Um estudo síncrotron do gradiente de microestrutura em Ni epitaxial formado aditivamente por laser

Scientific Reports volume 5, Número do artigo: 14903 (2015) Citar este artigo

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A formação aditiva a laser é considerada uma das técnicas promissoras para reparar peças de superliga monocristal à base de Ni para prolongar sua vida útil e reduzir o custo. A preservação da natureza cristalina única e a prevenção de falhas mecânicas térmicas são duas das questões mais essenciais para a aplicação desta técnica. Aqui nós empregamos microdifração de raios X síncrotron para avaliar a qualidade em termos de orientação cristalina e distribuição de defeitos de uma superliga à base de Ni DZ125L formada diretamente por um processo aditivo a laser enraizado a partir de um único substrato cristalino do mesmo material. Mostramos que existe um gradiente de desorientação causado por uma alta densidade de deslocamentos geometricamente necessários e subgrãos resultantes na região interfacial entre os grãos epitaxiais e dispersos. Isso cria uma relação potencial de formação de grãos dispersos e acúmulo de defeitos. A observação oferece novas direções no estudo do controle de desempenho e confiabilidade das superligas fabricadas com aditivo a laser.

As superligas monocristalinas à base de Ni têm sido amplamente utilizadas para fabricar pás de turbinas a gás, blisks e segmentos de vedação de palhetas para motores de aeronaves e sistemas de geração de energia1,2,3. A ausência de contornos de grão contribui para seu excelente desempenho quando expostos a condições severas, como alta temperatura, vibração, corrosão e ruptura por fluência4. A fim de prolongar a vida útil e reduzir o custo total dessas caras lâminas ou palhetas monocristalinas, novas técnicas de reparo/reforma são desejadas, preservando a natureza monocristalina da superliga baseada em Ni5. Uma das técnicas mais promissoras atualmente é a conformação aditiva a laser, também conhecida como impressão 3-D, conformação direta de metal a laser ou manufatura aditiva6,7. No processo de reparo via conformação aditiva a laser, o pó metálico é injetado em uma poça fundida formada pelo aquecimento controlado a laser do substrato. Ao regular os parâmetros do processo, a remodelação e a fabricação de superliga monocristalina à base de Ni podem ser realizadas por solidificação direcional, em epitaxia com o substrato8,9. O procedimento epitaxial envolve crescimento dendrítico colunar preferencial que depende principalmente do gradiente de temperatura e velocidade de solidificação. No entanto, devido à influência da cinética de solidificação, a orientação preferencial às vezes pode se desviar da direção axial do crescimento real e, portanto, grãos dispersos, cuja orientação cristalina é diferente do substrato e grãos epitaxiais, são formados durante a conformação direta a laser processo10,11. Duas das principais questões que ainda precisam ser respondidas para a formação aditiva a laser são quão bem se pode preservar a natureza cristalina única e quão eficazmente se pode evitar os efeitos térmicos, como trincas a quente5,9. Portanto, é importante investigar minuciosamente a desorientação entre as camadas depositadas a laser e o substrato e a densidade de defeitos nos materiais formados diretamente a laser, que são os principais parâmetros de índice de qualidade de crescimento epitaxial e determinam a resistência dos materiais a cargas térmicas e mecânicas externas.

Na literatura anterior, a morfologia dos grãos epitaxiais e dispersos foi observada usando microscopia óptica e eletrônica de varredura. A orientação do cristal foi caracterizada usando difração de retroespalhamento de elétrons (EBSD) em várias superligas à base de Ni8,9,12. Difração de raios-X de alta resolução (HRXRD) e mapeamento espacial recíproco (RSM) em torno de pontos de difração selecionados também têm sido empregados para estudar a desorientação, mosaicidade e incompatibilidade de rede das camadas depositadas a laser e do substrato13,14. No entanto, limitado pela profundidade da sonda de EBSD e a baixa resolução espacial de HRXRD e RSM (geralmente na escala de centenas de mícrons ou mesmo milímetros), a orientação e distribuição de defeitos e gradiente nas camadas depositadas a laser, especialmente do substrato para na região de grãos dispersos, não são fáceis de serem caracterizados quantitativamente. Neste artigo, a microdifração Laue de raios X de feixe branco baseada em síncrotron (μXRD) foi empregada para estudar uma superliga à base de Ni DZ125L formada aditivamente por laser, projetada na China para aplicação em motores de turbina a gás avançados15. Aproveitando a resolução espacial em escala de mícrons, alta resolução de orientação, bem como a significativa profundidade de penetração do feixe de raios X de alta energia, estudamos em profundidade a evolução microestrutural, incluindo orientação do cristal, distribuição de contorno de subgrão e gradiente de densidade de defeitos, sobre uma região de tamanho milimétrico incluindo o substrato cristalino único, as camadas dendríticas colunares epitaxiais formadas diretamente por fabricação aditiva a laser e grãos dispersos. Uma alta densidade de defeitos foi detectada perto da interface epitaxi-dispersa, indicando que a transição epitaxial-para-dispersa pode estar relacionada à nucleação heterogênea assistida por defeitos.