Additive manufacturing of AISI 410l stainless steel by the laser directed energy deposition: parametrization and effect of heat-treatment on mechanical, tribological and corrosion performance

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Sousa, Jurandir Marcos Sá de
Orientador(a): Pereira, Milton
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Não Informado pela instituição
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Link de acesso: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/269074
Resumo: Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2025.
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spelling Universidade Federal de Santa CatarinaSousa, Jurandir Marcos Sá dePereira, Milton2025-09-26T23:29:22Z2025-09-26T23:29:22Z2025393895https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/269074Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2025.Devido às suas propriedades, os aços inoxidáveis martensíticos (AIM) são aplicados nas indústrias de cutelaria, mineração, ferroviária e óleo & gás. Processos de fundição, conformação e laminação são usados para fabricar estes componentes. No entanto, a manufatura aditiva (MA) vem permitindo fabricar geometrias customizadas, sob demanda, explorar ligas de difícil usinabilidade/soldabilidade, fabricar peças quase acabadas e reduzir problemas logísticos. Entre os processos de MA, a deposição de energia direcionada a laser (DED-L) traz estas vantagens aliadas às características da radiação laser, permitindo a fabricação de componentes de alta densidade e microestrutura refinada. No entanto, estes aços possuem processabilidade complexa devido à natureza frágil da martensita. Os ciclos térmicos rápidos do DED-L são um agravante. Pode ocorrer nucleação de trincas, modificação na composição química, precipitação de fases frágeis, e perda de desempenho. Nesse contexto, os AIM ainda são pouco processados por MA DED-L. Entretanto, realizando uma parametrização adequada, e tomando os cuidados durante a fabricação e pós-tratamento térmico (TT), é factível a obtenção de componentes de AIM por MA DED-L livres de defeitos, com propriedades mecânicas, performance tribológica e resistência à corrosão compatíveis as técnicas convencionais. Os AIM de baixo teor de C podem ser uma alternativa, pois fornecem um conjunto de propriedades comparáveis aos de alto teor de C e possuem processabilidade mais simples. Nesse contexto, a presente tese de doutorado investiga uma rota completa de processamento do AIM de baixo teor de C (0,01 % em peso) AISI 410L por MA DED-L. Foram experimentadas janelas de parâmetros e rotas de tratamento térmico para garantir peças multicamadas com propriedades compatíveis ao AISI 410 de maior teor de C (0,15 % em peso) obtido a partir de processos tradicionais de conformação e laminação a quente. Foi empregado um planejamento de experimentos, baseado em etapas de cordões simples, camadas simples e cubos multicamadas, para identificar as principais janelas de parâmetros DED-L (diâmetro de feixe, taxa de alimentação de pó, potência do laser, velocidade de varredura, sobreposição entre cordões, e sobreposição entre camadas), visando atender aos critérios de aceitação estabelecidos em duas parametrizações, identificadas como produção (PRO) e resolução (RES). A primeira é destinada a taxas de deposição maiores e peças mais simples e volumosas, enquanto a segunda é dedicada a taxas de deposição menores e componentes de geometrias mais complexas. Os resultados foram analisados em termos de ausência de defeitos, geometria, densidade, microestrutura, dureza, resistência mecânica, tenacidade ao impacto Charpy, ensaio tribológico linear reciprocante de esfera sobre plano com deslizamento em meio seco e corrosão eletroquímica por polarização potenciodinâmica. Foram avaliadas quatro rotas de TT em um conjunto de amostras MA DED-L fabricadas com os parâmetros otimizados de PRO. O tratamento térmico que exerceu maior influência na microestrutura, dureza, resistência à tração e tenacidade ao impacto Charpy da condição como fabricada (CF), foi usado para tratar termicamente metade das amostras. Assim, o desempenho das amostras fabricadas com as duas parametrizações (PRO e RES) e dois estados (CF e TT) foi comparado ao material de referência (substrato como-recebido, SUB-CR). Os resultados sugerem a robustez de ambos os parâmetros DED-L otimizados, pois as amostras ficaram livres de defeitos e exibiram alta densidade. A microestrutura foi formada por matriz ferrítica com martensita na forma de ripas concentradas nos contornos de grão, devido ao resfriamento rápido imposto pelo processamento a laser e ao baixo teor de C do AISI 410L. A microestrutura mais refinada do parâmetro de RES lhe proporcionou maior dureza, performance mecânica, tribológica