Adler, Matthew A.

Lambert, Dennis M.

NASA Technical Reports Server

Approved for Public Release; Distribution is Unlimited
IN718 Additive 
Manufacturing Properties 
and Influences
Additive Manufacturing Consortium meeting 
29 October 2014
Dennis M. Lambert, PhD, Raytheon ESSSA Group, NASA‐MSFC
Matthew A. Adler, PhD, Jacobs ESSSA Group, NASA‐MSFC
https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20140016887 2019-08-31T16:39:04+00:00Z
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Acknowledgement
The list of people who have contributed to the 
additive manufacturing effort at NASA Marshall 
Space Flight Center is too long to recite, herein, and 
the opportunity to present the following information 
is appreciated.
• Propulsion Engineering
• Nonmetals Engineering
• Metals Engineering
• Materials Test Lab
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Discussion Topics 
• Material Information 
• Test Orientation
• Survey of Capabilities Across Vendors
• Build Parameters versus Mechanical Properties
• Conclusions and Next Efforts
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Material Information:
• The materials tested were IN718 nickel‐base superalloy.
• Specimens were produced as a dedicated build or as representatives of the build lot where parts were 
produced.
• Two heat treat conditions are represented, and both received stress relief and hot isostatic pressing (HIP) 
processing, as follows:
oStress Relieve at 1950F, vacuum, 1.5 hours, then quench in argon.
oExcise parts from build platen.
oHIP 2125F, 15 ksi argon, 3 hours, furnace cool (4 hours).
• Some specimens received heat treat A:  after stress relief and HIP* the following was performed 
oHomogenize 2150F, vacuum, 1 hour, quench to 1100F in argon in less than 10 minutes.
oSolution treat and age per AMS 5663.
• Other specimens received heat treat D:  after stress relief and HIP the following was performed
oNo homogenization step was performed.
oSolution treat and age per AMS 5664.
oSurfaces were either bead blasted or micro‐machining processed (MMP) finished per a proprietary 
process.
_________________________________
*HIP is Hot‐Isostatic Pressing
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Test Orientation:
• The naming convention adopted at NASA‐MSFC for additive manufacturing is 
shown in the figure on the right.
o Z is the build direction, and XY is the build plane.  
o The material is transverse‐isotropic, i.e., properties do not vary by 
direction in the build plane, and so the “XY” notation was adopted for any 
direction in the build plane.
• The tested orientations were identified as Z‐ and XY‐, and these correspond to Z‐
XY* and XY‐XY, respectively (cracks leading to delamination of adjacent build 
planes, or else tearing of the build plane, respectively). 
_____________________________
*This follows the ASTM naming convention, identifying the loading direction as 
the first digit(s), followed by the crack extension direction as the second digit(s).
Page 5
Z, build direction
y
x
Build planes
Build Orientation
Z‐XY Orientation*
yx
z
XY‐XY Orientation*
yx
z
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• Z‐ and XY‐orientations provided similar results for Suts.  The XY‐orientation was slightly better.  
• All data are above the AMS 5663/5664 minimum and the adopted MSFC minimum.
NOTE:  Each of these 
points is generated as an 
average of all of the like 
data available.
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Page 7
• All Sys results shown above are consistent with those provided for Suts :  
o Z‐ and XY‐orientations provided similar results for Sys.  
o The XY‐orientation was slightly better.  
• Results for all but one vendor meet or are above the AMS 5663/5664 value shown.
NOTE:  Each of these 
points is generated as 
an average of all of the 
like data available.
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Page 8
• Suts decreases as temperature increases for each vendor where data are available.
NOTE:  Each of these 
points is generated as 
an average of all of the 
like data available.
Both orientations are 
combined for elevated 
temperatures, and the 
results appear on the 
line between the 
combined 
orientations.
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Page 9
• The Sys results relative to temperature are consistent with the Suts results:  For 
each vendor, Sys decreases as temperature increases.
NOTE:  Each of 
these points is 
generated as an 
average of all of 
the like data 
available.
Both orientations 
are combined for 
elevated 
temperatures, and 
the results appear 
on the line 
between the 
combined 
orientations.
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Page 10
• The ductility results are well above the AMS specification minimums.
NOTE:  Each of 
these points is 
generated as an 
average of all of 
the like data 
available.
The AMS planar 
specification minima 
vary with direction 
(longitudinal or long‐
transverse), and the 
lower of these was 
selected for this 
comparison. 
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Page 11
For fracture results 
shown, Z indicates the 
Z‐XY orientation per 
ASTM E1820, while XY 
indicates the XY‐XY 
orientation.
• Fracture testing did not provide valid KIc (plane strain fracture toughness) results.  The results 
are still useful, since they are characteristic of the thickness tested.
• KIe is provided as a reference.
