Surface functionalization of the AA2017 aluminum alloy powder for use in additive manufacturing

dc.contributor.advisor1Gargarella, Piter
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/4641435644243916
dc.contributor.advisor1orcidhttps://orcid.org/0000-0003-4445-5819
dc.contributor.authorBatistão, Bruna Fernanda
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/4842890331231831
dc.contributor.authororcidhttps://orcid.org/0000-0002-7902-7331
dc.contributor.refereeGargarella, Piter
dc.contributor.refereeKoga, Guilherme Yuuki
dc.contributor.refereeBolfarini, Claudemiro
dc.contributor.refereeWolf, Witor
dc.contributor.refereeAmancio Filho, Sergio de Traglia
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/4641435644243916
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/0933095081175012
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/9231627080617037
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/9656544805116765
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/7609614295379921
dc.date.accessioned2026-02-13T11:24:10Z
dc.date.issued2026-01-23
dc.description.abstractAdditive manufacturing (AM) of high-strength aluminum alloys faces challenges due to their high reflectivity, high thermal conductivity, poor powder flowability, and susceptibility to solidification cracking during laser powder bed fusion (L-PBF). These issues hinder stable powder spreading, full densification, and microstructural control, thus limiting their industrial applicability. In this context, the objective of this work was to investigate the surface functionalization of gas-atomized AA2017 powder – an aircraft Al-Cu-Mg alloy from the 2xxx series (EN AW-2017, AlCu4MgSi) – as a viable strategy to improve flowability, laser absorption, and solidification behavior during L-PBF processing. Two approaches were explored: chemical etching using acidic (HNO3) and basic (NaOH) solutions, and the addition of TiC particles with different sizes and concentrations. Chemical etching treatments improved powder flowability and laser energy absorption but promoted the formation of oxide layers on powder surface, which increased oxidation-related porosity in the as-built samples. Conversely, the addition of TiC effectively modified the alloy solidification, promoting strong microstructural refinement and a columnar-to-equiaxed transition, along with the formation of coherent Al3Ti particles, resulting in dense and crack-free samples. A key and novel outcome of this work is that fine micrometer-sized TiC particles (<4 μm) outperformed nanoparticles in enhancing the microstructure and mechanical properties of the AA2017 alloy. Although nanoparticles can theoretically provide greater grain refinement and strengthening, their strong tendency to agglomerate limited their efficiency. Therefore, the addition of fine micrometer-sized TiC particles proved to be a practical and efficient route to improve the processability of high-strength aluminum alloys by L-PBF, while also being safer to handle than nanoparticles. Additionally, to the best of the author's knowledge, this work provides important and new insights into the mechanisms governing grain refinement, strengthening, and discontinuous yielding behavior in TiC-modified 2xxx series aluminum alloys in L-PBF for the first time in the literature.eng
dc.description.resumoA manufatura aditiva (AM) de ligas de alumínio de alta resistência enfrenta desafios devido à sua alta refletividade, elevada condutividade térmica, baixa fluidez do pó e suscetibilidade ao trincamento durante a fusão seletiva a laser em leito de pó (L-PBF). Esses fatores dificultam a deposição estável das camadas de pó, a completa densificação e o controle microestrutural, limitando assim sua aplicabilidade industrial. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho foi investigar a funcionalização da superfície do pó atomizado a gás da liga AA2017 – uma liga aeronáutica Al-Cu-Mg da séried 2xxx (EM AW-2017, AlCu4MgSi) – como uma estratégia viável para melhorar a fluidez, a absorção do laser e o comportamento de solidificação durante o processamento por L-PBF. Duas abordagens foram exploradas: ataque químico com soluções ácida (HNO3) e básica (NaOH), e adição de partículas de TiC com diferentes tamanhos e concentrações. Os tratamentos químicos melhoraram a fluidez e a absorção do laser dos pós, mas promoveram a formação de camadas de óxido na superfície das partículas, aumentando a porosidade relacionada à oxidação nas amostras impressas. Em contraste, a adição de TiC modificou de forma eficaz a solidificação da liga, promovendo forte refinamento microestrutural e transição de grãos colunares para equiaxiais, juntamente com a formação de partículas coerentes de Al3Ti, resultando em amostras densas e livres de trincas. Um resultado chave e inovador deste trabalho é que as partículas de TiC de tamanho micrométrico fino (<4 μm) superaram as nanopartículas na melhoria da microestrutura e das propriedades mecânicas da liga AA2017. Embora teoricamente nanopartículas possam proporcionar maior refinamento e endurecimento, sua forte tendência à aglomeração limitou sua eficiência. Portanto, a adição de partículas micrométricas finas de TiC mostrou-se uma rota prática e eficiente para melhorar a processabilidade de ligas de alumínio de alta resistência por L-PBF, além de serem mais seguras de manusear do que nanopartículas. Além disso, até onde é de conhecimento da autora, este trabalho fornece, pela primeira ver na literatura, contribuições importantes e inéditas sobre os mecanismos que governam o refino de grão, endurecimento, e o comportamento de escoamento descontínuo em ligas de alumínio da série 2xxx modificadas com TiC processadas por L-PBF.
dc.description.sponsorshipFundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)
dc.description.sponsorshipIdProcesso n° 2020/09544-7, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)
dc.description.sponsorshipIdProcesso n° 2022/02760-1, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)
dc.identifier.citationBATISTÃO, Bruna Fernanda. Surface functionalization of the AA2017 aluminum alloy powder for use in additive manufacturing. 2026. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2026. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/23631.por
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/20.500.14289/23631
dc.language.isoeng
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlos
dc.publisher.addressCampus São Carlos
dc.publisher.initialsUFSCar
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEM
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
dc.subjectFusão seletiva a laser em leito de pó
dc.subjectLiga de alumínio AA2017
dc.subjectFuncionalização da superfície do pó
dc.subjectAtaque químico
dc.subjectAdição de partículas
dc.subjectLaser powder bed fusioneng
dc.subjectAA2017 aluminum alloyeng
dc.subjectSurface functionalization of the powdereng
dc.subjectChemical etchingeng
dc.subjectParticle additioneng
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::METALURGIA FISICA
dc.subject.ods9. Indústria, Inovação e Infraestrutura
dc.titleSurface functionalization of the AA2017 aluminum alloy powder for use in additive manufacturingeng
dc.title.alternativeFuncionalização da superfície do pó da liga de alumínio AA2017 para uso em manufatura aditiva
dc.typeTese

Arquivos

Pacote Original

Agora exibindo 1 - 1 de 1
Carregando...
Imagem de Miniatura
Nome:
Bruna Fernanda Batistão - Tese.pdf
Tamanho:
13.89 MB
Formato:
Adobe Portable Document Format