e à corrosão. O tratamento térmico se mostrou essencial apenas quando é requerida maior tenacidade.Abstract: Owing to their properties, martensitic stainless steels (MSS) are applied in cutlery, mining, railways, and the oil & gas industry. Casting, wrought, and rolling processes are used to manufacture these components. However, additive manufacturing (AM) techniques are emerging, offering the possibility of manufacturing customized geometries, on-demand, exploring alloys of poor machinability/weldability, near-net shaping parts, and reducing logistical issues. Among the AM processes, laser directed energy deposition (AM L-DED) stands out, which brings advantages, combined with the laser light features, enabling the manufacture of components with high density and refined microstructure. However, MSSs have complex processability conferred by the brittle martensitic nature. L-DED fast thermal cycles are a troublesome factor. Cracks, chemical composition modification, brittle phase precipitation, and properties depletion can be generated. In this context, the MSS processing by AM L-DED is still poorly explored in the literature. However, with an adequate route of L-DED parametrization, manufacturing, and post heat-treatment (PHT), it may be possible to find conditions that allow obtaining AM L-DED MSS components free from defects, with mechanical properties, tribological performance, and corrosion resistance compatible with this steel grade when processed by conventional techniques. Moreover, low C-content MSS can be a useful substitute since they provide a property set comparable to higher C-content MSS and are easier to process. In this context, the present doctoral thesis aims to investigate a full processing route of the low C-content (0.01 wt.%) AISI 410L MSS by AM L-DED. To achieve this, parameter windows of the process, and a post heat-treatment route were searched to ensure the obtention of multilayer parts with aspects aligned and/or superior to the high C-content AISI 410 (0.15 wt.%), obtained from traditional wrought and hot-rolled processes. First, a design of experiments (DoE) was employed, based on stages of single beads, single layers, and multilayer cubes, to identify the main L-DED parameter windows (spot size, powder feedrate, laser power, travel speed, hatch spacing, and layer height), aiming to meet the established acceptance criteria in two L-DED parameterizations, named production (PRO) and resolution (RES). The first is intended for greater deposition rates and manufacturing bulkier parts, while the second is dedicated to lower deposition rates, more complex, and thinner components. Results from these stages were analyzed in terms of defects absence, geometry, density, microstructure, hardness, mechanical strength, Charpy impact toughness, dry-sliding linearly reciprocating ball-on-flat tribological test, and electrochemical corrosion by the potentiodynamic polarization method. Four PHT routes were applied to a set of samples manufactured with the optimized parameters from PRO DoE. The PHT route that showed the most significant influence on the microstructure and mechanical properties of hardness, tensile strength, and Charpy impact of the as-built (AB) condition was employed to heat-treat half of the samples. Thus, the performance of samples manufactured with two L-DED parameters (PRO and RES), and two states (AB and PHT), was benchmarked to the reference material (as-received substrate, SUB-AR). The results suggest the robustness of both optimized L-DED parameters, as the samples were free of deleterious defects and exhibited high density. The microstructure was formed by a ferritic matrix with martensite laths concentrated at the grain boundaries, due to the laser fast cooling, and the low C-content of AISI 410L. The more refined microstructure of the RES parameter provided higher hardness, mechanical strength, tribological performance, and corrosion resistance. PHT proved essential only when higher toughness is required.172 p.| il., gráfs.engEngenharia mecânicaAço inoxidávelManufatura aditivaAdditive manufacturing of AISI 410l stainless steel by the laser directed energy deposition: parametrization and effect of heat-treatment on mechanical, tribological and corrosion performanceinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccessORIGINALPEMC2433-T.pdfPEMC2433-T.pdfapplication/pdf22401218https://repositorio.ufsc.br/bitstream/123456789/269074/-1/PEMC2433-T.pdf880e692db20020b1c74c2805470793deMD5-1123456789/2690742025-09-26 20:29:23.658oai:repositorio.ufsc.br:123456789/269074Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestsandra.sobrera@ufsc.bropendoar:23732025-09-26T23:29:23Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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