• Z‐ and XY‐orientations provided similar results for fracture toughness.
• All results were above KIc (NASGRO).
NOTE:  Each of these 
points is generated as 
an average of all of the 
like data available.
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Page 12
Power law fit lines 
have been 
inserted to help 
with visualizing 
the trends.
• All tests were of heat treatment A specimens.
• As‐built Vendors A and C results were in‐family.  
• As‐built Vendor D was similar but lower than A and C.
• All of the as‐built tests were below the MMPDS‐08 reference curves.
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Page 13
Power law fit lines 
have been 
inserted to help 
with visualizing 
the trends.
• Vendor C, heat treatment A, low‐stress ground specimens performed as well as the published 
MMPDS‐08 high cycle fatigue results.
• Vendor D, heat treatment A, low‐stress ground specimens and Vendor B, heat treatment D, bead‐
blasted specimens performed better than the published results for IN718 bar and plate, but 
below the published results for IN718 sheet.
• Vendor A, heat treatment D specimens with micro‐machining performed below all of the 
published information.
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Page 14
Power law fit lines 
have been 
inserted to help 
with visualizing 
the trends.
• All high‐cycle fatigue data was below the published results at 1000F.
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Page 15
• Graph of ultimate tensile and yield strengths versus core laser power.  Two layer thicknesses were 
evaluated:  0.030‐mm and 0.045‐mm., and all build parameters were per recommendation while the 
power was varied around the recommended value.
• Notice that the ultimate tensile strength increases as input power increases for 0.045‐mm ONLY.  This 
seems to level off and variance decreases as power increased.
• No other trend is apparent.
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Page 16
• Graph of percent elongation versus core laser power.  Two layer thicknesses were evaluated:  0.030‐mm and 
0.045‐mm., and all build parameters were per recommendation while the power was varied around the 
recommended value.
• Notice that the gage elongation increases as input power increases for the 0.045‐mm layer thickness ONLY.
• The two thicknesses seem to be converging towards the same value.
• No other trend is apparent.
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Page 17
• All variables were as recommended, with laser scan speed varied around the recommended value. 
• Ultimate tensile strength and yield strength were essentially constant over the entire range of laser 
scan speeds tested.
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Page 18
• All variables were as recommended, with laser scan speed varied around the recommended value. 
Approved for Public Release; Distribution is Unlimited
Page 19
• All variables were as recommended, with laser scan speed varied around the recommended value. 
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Page 20
• Graph of ultimate tensile and yield strengths versus laser scan hatch width. Two combinations of layer 
thicknesses/core laser power were evaluated:  0.030‐mm/180 watts and 0.045‐mm/200 watts. Build 
parameters were set per recommendations, except for hatch‐width, which was varied around the 
recommended value.
• Notice that the ultimate tensile strength increases as hatch width increases for 0.045‐mm ONLY.  This 
seems to level off and variance decreases to a level considered acceptable slightly above the 
recommended value.  
• Yield strength may increase for the 0.045‐mm build thickness to a stable value at a hatch width slightly 
below the recommended value.
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Page 21
• Graph of elongation versus laser scan hatch width. Two combinations of layer thicknesses/core laser 
power were evaluated:  0.030‐mm/180 watts and 0.045‐mm/200 watts. Build parameters were set per 
recommendations, except for hatch‐width, which was varied around the recommended value.
• Notice that the gage elongation increases as hatch width increases for the 0.045‐mm layer thickness ONLY.
• Gage elongation appears to increase slightly for the 0.030‐mm layer thickness up to the recommended 
value, and has insignificant variance for increasing hatch widths beginning slightly below the 
recommended value.
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CONCLUSIONS
• Additive manufactured IN718 tensile, fracture, and high‐cycle fatigue 
properties can match specified wrought material properties.
• The four vendors evaluated in this investigation provided specimens 
that met the specified wrought material tensile and fracture properties, 
but only one met the high‐cycle fatigue properties.
• Recommended build parameters for the most part produce properties 
that are in‐family with wrought material properties, but for a given 
machine, they should be evaluated to insure that subsequent builds are 
produced with optimal properties.
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NEXT EFFORTS
• Use multi‐variable testing (design of experiment) to better understand 
and optimize the build parameters.  A wider range of the build 
parameters is planned.
• Evaluate the response of tensile properties to varied heat treatments.
• Investigate additional alloys.


IN718 Additive Manufacturing Properties and Influences

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