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.

High-strength steels manufactured via Laser Powder Bed Fusion: effect of post-process heat treatments and surface finishing on microstructure and mechanical properties

Laser Powder Bed Fusion (LPBF) permits the manufacturing of parts with optimized geometry, enabling lightweight design of mechanical components in aerospace and automotive and the production of tools with conformal cooling channels. In order to produce parts with high strength-to-weight ratio, high-strength steels are required. To date, the most diffused high-strength steels for LPBF are hot-work tool steels, maraging and precipitation-hardening stainless steels, featuring different composition, feasibility and properties. Moreover, LPBF parts usually require a proper heat treatment and surface finishing, to develop the desired properties and reduce the high roughness resulting from LPBF. The present PhD thesis investigates the effect of different heat treatments and surface finishing on the microstructure and mechanical properties of a hot-work tool steel and a precipitation-hardening stainless steel manufactured via LPBF. The bibliographic section focuses on the main aspects of LPBF, hot-work tool steels and precipitation-hardening stainless steels. The experimental section is divided in two parts. Part A addresses the effect of different heat treatments and surface finishing on the microstructure, hardness, tensile and fatigue behaviour of a LPBF manufactured hot-work tool steel, to evaluate its feasibility for automotive and racing components. Results indicated the possibility to achieve high hardness and strength, comparable to the conventionally produced steel, but a great sensitivity of fatigue strength on defects and surface roughness resulting from LPBF. Part B investigates the effect of different heat treatments on the microstructure, hardness, tensile and notch-impact behaviour of a LPBF produced precipitation-hardening stainless steel, to assess its feasibility for tooling applications. Results indicated the possibility to achieve high hardness and strength also through a simple Direct Aging, enabling heat treatment simplification by exploiting the microstructural features resulting from LPBF.

Influenza dei difetti sul comportamento a fatica della lega AlSi10Mg prodotta con Laser Powder Bed Fusion

La tesi in oggetto ha lo scopo di valutare la fattibilità di sviluppare, sulla base di dati sperimentali, un metodo previsionale per il comportamento a fatica della lega AlSi10Mg prodotta mediante Laser Powder Bed Fusion, adattabile a componenti di dimensioni qualsiasi. La lega è stata trattata con invecchiamento diretto (T5) ottimizzato per ottenere una parziale riduzione delle tensioni residue senza comprometterne la durezza. Partendo da prove di fatica a flessione rotante condotte seguendo il metodo statistico Stair-Case per la definizione della resistenza a fatica, si vuole correlare il difetto killer, ossia quello che innesca la rottura del provino, alla caratterizzazione dei difetti condotta pre-prova con tomografia computerizzata ad alta risoluzione (µCT). Il difetto killer, osservato sulle superfici di frattura, viene analizzato in termini di dimensione, posizione e forma. Contemporaneamente è stato sviluppato un metodo per l’analisi dei difetti ottenuta con µCT tale da poter identificare quelli considerati più pericolosi, sulla base dello stato tensionale del campione, di posizione e dimensione dei difetti. Inoltre, è stata eseguita una caratterizzazione microstrutturale sulle sezioni trasversali dei campioni per valutare la quantità, dimensione e forma dei difetti e confrontarla con i dati di µCT. Per mostrare la relazione tra le dimensioni del difetto killer e la resistenza a fatica è stato adottato il diagramma di Kitagawa-Takahashi, con il modello di El Haddad. Dal confronto tra le metodologie è stata riscontrata una buona correlazione tra i difetti individuati come pericolosi dai dati di µCT e quelli che hanno effettivamente portato a rottura il campione, osservati in frattografia, supportando quindi la possibilità di sviluppare un metodo previsionale del comportamento a fatica. Quantitativamente, le dimensioni dei difetti killer sono nell’intervallo 90-130 µm e si trovano ad una distanza massima dalla superficie di non oltre 250 µm.

