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

Graded lattice structures (GLS) fabricated via laser powder bed fusion (LPBF) provide the possibility of creating lightweight, structurally efficient, and multifunctional components. Duplex stainless steels (DSS), with their microstructure of balanced ferrite–austenite and corrosion resistance, are very suitable in the marine, petrochemical, and filtration industries, where the co-existence of structural and magnetic requirements is necessary. However, LPBF processing of DSS GLS is still a great challenge due to the lack of understanding of residual stress formation, phase evolution, mechanical behavior, and magnetic response, especially in the case of post-processing heat treatments of architected structures. A combined computational–experimental approach is used in this work to study LPBF-fabricated DSS GLS related to the aspects of manufacturability, microstructure, thermal processing, residual stress estimation, mechanical performance, and magnetic preliminary response and domain behavior. Siemens NX was used for process simulations to stress localization and the regions of tensile and compressive residual stresses in the GLS architecture. Heat treatments at different temperatures were used to examine their impact on microstructural transformation, ferrite–austenite balance, decrease of dislocation density, and recovery phenomena. The mechanical and microstructural investigations comprising optical microscopy, SEM, and XRD, which illustrate microstructural evolution during the printing process and after thermal treatment, microhardness, and nanoindentation have demonstrated that GLS fabricated by LPBF show high micro- and nanohardness, which is in the range of 7.7 GPa for ferrite and 7 GPa for austenite. This is mainly due to the high dislocation density, which is a result of very rapid solidification. The thermal treatments lower the hardness due to microstructural homogenization and recrystallization. A method for estimating residual stress based on nanoindentation was conducted by establishing a correlation between the reduced elastic modulus and localized residual stresses. The results display a good agreement with the NX estimated residual stresses; thus, the method demonstrates validation for complex lattice geometries. Magnetic response was studied using vibrating sample magnetometry (VSM) and magnetic force microscopy (MFM). The observed declines in saturation magnetization and coercivity after the treatment were attributed to changes in ferrite fraction and refinement of the microstructure. MFM images demonstrated that magnetic domains are very sensitive to stress and, therefore, tensile regions showed domains that were refined, parallel, and aligned, whereas compressive regions showed coarser, branched configurations. The domain-wall density calculation showed that the magnetoelastic effect has a direct relationship with the stress gradients. This work, in general, is a step towards a comprehensive understanding of the LPBF processing–structure–property relationships in DSS GLS and presents a practical technique for residual stress mapping through nanoindentation and magnetic domain characterization. The results open the way for the design of DSS lattice architectures for multifunctional applications that combine structural efficiency, corrosion resistance, and magnetic responsiveness.

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.