Karakterisering av mikrostruktur og mekaniske egenskaper til selektiv lasersmeltet AlSi10Mg og AlSi7MgCuHf, direkte på en AlSi7MgCu støpelegering

Abstract

Selektiv lasersmelting (SLS) er en av flere metoder under additiv tilvirkning. Produktet bygges ved at en laser smelter pulverpartikler sammen lag for lag. Til forskjell fra de konvensjonelle metodene som støping, ekstrudering og smiing, kan SLS produsere ønsket geometri ved å legge til materiale i stedet for å fjerne ved maskinell bearbeiding. Ubegrensede muligheter innen design, kombinert med gode mekaniske egenskaper, har gjort SLS svært ettertraktet innen f.eks. fly-, forsvars- og bilindustrien.

I denne masteroppgaven ble to pulverlegeringer, AlSi10Mg og AlSi7MgCuHf, selektiv lasersmeltet direkte på et substrat bestående av AlSi7MgCu støpelegering. Sluttproduktet (SLSproduktet) bestod av de tre områdene: laserbygd del, substrat og grensesjiktet mellom dem. Substratene hadde i forkant av laserprintingen to tilstander: støpt, og inn- og utherdet ved romtemperatur (T4). Det ble produsert flere SLS-produkter, hvor noen av de ble varmebehandlet, og resten forble i «som bygd» tilstand. Hensikten med oppgaven var å studere hvilken effekt laserprinting direkte på et substrat hadde på mekaniske egenskaper. Deretter studere forskjellen mellom AlSi10Mg og AlSi7MgCuHf, med tanke på mikrostruktur og mekaniske egenskaper. I tillegg undersøke hvilken varmebehandling som ga de beste mekaniske egenskapene. Prøvene ble karakterisert i lysmikroskop, skanning elektronmikroskop, mikrosonde og ved differensiell skannekalorimetri. De mekaniske egenskapene ble karakterisert i form av hardhets- og strekktesting.

Resultatene viser at SLS-produktene gir positive resultater ved strekktesting. Dette ved at bruddet går konsekvent i substratet, og ikke i grensesjiktet eller laserbygd del. Dette tilsier at grensesjiktet ikke er det svakeste leddet i SLS-produktet, og at eventuelle introduserte materialfeil som porer og bindefeil i bygd del, ikke medfører drastisk reduksjon i strekk- eller hardhetsegenskapene. Det ideelle SLS-produktet med tanke på hardhet, består av bygd del av AlSi7MgCuHf på «som støpt» substrat (AlSi7MgCu), der hele produktet er inn- og utherdet. Med tanke på fasthet, består det ideelle SLS-produktet av bygd del av AlSi7MgCuHf på substrat i T4tilstand, der hele produktet er direkte utherdet. Det mest duktile SLS-produktet består av AlSi10Mg bygd på substrat i T4-tilstand, der hele produktet er direkte utherdet. Hf gir kornforfinende effekt på mikrostrukturen i bygd del.

Selective laser melting (SLM) is one of many additive manufacturing methods. The product is built layer by layer, using a laser that melts metal powder particles. Different from conventional methods such as casting, extrusion, and forging, SLM adds material to make up a part instead of subtracting the material to achieve wanted geometry. Unlimited design possibilities combined with high mechanical properties has made SLM highly relevant in e.g. aviation, defense, and automotive industry.

In this master thesis two powders consisting of, AlSi10Mg and AlSi7MgCuHf, were selectively laser melted onto a substrate of a casting alloy, AlSi7MgCu. The finished product (SLM-product) consisted of three areas: laser-built part, substrate, and the interface between them. The substrates had two different conditions in advance of SLM, “as cast” and solution heat-treated with subsequently naturally aging at room temperature (T4). Several SLM-products were produced. Some of them were heat-treated, while the rest were used in “as-built” condition. This thesis aimed to study which effect laser printing directly onto a substrate had on mechanical properties. Further, investigate the differences between AlSi10Mg and AlSi7MgCuHf regarding microstructure and mechanical properties. In addition, study which heat-treatment gave the best mechanical properties. The samples were characterized by light microscope, scanning electron microscope, microprobe, and differential scanning calorimetry. The mechanical properties were tested by hardness and tensile testing.

Tensile testing of the SLM-product gave positive results. The fracture occurs in the substrate-part of the SLM-product, and not at the interface or in the built part. This indicates that the interface is not the weakest part of the SLM-product, and that neither introduced material defects in the built part lead to a reduction in either hardness or tensile properties. The ideal SLMproduct regarding hardness consists of AlSi7MgCuHf built on a substrate in as-cast condition, where the entire product is solution heat-treated and artificially aged. Regarding tensile strength, the ideal SLM-product consists of AlSi7MgCuHf built on a substrate in T4-condition, where the entire product is aged. Regarding ductility, the ideal SLM-product consists of AlSi10Mg built on a substrate in T4-condition, where the entire product is artificially aged. Hf has a grain-refining effect on the microstructure in laser-built part.