Impact of Direct Aging Treatment on the Mechanical Properties of 18Ni-300 Maraging Steel Produced by Hybrid Additive/Subtractive Manufacturing

L’effet synergétique entre la matrice martensitique affinée obtenue par fabrication additive et le durcissement par précipitation résultant du traitement de vieillissement fait de l’acier maraging 18Ni-300 un excellent matériau pour les applications d’outillage de moulage par injection et les composants aéronautiques de haute performance. L’exploration de traitements thermiques alternatifs pour les aciers maraging fabriqués selon la technique de Fusion Laser sur Lit de Poudres (L-PBF) revêt un grand intérêt pour la communauté scientifique. En raison de la rapidité de refroidissement inhérente au processus, la microstructure initiale telle que fabriquée présente des mésostructures et de l’austénite résiduelle issues de la solidification qui peuvent être modifiés par migration des éléments solutés lors d’un traitement thermique postérieur, ce qui encourage la recherche de traitements plus efficaces. Le vieillissement direct s’est révélé être une alternative compétitive, offrant aux pièces une excellente résistance mécanique et des propriétés de ténacité améliorées par rapport aux traitements conventionnels. Ce traitement thermique peut être étudié plus en détails dans les aciers maraging imprimés par L-PBF, afin d’améliorer le rapport résistance-ténacité tout en réduisant les coûts de production. Ce projet s’est donc concentré sur l’étude de l’impact de différentes températures de vieillissement direct sur les propriétés de traction et de résistance aux impacts Charpy de l’acier maraging 18Ni-300 imprimé par L-PBF. Plus précisément, la transition de température ductile-fragile (DBTT) a été étudiée pour chaque condition imposée, un thème qui a reçu peu d’attention dans la littérature sur la fabrication additive jusqu’à maintenant. À cette fin, 20 coupons en acier maraging 18Ni-300 ont été fabriqués en utilisant la technologie L-PBF. Ces coupons ont été usinés pour l’analyse de la densification des échantillons, la car-actérisation microstructurale, l’analyse par diffraction des rayons-X, la microdureté Vickers et les essais de traction et de impacts Charpy. Un vieillissement direct a été effectué à 490 °C, 510 °C, 530 °C et 560 °C pendant 6 heures, suivi d’un refroidissement à l’air. La densifi-cation des coupons imprimés fut acceptable, résultant en des valeurs de dureté conformes à la littérature et une microstructure martensitique avec austénite résiduelle. Le traitement à 490 °C a conduit à une microstructure martensitique dure et à la formation d’austénite inversée, ce qui a entraîné une dureté et une résistance maximales au détriment de la ténacité. À mesure que la température augmentait jusqu’à 560 °C, on a observé une tendance à la réduction de la dureté et à un meilleur équilibre entre résistance et ténacité. Cela s’explique par une augmentation du volume d’austénite, qui agit comme une phase ductile et peut potentiellement déclencher l’effet de plasticité induite par transformation (TRIP).

Abstract

The synergistic combination of additive manufacturing’s refined martensitic matrix coupled with precipitation strengthening from aging treatment makes 18Ni-300 Maraging Steel an excellent solution for injection mold tooling applications and high-performance air-craft components. They require complex, high-strength geometries while possessing good toughness to withstand stresses under critical conditions. The exploration of alternative heat treatments for maraging steels manufactured by L-PBF technique has been of enormous in-terest to the scientific community. Due to the rapid cooling rate inherent to the process, the as-built microstructure exhibits mesostructures and retained austenite from solidification that can be levelled up by solute migration with post-heat treatment, which encourages the quest for more effective treatments. Direct aging has been a cost-effective alternative, providing excellent mechanical strength and enhanced toughness properties compared to conventional treatments. As there is still no post-heat treatment procedure fully accepted by the indus-trial additive manufacturing community, direct aging can be investigated in L-PBF-printed maraging steels to improve the strength-toughness relationship while reducing production costs. The project focuses on studying the impact of different direct aging temperatures on the tensile and Charpy impact properties of 18Ni-300 maraging steel printed by L-PBF. In depth, Ductile-Brittle Temperature Transition (DBTT) will be investigated for each direct aging condition imposed, a topic that has received limited attention in additive manufacturing literature. For this purpose, 20 prismatic coupons of 18Ni-300 maraging steel were manufac-tured using Additive-Subtractive Hybrid Manufacturing (ASHM) based on optimized process parameters. These coupons were machined for analysis of the as-built sample densification, microstructural characterization, X-ray diffraction (XRD) analysis, Vickers microhardness, and tensile and Charpy impact tests. Direct aging was performed at 490 °C, 510 °C, 530 °C, and 560 °C for 6 hours, followed by air cooling. The densification of the printed coupons was acceptable, resulting in hardness values consistent with the literature and a soft martensitic microstructure with residual retained austenite. Direct aging treatment at 490 °C led to a hard martensitic microstructure and the formation of reverted austenite, which resulted in peak strength at the expense of toughness. As the direct aging temperature increased up to 560 °C, a trend was observed towards hardness reduction and a better strength-toughness balance. This can be explained by the increase in austenite content, which acts as a soft phase and can potentially trigger the transformation-induced plasticity (TRIP) effect. DBTT curves were developed, resulting in a shift towards higher temperatures as the direct aging temperature increased.