Aspetti microstrutturali, proprietà meccaniche e ottimizzazione del trattamento termico di un acciaio inossidabile PH processato con laser powder bed fusion

L’attività di ricerca svolta in questa tesi ha riguardato gli aspetti microstrutturali, le proprietà meccaniche e l’ottimizzazione del trattamento termico di un acciaio inossidabile indurente per precipitazione processato mediante tecnologia additiva Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). I provini, realizzati presso il competence center Bi-REX (Bologna) e lavorati presso il laboratorio di Metallurgia del DIN, sono stati oggetto di vari trattamenti termici sperimentali in cui è stata fatta variare la temperatura e la durata di mantenimento in forno, al fine di identificare la combinazione ottimale di temperatura e tempo sia per la fase di solubilizzazione che di invecchiamento. Nello specifico, la scelta dei parametri di solubilizzazione e invecchiamento è stata fatta solo sulla base dei trend di durezza. Da queste attività sono stati scelti i parametri di trattamento che garantissero elevata durezza, prossima alla massima ottenibile, senza durate di invecchiamento eccessive. L'esito della sperimentazione ha permesso di ridurre sensibilmente temperatura e durata di solubilizzazione rispetto al trattamento benchmark senza penalizzazione della durezza risultante. Dopodiché è stata eseguita una caratterizzazione microstrutturale e meccanica dell’acciaio, in termini di durezza, trazione e resilienza, per confrontare il trattamento termico ottimizzato con la condizione As-Built (AB) e con il trattamento termico standard indicato dal produttore. L’elevata durezza misurata dopo invecchiamento si deve alla presenza di precipitati di rinforzo in grado di ostacolare il moto delle dislocazioni. Le prove meccaniche hanno confermato l’ottenimento di elevata resistenza a snervamento e a trazione, superiore al benchmark, ma di un basso allungamento a rottura e bassissima resilienza a causa di difetti quali porosità, mancate fusioni e spattering. Infine, lo studio delle superfici di frattura ha permesso di analizzare i meccanismi di rottura dei campioni di trazione e resilienza.

Ossidazione anodica al plasma della lega di alluminio A357 prodotta mediante Laser - Powder Bed Fusion: microstruttura e comportamento tribologico

In questo elaborato è stato analizzato il comportamento tribologico della lega di alluminio A357 realizzata tramite Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). In particolare, è stato studiato l’effetto del processo di anodizzazione ECO (ElectroChemical Oxidation) su tale lega, sia allo stato as-built che dopo trattamento termico T6R, in termini di attrito e usura a temperatura ambiente (i.e. 25°C) e a 200°C. Lo studio tribologico è stato svolto mediante prove di strisciamento non lubrificato in moto reciprocante (geometria ball-on-disc contro allumina). Nella prima parte del lavoro sono state effettuate prove a temperatura ambiente, su strati ECO a rugosità variabile, con carichi applicati nell’intervallo 1-8N. Nella seconda parte l’attività sperimentale si è invece rivolta al confronto nel comportamento tribologico della lega a 25°C e 200°C, mantenendo il carico invariato pari a 1 N e analizzando la risposta in termini di attrito e usura, sia per campioni rivestiti ECO che per campioni non rivestiti. Il rivestimento anodico ha mostrato a temperatura ambiente una maggiore resistenza ad usura quando applicato su superfici pre-lucidate, nonostante un maggiore coefficiente di attrito, dando luogo a cedimento completo ad un carico di 8 N (contro i 5 N del non lucidato). Dalla seconda fase di questo studio è invece risultato come il rivestimento ECO abbia notevolmente migliorato la resistenza ad usura rispetto al materiale non rivestito, sia a 25°C che a 200°C, mantenendo invariato il coefficiente d’attrito all’aumentare della temperatura, al contrario dei campioni A357 non rivestiti, che hanno invece manifestato un aumento del coefficiente di attrito di circa il doppio. Vale inoltre la pena notare come la pre-lucidatura ed il trattamento termico dei campioni A357 ECO siano risultati superflui in termini di comportamento tribologico; i campioni a superficie rugosa hanno dato luogo addirittura a minori coefficienti di attrito sia a 25°C che a 200°C, a parità di profondità d’usura.

