fusion: effect on microstructure, mechanical properties, and tribological behavior

Laser-based Powder Bed Fusion (L-PBF) technology is one of the most commonly used metal Additive Manufacturing (AM) techniques to produce highly customized and value-added parts. The AlSi10Mg alloy has received more attention in the L-PBF process due to its good printability, high strength/weight ratio, corrosion resistance, and relatively low cost. However, a deep understanding of the effect of heat treatments on this alloy's metastable microstructure is still required for developing tailored heat treatments for the L-PBF AlSi10Mg alloy to overcome the limits of the as-built condition. Several authors have already investigated the effects of conventional heat treatment on the microstructure and mechanical behavior of the L-PBF AlSi10Mg alloy but often overlooked the peculiarities of the starting supersatured and ultrafine microstructure induced by rapid solidification. For this reason, the effects of innovative T6 heat treatment (T6R) on the microstructure and mechanical behavior of the L-PBF AlSi10Mg alloy were assessed. The short solution soaking time (10 min) and the relatively low temperature (510 °C) reduced the typical porosity growth at high temperatures and led to a homogeneous distribution of fine globular Si particles in the Al matrix. In addition, it increased the amount of Mg and Si in the solid solution available for precipitation hardening during the aging step. The mechanical (at room temperature and 200 °C) and tribological properties of the T6R alloy were evaluated and compared with other solutions, especially with an optimized direct-aged alloy (T5 alloy). Results showed that the innovative T6R alloy exhibits the best mechanical trade-off between strength and ductility, the highest fatigue strength among the analyzed conditions, and interesting tribological behavior. Furthermore, the high-temperature mechanical performances of the heat-treated L-PBF AlSi10Mg alloy make it suitable for structural components operating in mild service conditions at 200 °C.

Comportamento tribologico di materiali per componenti di interesse industriale: Failure analysis e prove tribologiche in laboratorio

L’attività di ricerca della presente tesi di dottorato ha riguardato sistemi tribologici complessi di interesse industriale per i quali sono stati individuati, mediante failure analysis, i meccanismi di usura dominanti. Per ciascuno di essi sono state studiate soluzioni migliorative sulla base di prove tribologiche di laboratorio. Nella realizzazione di maglie per macchine movimentazione terra sono ampiamente utilizzati i tradizionali acciai da bonifica. La possibilità di utilizzare i nuovi microlegati a medio tenore di carbonio, consentirebbe una notevole semplificazione del ciclo produttivo e benefici in termini di costi. Una parte della tesi ha riguardato lo studio del comportamento tribologico di tali acciai. E’ stato anche affrontato lo studio tribologico di motori idraulici, con l’obiettivo di riuscire a migliorarne la resistenza ad usura e quindi la vita utile. Sono state eseguite prove a banco, per valutare i principali meccanismi di usura, e prove di laboratorio atte a riprodurre le reali condizioni di utilizzo, valutando tecniche di modificazione superficiale che fossero in grado di ridurre l’usura dei componenti. Sono state analizzate diverse tipologie di rivestimenti Thermal Spray in termini di modalità di deposizione (AFS-APS) e di leghe metalliche depositate (Ni,Mo,Cu/Al). Si sono infine caratterizzati contatti tribologici nel settore del packaging, dove l’utilizzo di acciai inox austenitici è in alcuni casi obbligatorio. L’acciaio inossidabile AISI 316L è ampiamente utilizzato in applicazioni in cui siano richieste elevate resistenze alla corrosione, tuttavia la bassa resistenza all’usura, ne limitano l’impiego in campo tribologico. In tale ambito, è stata analizzata una problematica tribologica relativa a macchine automatiche per il dosaggio di polveri farmaceutiche. Sono state studiate soluzioni alternative che hanno previsto sia la completa sostituzione dei materiali della coppia tribologica, sia l’individuazione di tecniche di modificazione superficiale innovative quali la cementazione a bassa temperatura anche seguita dalla deposizione di un rivestimento di carbonio amorfo idrogenato a-C:H