Correlating Mechanical Properties, Residual Stresses, and Magnetic Response in LPBF-Manufactured Duplex Stainless Steel Graded Lattice Structure

Le strutture reticolari graduate (GLS) realizzate tramite fusione laser a letto di polvere (LPBF) offrono la possibilità di creare componenti leggeri, strutturalmente efficienti e multifunzionali. Gli acciai inossidabili duplex (DSS), grazie alla loro microstruttura bilanciata ferrite–austenite e alla resistenza alla corrosione, sono particolarmente adatti ai settori marino, petrolchimico e della filtrazione, dove è necessaria la coesistenza di requisiti strutturali e magnetici. Tuttavia, la lavorazione LPBF di GLS in DSS rappresenta ancora una grande sfida a causa della limitata comprensione della formazione delle tensioni residue, dell’evoluzione delle fasi, del comportamento meccanico e della risposta magnetica, soprattutto nel caso di trattamenti termici post-processo applicati a strutture architettate. In questo lavoro viene utilizzato un approccio combinato computazionale–sperimentale per studiare GLS in DSS fabbricati tramite LPBF, considerando aspetti quali producibilità, microstruttura, trattamento termico, stima delle tensioni residue, prestazioni meccaniche e risposta magnetica preliminare con relativo comportamento dei domini. Siemens NX è stato impiegato per simulare il processo e individuare la localizzazione delle tensioni e le regioni soggette a tensioni residue di trazione e compressione all’interno dell’architettura reticolare. Trattamenti termici a diverse temperature sono stati utilizzati per valutarne l’impatto sulla trasformazione microstrutturale, sul bilanciamento ferrite–austenite, sulla diminuzione della densità di dislocazioni e sui fenomeni di recupero. Le indagini meccaniche e microstrutturali, comprendenti microscopia ottica, SEM e XRD, che illustrano l’evoluzione microstrutturale durante il processo di stampa e dopo il trattamento termico, insieme a microdurezza e nanoindentazione, hanno dimostrato che le GLS realizzate tramite LPBF presentano elevati valori di micro- e nanodurezza, pari a circa 7,7 GPa per la ferrite e 7 GPa per l’austenite. Ciò è dovuto principalmente all’elevata densità di dislocazioni, conseguenza della rapidissima solidificazione. I trattamenti termici riducono la durezza a causa dell’omogeneizzazione microstrutturale e della ricristallizzazione. È stato sviluppato un metodo di stima delle tensioni residue basato sulla nanoindentazione, stabilendo una correlazione tra il modulo elastico ridotto e le tensioni residue localizzate. I risultati mostrano un buon accordo con le tensioni residue stimate tramite NX, validando così il metodo anche per geometrie reticolari complesse. La risposta magnetica è stata studiata mediante magnetometria a campione vibrante (VSM) e microscopia a forza magnetica (MFM). Le diminuzioni osservate nella magnetizzazione di saturazione e nella coercitività dopo il trattamento sono state attribuite a variazioni nella frazione di ferrite e al raffinamento della microstruttura. Le immagini MFM hanno mostrato che i domini magnetici sono molto sensibili alle tensioni: le regioni in trazione presentavano domini più fini, paralleli e allineati, mentre le regioni in compressione mostravano configurazioni più grossolane e ramificate. Il calcolo della densità delle pareti di dominio ha evidenziato che l’effetto magnetoelastico è direttamente correlato ai gradienti di tensione. Nel complesso, questo lavoro rappresenta un passo verso una comprensione più completa delle relazioni tra processo LPBF, struttura e proprietà nei GLS in DSS, e propone una tecnica pratica per la mappatura delle tensioni residue tramite nanoindentazione e caratterizzazione dei domini magnetici. I risultati aprono la strada alla progettazione di architetture reticolari in DSS per applicazioni multifunzionali che combinano efficienza strutturale, resistenza alla corrosione e responsività magnetica.