Residual Stresses in Metal Additive Manufacturing

Abstract

A fusão seletiva a laser (SLM) é uma das mais usadas técnicas de fabrico aditivo de peças metálicas. A nível industrial a sua aplicação é ainda limitada devido aos elevados gradientes de temperatura e densificação limitada, que levam ao aparecimento de tensões residuais.Nesta dissertação foram analisadas amostras produzidas por SLM, com dois materiais diferentes (aço maraging AISI 18NI300 e aço inoxidável austenítico AISI 316L) e com geometrias diferentes. Além da caracterização microestrutural das amostras procedeu-se à análise do estado de tensões residuais na superfície e no interior das amostras, usando a técnica de difração de raios X e o método do furo incremental. Esta análise foi efetuada em dois momentos distintos, após a produção das peças, quando elas ainda se encontravam ligadas ao tabuleiro metálico onde foram produzidas, e após sua a separação do tabuleiro. Procedeu-se também à quantificação de austenite residual nas amostras de aço maraging.No estudo da distribuição de tensões residuais na superfície das amostras, para o aço AISI 316L apenas se registaram valores de tensões residuais de tração, enquanto para o aço AISI 18Ni300 na superfície do topo as tensões residuais são de tração, mas nas superfícies laterais e nas bases existem valores de tensões residuais de compressão. Em profundidade, as tensões residuais determinadas para o aço AISI 316L apresentam valores de tensões residuais de tração, enquanto que para o aço AISI 18Ni300 determinaram-se valores de tensões residuais de compressão e de tração.

Selective laser melting (SLM) is a powder bed based additive manufacturing(AM) process and is one of the most established techniques applied in the fabrication of functional parts from metal powders. However, one of the problems with its application in the industry is the presence of residual stresses. These are a consequence of the high temperature gradients and the densification ratio, both of which are innate of this process. The experimental work developed in this dissertation had the goal of characterising SLM samples produced with two different materials (AISI 18Ni300 and AISI 316L) and with different geometries. A microstructural characterization was made and for the AISI 18Ni300 a study on the quantification of retained austenite was done. The analysis of the residual stresses was made through X-ray diffraction and incremental hole drilling method. This analysis was made with samples still connected to the metallic build plate and after the removal of the samples from the metallic build plate.In the study of the residual stresses at the surface, for the AISI 316L only tensile residual stress values were recorded, while for the AISI 18Ni300 the top surface has tensile residual stresses but, on the lateral surfaces and the bases the residual stresses are mostly compressive.In-depth, the residual stress distribution determined by the two methods, only shows tensile residual stress values for the AISI 316L, while, for the AISI 18Ni300 both compressive and tensile residual stress values were determined.