Desempenho de alta temperatura do fio

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 4541 (2023) Cite este artigo

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Ao desenvolver um processo de deposição de energia dirigida por arco de arame para superligas usadas em ambientes de vôo de alta velocidade, o Inconel 718 foi depositado usando um processo de arco de plasma e testado quanto ao seu desempenho em altas temperaturas. O material depositado foi testado tanto na condição depositada quanto após um tratamento térmico padrão da indústria de endurecimento por idade para esta liga. Os resultados mostraram um desempenho reduzido em ambas as condições de depósito, com o material tratado termicamente superando significativamente o desempenho do material depositado até 538 °C. A diferença no desempenho foi menos significativa de 760 a 1000 °C, devido a um processo de envelhecimento em teste que aumentou o desempenho do material depositado. A microestrutura do material depositado mostrou fissuração significativa em toda a liga e formação de fases secundárias em toda a matriz, com precipitação significativamente maior após o tratamento térmico.

A Cranfield University é especializada no desenvolvimento de processos de manufatura aditiva (AM) de deposição de energia direcionada (DED). Este estudo enfoca o DED de arco de arame, também conhecido como Fabricação Aditiva de Fio + Arco (WAAM); onde um arco elétrico é usado para depositar uma matéria-prima de arame1, e onde as taxas de deposição são uma ordem de grandeza maior do que vários outros processos AM de metal.

Muitas aplicações relacionadas a voos de alta velocidade requerem resistência em altas temperaturas, o que exige o uso de ligas especializadas, como superligas à base de níquel ou Hastelloy. A produção dessas ligas usando WAAM permitirá reduções de custo significativas em relação à fabricação convencional por economia de material e com prazos de entrega bastante reduzidos. Além disso, acelerará muito o desenvolvimento de novos designs, pois os protótipos podem ser fabricados com mais rapidez e economia. Este artigo explorará o efeito que o processo WAAM tem nas propriedades de tração de alta temperatura do Inconel 718 (IN718).

O Inconel 718 é uma superliga à base de níquel endurecida por envelhecimento, que é uma das ligas mais utilizadas em componentes de motores aeroespaciais. O IN718 foi desenvolvido para serviço em altas temperaturas, portanto, foi projetado para resistência em temperaturas mais altas, resistência à fluência e boa resistência à fadiga até 650 °C2.

Uma investigação sobre as propriedades de tração à temperatura ambiente e a macroestrutura do arco de arame DED IN718 foi investigada em um estudo anterior de James et al., entre outras ligas. Eles descobriram que as ligas endurecidas por idade depositadas (AD) tiveram um desempenho significativamente inferior em comparação com a resistência forjada declarada na literatura3,3. Foi demonstrado que o tratamento térmico do arco de arame DED IN718 melhora as propriedades de tração, Seow et al. relatou um desempenho de tração em temperatura ambiente (RT) de 86% do UTS forjado com um tratamento térmico modificado4.

Bhujangrao et al. investigaram o desempenho de alta temperatura do WAAM IN718 em comparação com o material forjado e descobriram que a formação de fases Laves leva a uma redução no desempenho do material WAAM, o que eles dizem ser devido ao comportamento frágil da fase Laves, que atua como uma fratura preferida caminho5. O trabalho de Lan et al. também relata a formação da fase Laves entre os braços dendríticos e sua associação com craqueamento8. Artaz et ai. investigaram métodos de controle da formação de trincas no WAAM IN718, no estudo eles descobriram que o uso de uma estratégia de resfriamento entre passes controla a formação de fases de Laves e reduz a formação de trincas6.

Ao usar a laminação in situ com laser DED, Li et al. descobriram que através do uso de laminação mecânica das camadas depositadas, as fases de Laves formadas no IN718 eram mais dispersas e encontradas em uma fração de volume menor em comparação com o material depositado. Eles também descobriram que o laser DED assistido por rolamento melhorou as propriedades de tração do IN7189.

Para entender com mais detalhes o efeito que o processo WAAM tem nas propriedades de tração de alta temperatura do AD e do IN718 tratado termicamente para uma aplicação de voo de alta velocidade, o teste foi realizado a partir de RT—1000 °C. Espera-se que a aplicação submeta estruturas externas a temperaturas de serviço de até 1.000 K (727 °C) e 1.200 + K (927 °C) para componentes no caminho do fluxo de propulsão.