Optimization of Mechanical Properties for Laser Powder Bed Fusion A20X Alloy

L'alliage A20X est un composite à matrice d'aluminium (AMC) haute performance récemment mis au point pour la fusion sur lit de poudre laser (LPBF). Sa grande résistance et sa légèreté en font un excellent candidat pour diverses industries du transport, en particulier l'aviation et l'aérospatiale. Les pièces destinées à ces applications requièrent généralement une combinaison de propriétés, notamment une résistance élevée à la traction, une résistance à la corrosion pour assurer la durabilité et la longévité dans des environnements difficiles, et une résistance à la fatigue pour supporter des cycles de contraintes répétés sans se fissurer ou se briser lors de décollages et d'atterrissages répétés. Cette thèse se concentre sur le développement de nouveaux procédés capables d'optimiser les propriétés de l’alliage A20X fabriqué par LPBF. Le traitement thermique de mise en solution n'est pas toujours nécessaire pour les alliages d'aluminium LPBF en raison de l'état sursaturé causé par des vitesses de refroidissement élevées. Dans la première partie de ce travail, l'effet du vieillissement direct sur les propriétés mécaniques est étudié. Le vieillissement direct a entraîné un adoucissement significatif du LPBF A20X. Après le vieillissement direct, les précipités existants ont augmenté de taille tout en maintenant une fraction de volume de précipité et une taille de grain constantes. Cela se traduit par une réduction des propriétés mécaniques. Dans la deuxième partie, le durcissement par précipitation conventionnelle a été étudié. La teneur en argent de l'A20X a facilité la précipitation sur des plans atomiques spécifiques. Un processus de vieillissement en deux étapes - nucléation à basse température suivie d'une croissance à haute température - a permis de réduire l'espacement des précipités et d'améliorer la résistance à la traction, mais au prix d'une moindre résistance à la corrosion due aux réactions galvaniques entre les précipités et la matrice. Dans la troisième partie de ce travail, l'effet des paramètres de balayage laser des contours sur les défauts proches de la surface, la rugosité de la surface et la performance de fatigue à faible cycle du LPBF A20X a été étudié. La rugosité de la surface a été fortement influencée par l'empilement des bassins de fusion pendant l'impression, qui a été directement affecté par la vitesse de balayage des contours. Par conséquent, la durée de vie en fatigue la plus longue a été obtenue pour les échantillons fabriqués avec une vitesse de balayage des contours et une distance de décalage faibles.

Abstract

The A20X alloy is a high-performance aluminum matrix composite (AMC) recently developed for laser powder bed fusion (LPBF). Its high strength and light weight make it an excellent candidate for various transportation industries, particularly aviation and aerospace. Components for these applications typically require a combination of properties, including high tensile strength to withstand significant surface stress and loads, corrosion resistance to ensure durability and longevity in harsh environments, and fatigue resistance to endure repeated stress cycles without cracking or breaking during repeated take-offs and landings. This thesis focuses on developing post-fabrication heat treatment and laser contour strategies to optimize these properties for LPBF A20X. Solution heat treatment is not always required for LPBF aluminum alloys due to the supersaturated state caused by high cooling rates. In the first part of this work, the effect of direct aging on mechanical properties is investigated. Direct aging resulted in significant softening of LPBF A20X. After direct aging, the existing precipitates grew while maintaining a constant precipitate volume fraction and grain size, thereby reducing mechanical properties. Moreover, the heterogeneous plastic flow phenomenon observed in the as-printed A20X gradually disappeared due to the annihilation of the Mg/Ag walls along the grain boundaries. In the second part, conventional precipitation hardening was studied. The silver content in A20X facilitated precipitation on specific atomic planes. A double-step aging process—low-temperature nucleation followed by high-temperature growth—reduced precipitate spacing and improved tensile strength, though at the cost of lower corrosion resistance due to galvanic reactions between the precipitates and the matrix. In the third part, the effect of laser contour scanning parameters on near-surface defects, surface roughness, and low cycle fatigue performance of LPBF A20X was investigated. Surface roughness was significantly influenced by the stacking of melt pools during printing, which was directly affected by contour scan speed. Consequently, the longest fatigue life was achieved in specimens fabricated with low contour scan speed and offset distance.