Studio del comportamento meccanico e tribologico della lega AlSi10Mg prodotta mediante Laser-based Powder Bed Fusion sottoposta ad un ciclo tecnologico ottimizzato

AlSi10Mg alloy is one of the most widely used alloys for producing structural components by Laser-based Powder Fusion (L-PBF) technology due to the high mechanical and technological properties. The present work aims to characterize mechanically and tribologically the L-PBF AlSi10Mg alloy subjected to both heat treatment and surface modification cycles. Specifically, the effects of three heat treatments on the tribological and mechanical properties of the alloy were analyzed: T5 (artificial aging at 160 °C for 4 h), T6 rapid solution heat treatment (solution heat treatment at 510 °C for 1h and aging at 160 °C for 6 h), and T6 benchmark (solution heat treatment at 540 °C for 1h and aging at 160 °C for 4 h), the latter used as a benchmark. The study highlighted how the better balance between strength and ductility properties induced by the introduction of heat treatments leads to lower wear resistance and not significant variations in the friction coefficient of the alloy. The tribological and mechanical behavior of the alloy coated with two different coating structures, consisting of (i) chemical Ni (Ni-P) and (ii) Ni-P + DLC, was also evaluated. The goal was the identification of a deposition cycle such as to guarantee the optimization of the mechanical and tribological behavior of the alloy. The Ni-P coating provided good wear resistance but an increase in the coefficient of friction. In contrast, using the DLC top coating resulted in excellent tribological performance in wear resistance and friction coefficient. The samples characterized by the Ni-P + DLC multilayer coating were subsequently subjected to mechanical characterization. The results obtained highlighted problems of adhesion and incipient breaking of the material due to the different mechanical behavior of the coating, considerably reducing the mechanical performance of the alloy coated with Ni-P+DLC multilayer solution compared to the specimens in the un-coated condition.

Effetto della sabbiatura sul comportamento a fatica della lega AlSi10Mg prodotta con Laser Powder Bed Fusion e trattata termicamente

La tesi in oggetto ha lo scopo di determinare l’effetto della sabbiatura sul comportamento a fatica della lega AlSi10Mg prodotta mediante Laser Powder Bed Fusion e trattata termicamente. I parametri di processo e di trattamento termico (T5 e T6) sono stati precedentemente ottimizzati. Al fine di determinare l’effetto della sabbiatura su topografia superficiale e microstruttura dei campioni, si sono condotte molteplici analisi avvalendosi di strumenti quali profilometria, microscopia ottica ed in scansione, analisi di tensioni residue con diffrazione a raggi X e prove di durezza. Attraverso prove di fatica per flessione rotante, eseguite secondo il metodo Stair-Case per la determinazione della resistenza a fatica, e successiva caratterizzazione delle superfici di frattura si vuole correlare il difetto killer, ossia quello responsabile del cedimento per fatica, alle caratteristiche morfologiche e microstrutturali. Il difetto killer viene caratterizzato in termini di dimensione e distanza dalla superficie e per mostrare la relazione fra la dimensione del difetto killer e la resistenza a fatica si adotta il diagramma di Kitagawa-Takahashi con modellazione di Murakami ed EL Haddad. Si è evidenziato che tutti i difetti killer sono riconducibili a lack-of-fusion con dimensione superiore ai 100 μm ad una profondità compresa fra i 150 e i 200 μm, indipendentemente dal trattamento termico o meccanico applicato. In termini di fatica si osserva che il trattamento T6 conferisce al materiale migliori proprietà rispetto a quello T5. Il processo di sabbiatura, confrontato con quello di lucidatura superficiale, ha portato a miglioramenti in termini di durezza e tensioni residue di compressione, ma si è rivelato quasi ininfluente sulla resistenza a fatica. Sulla base di quanto sopra, si conferma la possibilità di applicazione della sabbiatura in ambito industriale a componenti meccanici, anche in sostituzione della lucidatura, ottenendo un beneficio anche economico.

Endocytosis Of Tight Junctions Caveolin Nitrosylation Dependent Is Improved By Cocoa Via Opioid Receptor On Rpe Cells In Diabetic Conditions.

