Fatigue behaviour of maraging steel components built by selective laser melting

Abstract

Selective Laser Melting (SLM) is a 3D Printing technology, being one of the most known and preferred by the industry to build complex geometric parts, using 100% metal powder, and being a process virtually free from contaminations. As a relatively recent way of processing metals, it has been used to produce parts for the medical field (namely prosthesis), for the aeronautical industry (turbine blades), and conformal cooling inserts in the tooling industry, among others. It has even been used to build critical parts, to repair damaged or worn-down components, even if they are made in different metal alloys, obtaining a “hybrid part”. In this case, the metal alloy used in the SLM process is the AISI 18Ni300. Due to its mechanical properties, it is commonly applied in mechanical and structural components, as well as in tooling applications. It was one of the first steel alloys used by the SLM technology, not only, but also due to its low carbon content in its composition, reducing the risk of a crack arising during the processing of the material in a “cold process”. Due to these facts, it is fundamental to understand the technology and the expected mechanical properties of the produced/built parts.The tensile behaviour was studied to assess the laser scan speed (200, 400 and 600 mm/s) influence on the achieved porosity and the mechanical properties. The best results were achieved for the scan speed of 200 mm/s.Fatigue endurance was assessed using the common S-N curves and cylindrical “bone-shaped” specimens for components obtained by SLM and hybrids (printed or SLMed on top of a substrate with a different metal alloy), tested under constant amplitude load and strain control, and under variable amplitude load by blocks.Fatigue crack growth endurance was analysed using CT specimens obtained by SLM and hybrids, under different stress ratios (R= 0.05, 0.3 and 0.6). The Paris law constants (C and m) were determined, and the “crack closure” phenomenon under constant amplitude loads and for single or by blocks overloads was also studied.The influence of the heat treatment was analysed, including its impact on the microstructure and the fatigue crack growth rates, and also on the effect of the overloads. The fracture mechanisms were studied, using scanning electron microscopy to analyse the fracture surfaces.

A Fusão Seletiva por Laser (SLM) é uma tecnologia de impressão 3D, sendo uma das mais conhecidas e preferenciais pela indústria para construir peças com geometria complexa, utilizando pós 100% metálicos, e sendo um processo virtualmente livre de contaminações. Como forma relativamente recente de processar metais, tem sido utilizada para produzir peças no campo médico (nomeadamente próteses), na indústria aeronáutica (pás de turbina), postiços com refrigeração conformada na indústria das ferramentas, entre muitas outras. Tem sido utilizada até para construir peças críticas, para reparar componentes danificados/desgastados, mesmo se feitos em ligas metálicas diferentes, obtendo-se uma “peça híbrida”. Neste caso, a liga metálica utilizada no processo de SLM é a AISI 18Ni300. Devido às suas propriedades mecânicas, é usualmente aplicada em componentes mecânicos e estruturais, bem como em ferramentas. Foi uma das primeiras ligas de aço a ser utilizada pela tecnologia de SLM, não só, mas também devido ao seu baixo teor de carbono na sua composição, reduzindo o risco de surgir uma fenda durante o processamento do material num “processo a frio”. Devido a estes factos, é fundamental compreender a tecnologia e as propriedades mecânicas esperadas das peças produzidas/construídas.Foi estudado o comportamento à tração para avaliar a influência da velocidade de varrimento do laser (200, 400 e 600 mm/s) na porosidade obtida e nas propriedades mecânicas. Os melhores resultados foram obtidos para a velocidade de varrimento de 200 mm/s.A resistência à fadiga foi estudada recorrendo às tradicionais curvas S-N e a provetes cilíndricos em forma de “osso” para componentes obtidos por SLM e híbridos (imprimido/SLMed no topo de um substrato de liga metálica diferente), ensaiados com controlo de carga e deformação a amplitude constantes, e com carregamentos a amplitude variável por blocos.A resistência à propagação de fendas de fadiga foi analisada usando provetes CT obtidos por SLM e híbridos, sob diferentes razão de tensão (R= 0,05, 0,3 e 0,6). Foram determinadas as constantes da lei de Paris (C e m) e estudado o fenómeno de “fecho de fenda” para solicitações de amplitude constante e também para sobrecargas únicas ou na forma de blocos.A influência do tratamento térmico foi analisada, incluindo o seu impacto na microestrutura e nas velocidades de propagação de fenda, e também no efeito das sobrecargas. Os mecanismos de rotura foram estudados, analisando por microscopia eletrónica de varrimento as superfícies de fratura.