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Apr 12, 2024

Projeto contra heterogeneidades de fase e propriedades em ligas de titânio fabricadas aditivamente

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 4660 (2022) Citar este artigo 11k Acessos 19 Citações 4 Detalhes de métricas altmétricas A fabricação aditiva (AM) cria peças projetadas digitalmente por

Nature Communications volume 13, número do artigo: 4660 (2022) Citar este artigo

11 mil acessos

19 citações

4 Altmétrico

Detalhes das métricas

A manufatura aditiva (AM) cria peças projetadas digitalmente por meio da adição sucessiva de material. No entanto, devido ao ciclo térmico intrínseco, as peças metálicas produzidas por AM sofrem quase inevitavelmente de heterogeneidades espacialmente dependentes nas fases e nas propriedades mecânicas, o que pode causar falhas de serviço imprevisíveis. Aqui, demonstramos uma abordagem sinérgica de projeto de liga para superar esse problema em ligas de titânio fabricadas por fusão em leito de pó a laser. A chave para nossa abordagem é a liga in situ de Ti − 6Al − 4V (em porcentagem em peso) com adições combinadas de pós de titânio puro e nanopartículas de óxido de ferro (Fe2O3). Isto não só permite a eliminação in situ da heterogeneidade de fase através da diluição da concentração de V enquanto introduz pequenas quantidades de Fe, mas também compensa a perda de resistência através do fortalecimento do soluto de oxigênio. Nossas ligas alcançam microestruturas espacialmente uniformes e propriedades mecânicas superiores às do Ti − 6Al − 4V. Este estudo pode ajudar a orientar o projeto de outras ligas, o que não apenas supera o desafio inerente aos processos AM, mas também aproveita as oportunidades de projeto de ligas oferecidas pela AM.

Ao contrário dos processos convencionais de fabricação de metal, como fundição e usinagem, a manufatura aditiva (AM) constrói a peça projetada digitalmente, camada por camada, por meio da fusão da matéria-prima (como pó ou arame) com uma fonte de alta energia (por exemplo, laser, feixe de elétrons ou arco de plasma)1,2. Esta característica única dos processos AM é uma faca de dois gumes. Por um lado, oferece a possibilidade de produzir formas, microestruturas e propriedades desejáveis ​​que de outra forma não poderiam ser alcançadas utilizando métodos de fabricação convencionais3,4,5,6,7,8. Por outro lado, o gradiente térmico acentuado intrínseco, a alta taxa de resfriamento em conjunto com a história térmica complexa normalmente encontrada durante a AM geralmente resulta em porosidade, segregação elementar, grãos colunares e fases distribuídas heterogeneamente na microestrutura9,10,11, 12 – seja na solidificação ou através de subsequentes transformações de fase no estado sólido – que levam a propriedades mecânicas não uniformes em diferentes locais da peça metálica construída13,14,15,16,17. As questões relacionadas à porosidade, segregação elementar e grãos colunares têm sido efetivamente abordadas através da manipulação de parâmetros de processamento e/ou composições de ligas18,19,20. No entanto, como a falta de homogeneidade de fase ocorre quase inevitavelmente nas ligas que sofrem transformações de fase no estado sólido após a solidificação durante a AM, continua a ser um desafio de longa data alcançar propriedades mecânicas uniformes. Tais fenômenos são mais pronunciados em componentes metálicos fabricados aditivamente com geometrias complexas21, que incorporam regiões que respondem de forma diferente ao carregamento mecânico, causando falhas de serviço imprevisíveis.

Ti−6Al−4V é uma das ligas típicas que exibe variação espacial de fases ao longo da direção da construção enquanto é fabricada aditivamente . Durante o processo AM, como a fusão do leito de pó a laser (L-PBF) (Fig. 1a), após a solidificação da primeira camada, o Ti − 6Al − 4V sofre β de estado sólido (estrutura cúbica centrada no corpo) → α ′ ( estrutura hexagonal fechada) transformação martensítica devido à alta taxa de resfriamento. À medida que as camadas sucessivas são adicionadas, a martensita α 'acicular que foi inicialmente formada se decompõe em microestruturas lamelares (α + β) sob extensos ciclos térmicos (Fig. 1a). Portanto, a microestrutura de Ti-6Al-4V fabricada por L-PBF é comumente relatada como apresentando fases espacialmente dependentes ao longo da direção da construção, com martensita α' acicular na superfície superior, enquanto microestruturas lamelares (α + β) parcialmente ou totalmente estabilizadas formando nas regiões baixas23,24,25. Tal distribuição de fase graduada também é confirmada por microscópio eletrônico de varredura (MEV) (Fig. 1b e Figura 1a, b suplementar) e difração de raios X (XRD) (Figura 2 suplementar) neste trabalho (Métodos). Para revelar a influência da falta de homogeneidade de fase nas propriedades mecânicas, realizamos testes de tração das amostras de Ti − 6Al − 4V produzidas por L-PBF ao longo das direções vertical e horizontal à temperatura ambiente (Métodos). O Ti-6Al-4V fabricado exibe resistência semelhante, mas ductilidade altamente dispersa ao longo de ambas as direções (Fig. 1c). Em particular, a ductilidade à tração (em termos do alongamento à tração até a ruptura) ao longo da direção horizontal varia acentuadamente de 9,4% a 17,6%, com o valor mais baixo observado na superfície superior. Esta tendência, juntamente com a análise microestrutural detalhada (Figs. Complementares 3–5 e Nota Complementar 1), revela que a distribuição espacial da fase é a causa mais provável da ductilidade altamente dispersa observada aqui. Esta observação também é consistente com a crença comum de que a martensita α 'acicular geralmente resulta em ductilidade inferior em comparação com a microestrutura lamelar (α + β) devido à sua incapacidade de resistir ao início da trinca . Ao longo da última década, uma série de estudos foram realizados para eliminar a indesejada martensita α' em Ti-6Al-4V fabricado aditivamente por L-PBF, que são baseados na estratégia de controle de processo ou projeto de liga. A primeira estratégia normalmente envolve a manipulação da ciclagem térmica do L-PBF para desencadear o tratamento térmico intrínseco (IHT)27, que promove a decomposição in situ da martensita24,27. No entanto, devido aos ciclos térmicos limitados ou ausentes pelos quais passam as camadas superiores, a martensita α 'acicular pode se decompor apenas parcialmente ou mesmo permanecer . Portanto, a falta de homogeneidade de fases ao longo da direção da construção não pode ser eliminada. Embora o tratamento térmico pós-MA seja frequentemente realizado para homogeneizar a microestrutura28, infelizmente, prolonga o ciclo de produção e influencia a eficácia dos processos AM29. Portanto, é altamente desejável eliminar a falta de homogeneidade de fase em primeiro lugar. Alternativamente, a liga in-situ de Ti−6Al−4V com elementos estabilizadores β - por exemplo, Mo30 - através de pós elementares permite a formação de uma fase β completa, o que leva a alta ductilidade (embora às custas da perda de resistência). No entanto, as partículas aditivas não fundidas resultantes ou a segregação elementar dramática podem levantar a preocupação de alcançar propriedades mecânicas não uniformes e não reproduzíveis .