Retinal pigment epithelium cells, along with tight junction (TJ) proteins, constitute the outer blood retinal barrier (BRB). Contradictory findings suggest a role for the outer BRB in the pathogenesis of diabetic retinopathy (DR). The aim of this study was to investigate whether the mechanisms involved in these alterations are sensitive to nitrosative stress, and if cocoa or epicatechin (EC) protects from this damage under diabetic (DM) milieu conditions. Cells of a human RPE line (ARPE-19) were exposed to high-glucose (HG) conditions for 24 hours in the presence or absence of cocoa powder containing 0.5% or 60.5% polyphenol (low-polyphenol cocoa [LPC] and high-polyphenol cocoa [HPC], respectively). Exposure to HG decreased claudin-1 and occludin TJ expressions and increased extracellular matrix accumulation (ECM), whereas levels of TNF-α and inducible nitric oxide synthase (iNOS) were upregulated, accompanied by increased nitric oxide levels. This nitrosative stress resulted in S-nitrosylation of caveolin-1 (CAV-1), which in turn increased CAV-1 traffic and its interactions with claudin-1 and occludin. This cascade was inhibited by treatment with HPC or EC through δ-opioid receptor (DOR) binding and stimulation, thereby decreasing TNF-α-induced iNOS upregulation and CAV-1 endocytosis. The TJ functions were restored, leading to prevention of paracellular permeability, restoration of resistance of the ARPE-19 monolayer, and decreased ECM accumulation. The detrimental effects on TJs in ARPE-19 cells exposed to DM milieu occur through a CAV-1 S-nitrosylation-dependent endocytosis mechanism. High-polyphenol cocoa or EC exerts protective effects through DOR stimulation.

A pilot study of topiramate in children with Lennox-Gastaut syndrome

We conducted an open, add-on study with topiramate (TPM) as adjunctive therapy in Lennox-Gastaut syndrome (LGS), to assess the long-term efficacy and safety and to evaluate quality of life (QL) measurements in the chronic use of TPM. We studied 19 patients (11 male; age ranging from 4 to 14 years) with uncontrolled seizures receiving 2-3 anti-epileptic drugs. Patients were followed up to 36 months of treatment. A questionnaire was used to query parents about QL. Seven patients completed the study at 36 months and seizure frequency was reduced > 75% in 4, and < 50% in 3 patients. Two children became seizure free for more than 24 months. Most side effects were CNS related, with the most frequent being somnolence and anorexia. These were generally transient. One patient dropped-out due to powder in the urine. None of the patients required hospitalization. At 36 months, patients' alertness (2/7), interaction with environment (5/7), ability to perform daily activities (5/7), and verbal performance (6/7) improved on TPM. We conclude that TPM may be useful as adjunctive therapy in the treatment of LGS. The efficacy of TPM was maintained in long-term treatment in more than 40% of patients, long term safety was confirmed and QL improved on TPM.

Effect of repeated disinfections by microwave energy on the physical and mechanical properties of denture base acrylic resins

The present study evaluated the effect of repeated simulated microwave disinfection on physical and mechanical properties of Clássico, Onda-Cryl and QC-20 denture base acrylic resins. Aluminum patterns were included in metallic or plastic flasks with dental stone following the traditional packing method. The powder/liquid mixing ratio was established according to the manufacturer's instructions. After water-bath polymerization at 74ºC for 9 h, boiling water for 20 min or microwave energy at 900 W for 10 min, the specimens were deflasked after flask cooling and finished. Each specimen was immersed in 150 mL of distilled water and underwent 5 disinfection cycles in a microwave oven set at 650 W for 3 min. Non-disinfected and disinfected specimens were subjected to the following tets: Knoop hardness test was performed with 25 g load for 10 s, impact strength test was done using the Charpy system with 40 kpcm, and 3-point bending test (flexural strength) was performed at a crosshead speed of 0.5 mm/min until fracture. Data were analyzed statistically by ANOVA and Tukey's test (α= 0.05%). Repeated simulated microwave disinfections decreased the Knoop hardness of Clássico and Onda-Cryl resins and had no effect on the impact strength of QC-20. The flexural strength was similar for all tested resins.

Fontes de metionina em rações formuladas com base em aminoácidos totais ou digestíveis para frangas de reposição leves e semipesadas

