Characterization and Testing of Additive Manufactured Ni-Al-bronze and Tool Steel Multi-material

Abstract

Additiv produksjon er en lag-for-lag-produksjonsprosess som benytter en DAK-modell (Dataassistert Konstruksjon) til å produsere komplekse deler med høye ytelsesegenskaper samtidig som vekten re- duseres, noe som gir kostnadseffektivitet. I løpet av de siste tiårene har bruken av additivt fremstilte deler økt i ulike bransjer, fra flykomponenter til bildeler. I årenes løp har det dukket opp en rekke metoder for additiv produksjon, der de to hovedkategoriene er "Powder Bed Fusion (PBF)" og "Direct Energy Deposition (DED)". I dette prosjektet ble DED valgt som metode for å fullføre produksjonen av multimaterialdeler. Målet med dette prosjektet er å bruke "Laser Metal Deposition (LMD)", en DED-teknikk, til å trykke deler i flere materialer. De to materialene som er valgt for dette prosjektet, er verktøystål og kobber- legeringen nikkel-aluminium-bronse. Verktøystålet gir en utmerket kombinasjon av hardhet, seighet og slitestyrke. Nikkelaluminiumbronse er tilsatt for å optimalisere ytelsen og gi en kombinasjon av egen- skaper som kan være et økonomisk alternativ til andre typer legeringer. På grunn av sin utmerkede slitestyrke og korrosjonsbestandighet har nikkelaluminiumbronse et bredt bruksområde i den maritime industrien, som produksjon av propeller og ventiler i olje- og gassindustrien. Målet med dette prosjektet var å undersøke prosessparametrenes innvirkning på oppnåelsen av en feil- fri avsetning av multimaterialer. Optimaliseringen av prosessparametrene ble utført gjennom eksperi- menter med flerlagsdeponering, som deretter ble analysert ved hjelp av lysmikroskopi, skanning elektron- mikroskopi og en porøsitetsanalyse. Videre ble det utført strekktester og hardhetsmålinger for å fastslå hvordan de valgte prosessparameterne påvirket de mekaniske egenskapene og dannelsen av defekter i det deponerte materialet. Karakteriseringen av mikrostrukturen i materialene ved hjelp av lysoptisk mikroskopi og skanning elek- tronmikroskopi viste at nikkelaluminiumbronse inneholdt ulike κ-faser, som er ansvarlige for materialets strekkfasthet. Det additivt fremstilte materialet hadde høy tetthet, med en tetthet på 99%, og utmerkede mekaniske egenskaper uten bruk av varmebehandling. 3D printet verktøystålet hadde mekaniske egenskaper som kan sammenlignes med egenskapene til smidd verktøystål. De oppnådde egenskapene for verktøystålet viser høy styrke, mens NAB har lav styrke og høye duktilitetsverdier.

Additive manufacturing is a layer-by-layer manufacturing process, that utilizes a Computer Aided Design (CAD) model to produce complex parts with high-performance properties while simultaneously reducing weight, which is beneficial for cost savings. Over the past few decades, the implementation of additive manufactured parts has grown across various industries, from aircraft components to car parts. Over the years, numerous additive manufacturing methods have emerged, with the two primary categories being Powder Bed Fusion (PBF) and Direct Energy Deposition (DED). The chosen method for this project was DED, to complete the manufacturing of multi-material parts. The objective of this project is to employ Laser Metal Deposition (LMD) a DED technique, to perform printing of multi-material parts. The two materials selected for this project are Tool Steel and Copper alloy Nickel Aluminum Bronze. The tool steel offers an excellent combination of wear resistance, hard- ness, and toughness. Nickel Aluminum Bronze has been added to optimize performance and provide a combination of properties that can offer an economic alternative to other type of alloys. Due to its excellent wear resistance and corrosion resistance, Nickel Aluminium Bronze has a wide range of ap- plications in the maritime industry, such as the production of propellers and valves in the oil and gas industry. The objective of this project was to investigate the impact of process parameters on the achievement of a flawless deposition of multi-material. The optimization of the process parameters was conducted through experiments of multi-layer deposition, which were subsequently analyzed using light microscopy, scanning electron microscopy, and a porosity analysis. Furthermore, tensile tests and hardness mea- surements were conducted in order to ascertain the influence of the selected process parameters on the mechanical properties and the formation of defects in the deposited material. From the characterization done on the microstructure of the materials with the use of light optical microscopy, and scanning electron microscopy, the presence of various κ-phases in the Nickel Aluminium Bronze was observed, which are responsible for the tensile ductility of the material. The additive-manufactured material exhibited high density, achieving a density of 99% and displaying excellent mechanical properties without the use of any heat treatment. The AM tool steel exhibited mechanical properties comparable to those of wrought tool steel. The achieved properties for tool steel demonstrate high strength, while NAB exhibits low strength- high ductility values.