Foram conduzidos dois experimentos com o objetivo de avaliar a utilização de duas fontes de metionina (em pó ou líquida) em rações formuladas com base em aminoácidos digestíveis ou totais para frangas de reposição leves e semipesadas, nas fases inicial (de 1 a 6 semanas de idade) e de crescimento (de 11 a 16 semanas de idade). Em cada experimento, foram utilizadas 384 aves distribuídas em delineamento inteiramente ao acaso, em esquema fatorial 2 × 2 × 2, composto de duas linhagens (Hy-Line W36 e Hy-Line Brown), duas fontes de metionina (HMTBA - 88% e DL-Metionina - 99%) e dois critérios de formulação da dieta (aminoácidos totais e digestíveis), totalizando oito tratamentos, cada um com seis repetições de oito aves. Foram avaliados os consumos de ração, proteína bruta e energia metabolizável, o peso e ganho de peso corporal e a conversão alimentar das aves. Não houve interação entre os fatores para nenhuma das variáveis estudadas. As aves da linhagem Brown apresentaram maior consumo de ração, peso corporal e ganho de peso. As fontes de metionina e os critérios de formulação de ração não influenciaram as características de desempenho. As aves das linhagens W36 e Brown da linhagem Hy-Line apresentam diferentes perfis de desenvolvimento corporal. A metionina em pó (DL-metionina - 99%) ou a líquida (HMTBA - 88%), assim como os critérios de formulação de ração (aminoácidos totais ou digestíveis) proporcionam desempenho semelhante em aves de reposição.

EPR and magnetic studies of a carboxylate-bridged dinuclear copper(II) compound: [cu2(flu)4(dmf)2]

We report magnetic and EPR (electron paramagnetic resonance) spectroscopy studies of [Cu2(flu)4(dmf)2] (flu = flufenamate and dmf = dimethylformamide), which has CuII ions in tetracarboxylate "paddle wheel" dinuclear units. Susceptibility measurements at 10 < T < 275 K allowed the evaluation of an antiferromagnetic intradinuclear exchange coupling J0 = -294 ± 5 cm-1 between CuII ions (Hex = "J0 S1·S2). EPR experiments at 300 K in powder and single-crystals at 9.5 and 34.4 GHz indicated g// = 2.373, g⊥ = 2.073 and zero field splitting parameters D = (-0.334 ± 0.001) cm"1 and E ca. 0. EPR signal intensity measurements at X-band in the range 4 < T < 295 K indicated that J0 = "283 ± 5 cm"1. A higher limit |J´| < 5×10-3 cm-1 for the interdinuclear exchange coupling between neighbor units at ca.14.24 Å was estimated from the angular variation of the single crystal spectra around the magic angles. The results are discussed in terms of the structure of the dinuclear unit and the bridges connecting CuII ions and compared with values reported for similar compounds.

Synthesis of Fe/Ti oxides from a single source alkoxide precursor under inert atmosphere

The heterometal alkoxide [FeCl{Ti2(OPr i)9}] (1) was employed as a single source precursor for the preparation of Fe/Ti oxides under inert atmosphere. Three different synthetic procedures were adopted in the processing of 1, either employing aqueous HNO3 or HCl solutions, or in the absence of mineral acids. Products were characterised by powder X-ray diffractometry, scanning electron microscopy combined with energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM/EDS) and Raman, electron paramagnetic resonance (EPR) and Mössbauer spectroscopies. Oxide products contained titanium(IV) and either iron(III) or iron(II), depending on reaction conditions and thermal treatment temperatures. An interesting iron(III)→iron(II) reduction was observed at 1000 ºC in the HNO3-containing system, leading to the detection of ilmenite (FeTiO3). SEM/EDS studies revealed a highly heterogeneous metal distribution in all products, possibly related to the presence of a significant content of carbon and of structural defects (oxygen vacancies) in the solids.

Obtaining high purity silica from rice hulls

Many routes for extracting silica from rice hulls are based on direct calcining. These methods, though, often produce silica contaminated with inorganic impurities. This work presents the study of a strategy for obtaining silica from rice hulls with a purity level adequate for applications in electronics. The technique is based on two leaching steps, using respectively aqua regia and Piranha solutions, which extract the organic matrix and inorganic impurities. The material was characterized by Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), powder x-ray diffraction (XRD), x-ray fluorescence (XRF), scanning electron microscopy (SEM), particle size analysis by laser diffraction (LPSA) and thermal analysis.

Eletrodo compósito à base de grafite-araldite®: aplicações didáticas

A composite electrode prepared by mixing a commercial epoxy resin Araldite® and graphite powder is proposed to be used in didactic experiments. The electrode is prepared by the students and applied in simple experiments to demonstrate the effect of the composite composition on the conductivity and the voltammetric response of the resulting electrode, as well as the response in relation to the scan rate dependence on mass transport. The possibility of using the composite electrode in quantitative analysis is also demonstrated.